電場破乳分散相液滴內(nèi)外流場靜壓差研究*

王亮 董守平 周建平 張建 張明明 余忠俊

1中國石油大學(xué)（北京） 2勝利油田勝利工程設(shè)計咨詢有限責(zé)任公司

電場破乳分散相液滴內(nèi)外流場靜壓差研究*

王亮1董守平1周建平1張建2張明明1余忠俊1

1中國石油大學(xué)（北京） 2勝利油田勝利工程設(shè)計咨詢有限責(zé)任公司

通過室內(nèi)實驗，結(jié)合相應(yīng)的流體理論及圖像處理方法研究了乳化液分散相液滴內(nèi)外流場壓差隨電場強度變化的規(guī)律，開發(fā)了一種新穎、可靠的壓差測量方法，對電場作用下各形態(tài)液滴壓差的變化進行了定量的基礎(chǔ)研究。液滴在低電場強度作用下（E<1.2 kV/cm）變形度較?。é?5%）,并隨電場強度緩慢增長；隨著電場強度進一步升高，液滴變形度大幅度升高，在1.7 kV/cm的電場強度下達到20%以上；變形度曲線的斜率變化則體現(xiàn)為液滴變形程度的增長速度隨電場強度的提高而顯著加快。液滴內(nèi)外流場靜壓差作為控制液滴形態(tài)的三種平衡力系之一，其數(shù)據(jù)的精度將顯著影響對液滴行為分析的準(zhǔn)確性。

破乳；電場；液滴變形；壓差測量；數(shù)字圖像

引言

研究高壓直流電場中分散相液滴的行為與一些科學(xué)和工程領(lǐng)域的實踐應(yīng)用密切相關(guān)。有關(guān)學(xué)者對電破乳技術(shù)及液滴的形變進行了相應(yīng)的理論及實驗研究，在液滴形變現(xiàn)象的研究及規(guī)律總結(jié)方面也做出了一定的成果。然而，由于受實驗技術(shù)、數(shù)據(jù)處理方法等條件的限制，對于一些關(guān)鍵領(lǐng)域的許多重要的問題了解仍十分有限。

以往研究表明，油水乳化液液滴在高壓電場中主要受液滴表面電場力、油水界面張力以及液滴內(nèi)外流場靜壓差（本文簡稱液滴內(nèi)外壓差）的作用，各個力系相互制約并決定液滴形態(tài)和行為。未施加電場強度時，液滴在液膜界面張力及內(nèi)外壓差作用下呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)球形狀態(tài)[1-4]；在外加電場環(huán)境下，液滴表面將產(chǎn)生極化電荷并受到電場力的作用，原有的平衡狀態(tài)將被打破，液滴受拉伸變形，直至新的平衡建立，液滴形態(tài)達到一個穩(wěn)態(tài)的新平衡狀態(tài)。究其本質(zhì)，液滴在高壓電場中的變形是力學(xué)平衡的改變和重建過程。了解控制此過程的三種力系的基本性質(zhì)及其變化規(guī)律是研究液滴行為和形態(tài)模型的關(guān)鍵。然而，由于各力系相互耦合并存在高度的復(fù)雜性，加之實驗條件和測量技術(shù)的限制，除了界面張力系統(tǒng)外，目前對電場力及液滴內(nèi)外壓差兩個力系的了解仍十分有限。在以往的研究中，往往將液滴內(nèi)外壓差簡單地假定為等于或接近液滴變形前的原始內(nèi)外壓差[5]。這種近似處理，在一定范圍內(nèi)具備合理性，但對于大多數(shù)情況，特別是液滴發(fā)生較大程度形變的狀態(tài)，存在很大的局限性。

本文通過室內(nèi)實驗，結(jié)合相應(yīng)的流體理論及圖像處理方法研究了乳化液分散相液滴內(nèi)外流場壓差隨電場強度變化的規(guī)律，開發(fā)了一種新穎、可靠的壓差測量方法，對電場作用下各形態(tài)液滴壓差的變化進行了定量的基礎(chǔ)研究。

1 實驗方案

實驗設(shè)備包括高壓直流電源、高分辨率數(shù)碼相機、微距鏡頭、JJ2000 A旋轉(zhuǎn)滴界面張力測量儀、ThermoHaake流變儀和SY-05型石油密度計等；實驗材料包括二甲基硅油、紅墨水染色水；相關(guān)軟件包括實驗室自主開發(fā)的圖像處理軟件SP3.0和Matlab等。

本實驗系統(tǒng)主體部分為高壓直流電源和置入高壓電極的乳化液槽。實驗中連續(xù)相介質(zhì)使用二甲基硅油，25℃溫度下，介質(zhì)黏度為500±25 mPa·s，密度為0.974 g/cm3；分散相介質(zhì)選用紅墨水染色水；油水界面張力通過JJ2000 A旋轉(zhuǎn)滴界面張力測量儀測定。實驗工況方面，通過醫(yī)用注射器實現(xiàn)對分散相液滴粒徑的精確控制，經(jīng)測量，平均粒徑d0=3.13 mm，偏差小于±3%。為較全面地涵蓋液滴變形的各個階段，通過高壓電源控制系統(tǒng)，實現(xiàn)電場強度從0～2 000 V/cm的無級調(diào)節(jié)；通過記錄液滴在不同電場強度下的形態(tài)，并對獲取到的圖像進行相應(yīng)的處理，提取液滴特征相關(guān)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)壓差的計算。

