波纹板气液分离过程中液滴与液膜作用的动力学过程研究

樊玉光，刘家豪，袁淑霞，宋光辉，刘 涛，梁远桥

（西安石油大学 机械工程学院，陕西 西安 710065）

气液分离是基于惯性原理而设计的复杂多相流过程，液滴在壁面上碰撞过程决定了液滴的分离效率，液滴碰撞液膜现象广泛存在于分离工业。在折流板气液分离器中，当夹带液滴的气体进入通道时，气体可以通过通道，而液滴将撞击壁面，在壁面被捕获形成液膜从壁面排出。研究液滴撞击液膜现象不仅可以理解气液分离过程液滴与液膜作用机理，进而控制分离过程，也对于认识液滴撞击液膜过程的多相流体动力学机理具有重要价值。已有气液分离研究中，假设液滴只要撞击壁面便被捕捉并分离［1-7］，液滴与液膜的作用被忽略，液滴碰撞液膜后可能发生的二次夹带现象无法体现。Yarin等［8-13］研究表明，当液滴以较低速度撞击湿润壁面时，液体以盘形形态沿壁面逐渐铺展开；当液滴以较高的速度撞击时，液体形成“皇冠”形的几何体并发生破碎飞溅现象，还可能存在一个无量纲参数K，利用此参数可以判定是否发生破碎飞溅。目前，针对波纹板气液分离中液滴与液膜作用对气液分离效率的影响还有待进一步的研究［14-17］。

本工作采用流体体积（VOF）法对波纹板气液分离中液滴与液膜碰撞作用进行研究，对不同质量、不同速度液滴与不同厚度液膜碰撞过程进行动力学计算，考察We与入射角和We与液膜厚度对碰撞行为的影响，得到吸收、破碎、飞溅的特性条件，为气液分离过程液滴二次夹带研究提供参考。

1 数值计算方法

1.1 物理模型

图1 为单个液滴撞击波纹板上液膜过程的模型［18］。由图1 可知，所建立的二维计算域长为2 mm、宽为1 mm，底部为壁面边界条件，其余边界为大气边界条件。液滴及液膜的物质组成均为水。气相密度为1.225 kg/m3，气相动力学黏度为1.789 4×10-5Pa·s；液滴密度为998.2 kg/m3，动力学黏度为0.001 Pa·s，表面张力0.073 N/m。对液膜厚度进行无量纲化处理，得到了无量纲液膜厚度（h*），h*=h/d0，h为液滴的液膜厚度，d0为初始液滴直径。

图1 单液滴撞击液膜示意图［18］Fig.1 Schematic diagram of a single droplet impacting a liquid film［18］.

1.2 数学模型

采用Fluent 软件进行数值计算。在对相界面追踪的处理上，由于VOF 法［19］可以表示复杂相界面的结构和变化；在描述复杂相界面和处理三维相界面的融合与破碎问题时，VOF 法优于其他相界面追踪方法。在VOF 模型中，跟踪相与相之间的界面是通过求解单相或多相的连续方程来完成的，体积分数方程不求解初始相，只给出各相体积分数当α=1 时，该网格单元内充满目标流体；当α=0 时，该网格单元内充满气体；当0<α<1 时，该网格单元内包含有气-液两相的交界面。

1.3 网格的无关性验证

定义液滴撞击液膜［20-21］表面后的铺展直径（dt），再对液滴的dt进行无量纲化处理得到铺展因子（a，a=dt/d0）；并引入网格特性参数（S，S=r0/L），表示网格尺寸（L）与初始液滴半径（r0）的相对大小。图2 为不同网格尺寸下的无量纲a值。由图2 可知，当S为10 以上时，计算结果几乎不受网格尺寸的影响，因此将计算模型的S选定在10。

图2 网格无关性验证Fig.2 Grid independence verification.

1.4 模型验证

为验证模型的准确性，通过数值模拟实验工质液滴撞击液膜与文献［22］中实验现象进行对比，结果见图3。实验中的液滴与液膜为水与70%（w）甘油的混合溶液，液滴直径2.5 mm，工质密度1 200 kg/m3，液膜厚度为2.5 mm，液膜黏度为0.022 Pa·s，表面张力为0.039 N/m，液滴撞击速度为5.1 m/s（We=2 010）。网格尺寸为250 μm，在液膜局部进行网格加密，最小网格尺寸为100 μm。压力-速度耦合求解采用Fractional Step 算法，对流离散格式采用Second Order Upwind 格式。由图3 可知，将数值模拟所得的二维图形以图中轴线为旋转轴旋转半周扩展为三维图形，形状与实验结果吻合，证明了该模型的准确性。

图3 液滴撞击液膜现象对比Fig.3 Comparison of the droplets hitting the liquid film.

2 结果与讨论

2.1 液滴垂直碰撞液膜形态发展

基于数值计算结果，分析液滴碰撞液膜后的形态发展，根据液滴碰撞液膜后产生的冠状形状与剧烈状态可将液膜分为4 种典型类别：稳定状态下吸收、飞溅状态下吸收、稳定冠状下破碎、飞溅冠状下破碎。图4 为每种典型状态的相图，选取液膜发展不同时刻（定义液滴开始的时刻为0）的图像，更清晰地描述每种液膜形态的具体特征。第一种为稳定状态下吸收，由图4（a）可知，初始液滴保持球形下落；0.32 ms 时，液滴开始碰撞液膜，由于液滴内部液体的运动速度瞬时间由垂直转变为水平液膜的方向，液滴及液膜表面的空气会被压缩，因此在融合过程中空气的压力升高造成液滴与液膜间的间隙有少量空气不能完全被排出；随后0.4 ms时，液滴与液膜逐渐融合，向四周平铺展开；到0.6 ms 时，已经完全融合展开。第二种为稳定冠状下破碎，由图4（b）可知，初始液滴撞击液膜时有少量空气不能完全排除，由于入射速度的增大造成液滴内液体的动能增大，液滴与液膜撞击融合向四周平铺的同时液膜继续下陷直到碰撞壁面向四周铺展；当0.52 ms 时，液膜开始破碎，从中心向周围平铺；当0.6 ms 时，液膜已经完全破碎。第三种为飞溅状态下吸收，由于当h*=1 时，液滴撞击液膜无法达到此状态，因此增大h*=1.3。由图4（c）可知，当0.05 ms 时，液滴碰撞液膜融合，在液滴与液膜碰撞的颈部区域形成射流，射流逐渐生长形成冠状水花，随着冠状液膜的生长，顶部凸起的边缘破碎并形成小液滴飞溅到空气中升至最高点后逐渐下落，并受水平方向惯性力向外扩张；当0.7 ms 时，冠状结构融入液膜向外扩张并逐渐趋于稳定。颈部射流是由于颈部液体压力与空间空气存在较大的压差，使得铺展边缘的区域内液体足够克服表面张力的作用，向外逐渐形成射流。第四种为飞溅冠状下破碎，由图4（d）可知，当0.04 ms时，液滴碰撞液膜形成射流；当0.18 ms 时，由于动能的过大，液膜撞击壁面向四周铺展，随着时间的进程，铺展半径越来越大，趋于稳定。

2.2 液滴倾斜碰撞液膜形态发展

液滴入射角度（β）对撞击液膜后的形态有着显著的影响。图5 为单液滴倾斜撞击液膜的运动形态演变过程。液滴由图中箭头方向射入撞击液膜。β为液滴速度方向与水平液膜间的锐角夹角。由图5（a）可知，由于液滴的惯性下落，液滴右侧部分与液膜接触形成颈部射流，最后趋于稳定铺展。而计算可知相同条件下，改变β为垂直水平液膜时，液滴及液膜撞击后发生破碎状态。所以改变β会令碰撞后的形态演变有着显著的不同。由图5（b）可知，液滴碰撞液膜在接触时，液滴右侧与液膜间形成颈部射流，射流顶部在上升时发生破裂，形成很多小液滴进入空气中，最终由于重力的影响下落，整个液膜平铺趋于稳定。由图5（c）可知，初始液滴碰撞液膜融合时有少量空气未能及时排出，而融合后延壁面方向向四周铺展，最终发生破碎后趋于稳定。由图5（d）可知，由于接触右侧颈部的压力更大，所以形成了颈部射流，同时射流顶部发生破碎形成大量小液滴发生飞溅，液膜中心也发生破碎，向四周铺展，最终趋于稳定。而当入射液滴以相同的条件，仅改变β为垂直水平液膜时，液滴碰撞液膜后仅仅发生破裂，而不会发生飞溅状态。

2.3 We 与β 对液滴撞击液膜行为形态演变的影响

液滴碰撞液膜形态演变结果分为吸附、吸附伴随飞溅、破碎、破碎并飞溅四类。图6 为We，β对液滴撞击液膜形态演变的影响。

图4 单液滴垂直撞击液膜四种运动形态演变过程Fig.4 Four different motion evolution processes of single droplet vertically hitting the liquid film.

图5 单液滴倾斜撞击液膜的运动形态演变过程Fig.5 The motion evolution process of single droplet slants on the liquid film.

由图6 可知，β由36°增至90°时，液滴碰撞液膜形态演变分为吸附、破碎、破碎并伴随飞溅三类。β由30°至36°时，可分为吸附、吸附并飞溅、破碎并飞溅三种形态。随着β由90°减小至36°，液滴碰撞液膜发生吸附至破碎的临界We增大，这是由于具有相同We的液滴由不同角度射入液膜时，入射角小的液滴垂直液膜方向的速度分量小，即垂直方向使撞击区域下方的水体向四周铺展的动能小，造成的水体空腔深度减小，因此由吸附变为破碎就需要更大的动能，即液滴具有更大的We。随着β由90°减小至36°，由破碎变为破碎并飞溅的状态的临界We逐渐减小，因为具有相同We的入射液滴的水平动能随着角度的减小而增大，所以结果由破碎变为破碎并飞溅的状态的临界We也随之减小。当β为36°时，液滴撞击液膜结果直接由吸附演变至破碎并飞溅，因为此时入射液滴的垂直动能刚好达到将液膜向四周铺展直至破碎的状态，而水平动能也刚好使得液滴与液膜接触区域形成颈部射流，直至飞溅。当β由36°减小至30°时，液滴撞击液膜后由吸附向吸附并飞溅的状态演化的临界We随之减小，由于具有相同We的入射液滴的水平动能随着β的减小而增大，吸附并飞溅演变为破碎并飞溅状态的临界We随之增大。

图6 We，β 对液滴撞击液膜形态演变的影响Fig.6 Influence of We and β on the morphological evolution of droplet hitting liquid film.

2.4 不同h*对液滴撞击液膜行为形态演变的影响

图7 为不同h*对液滴撞击液膜行为形态演变的影响。由图7 可知，这些工况下的液滴撞击液膜结果都分为吸附、破碎、破碎并飞溅三类。h*由1.0减小到0.4 的过程中，撞击结果由吸附转变为破碎再转变为破碎并飞溅的临界We也依次减小，这是因为液滴碰撞液膜后，带动液膜向壁面运动，当其撞击到壁面时，液体流向突然改变为水平方向，从而在液体内部形成了径向流体运动，沿径向流动的液体推动四周静止的液膜向外铺展，在液滴与液膜碰撞接触边界由于液体内部压力与周围大气压的压差产生射流，当射流动能过大，射流顶部会克服液体表面张力，脱离射流顶部形成飞溅。所以相同We下、h*减小时，液滴撞击液膜更易撞击壁面向外铺展，发生破碎，也更容易发生飞溅。

图7 不同h*对液滴撞击液膜行为形态演变的影响Fig.7 Effects of different h* on the behaviors and morphological evolution of liquid droplet impinging on the liquid film.

3 结论

1）各种工况下的液滴撞击液膜的动态结果分为吸附、吸附并飞溅、破碎、破碎并飞溅四类。在液滴撞击液膜的过程中，液滴及液膜表面的空气会被压缩，以至于在融合的过程中有少量空气初始时未被排出。在液滴撞击液膜边缘由于液体内部压力大于周围大气压，会形成颈部射流并发展为皇冠形水花。

2） 当0

3）在液滴以垂直液膜的速度方向碰撞液膜时，随着h*的减小，液滴碰撞液膜的结果演变过程由吸附-破碎的临界We依次减小，由破碎-破碎并飞溅的临界We也依次减小。