2 液滴內(nèi)外壓差的測量

圖1為液滴在高壓電場中的形變示意圖。液滴在電場中受到極化拉伸作用發(fā)生變形，設(shè)液滴的內(nèi)部流場靜壓壓強為pin，外部流體靜壓壓強為p∞。經(jīng)受力分析可知，液滴表面液膜任意一點處界面壓差為Δp=pin-p∞-τ'，τ'為電場引起的附加壓強。取液滴的中心截面，在此截面上，因液滴對稱性，液膜受到電場力的合力為零，所引發(fā)的附加壓強τ'=0。分析可知，此截面上液膜任意一點（例如B點）處界面壓差為Δp=pin-p∞，單一的表現(xiàn)為液滴內(nèi)外部流場的靜壓差，對其進行測量和分析可得到靜壓差的信息及其變化規(guī)律。

圖1 電場中液滴形變示意圖

已知界面壓差與界面張力及液滴膜幾何特征之間存在如下關(guān)系

R1、R2為液膜微元面上兩個相互垂直方向的主曲率半徑。

對于中心截面上的點B，R1為液滴變形后短軸半徑b/2，R2為圖1所示液滴輪廓線A-B-A′上B點處的曲率半徑Rb2，代入（1）式可得

式（2）即為電場作用下液滴內(nèi)外流場壓差的數(shù)學(xué)表達式，計算所需的參數(shù)包括液滴的長、短徑及液滴輪廓線上B點的曲率半徑Rb2。以上參數(shù)采用實驗室自主開發(fā)數(shù)字圖像處理軟件SP3.0，通過預(yù)處理和邊緣提取等操作獲得。其中Rb2值通過圓的分段最小二乘法進行擬合求解，詳細方法可參考相關(guān)文獻[5]。

3 實驗結(jié)果及分析

圖2 變形度與電場強度關(guān)系

圖3 為部分數(shù)據(jù)處理結(jié)果，它反映了液滴內(nèi)外壓差隨著電場強度的變化趨勢。結(jié)果顯示，液滴在電場的極化拉伸作用下，內(nèi)外壓差顯著變化，總的趨勢為變小，且降低的幅度隨電場強度單調(diào)遞增；弱電場條件下壓差基本保持不變，強電場下則呈急劇下降趨勢。將液滴內(nèi)外壓差變化數(shù)據(jù)同液滴形變數(shù)據(jù)耦合，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，液滴內(nèi)外壓差隨液滴變形度呈遞減關(guān)系；小變形狀態(tài)時（ο<5%），壓差僅發(fā)生微小變化，可近似認為等于變形前的液滴原始壓差；隨著液滴變形程度的提高，在0.2的變形度條件下，壓差變化已較為顯著，達到原始壓差的15%以上。

圖3 不同電場強度下的壓差

綜上所述，以往研究中的液滴變形前后內(nèi)外壓差變化不大的觀點，不適用于高壓電場作用下的液滴行為。液滴內(nèi)外流場靜壓差作為控制液滴形態(tài)的三種平衡力系之一，其數(shù)據(jù)的精度將顯著影響對液滴行為分析的準(zhǔn)確性。本實驗所開發(fā)的研究方法則為變形液滴內(nèi)外壓差的測量提供了一種有效的途徑，通過提取壓差數(shù)據(jù)，結(jié)合較成熟的界面張力理論，可為進一步分析三力平衡中的另一種復(fù)雜力系——電場附加應(yīng)力提供基礎(chǔ)。

圖4 綜合變形度與壓差的關(guān)系

4 結(jié)語

（1）設(shè)計搭建了高壓電場分散相液滴觀察系統(tǒng)，通過系統(tǒng)實驗，觀察并記錄了分散相液滴的力學(xué)行為，實現(xiàn)了較全面的液滴形態(tài)特征參數(shù)的提取。

（2）結(jié)合流體理論及數(shù)字圖像處理技術(shù)，針對高壓電場作用下分散相液滴的圖像學(xué)特征，開發(fā)了相應(yīng)的液滴內(nèi)外流場靜壓差測量方法，并進行了相應(yīng)的精度驗證，分析結(jié)果具有較高的可靠性。

（3）對電場作用下液滴內(nèi)外壓差變化規(guī)律進行了初步研究，實驗顯示，液滴在高壓電場中發(fā)生不同程度的拉伸變形，液滴內(nèi)外壓差變化顯著，并隨電場強度及液滴變形程度單調(diào)遞減。對電場破乳分散相液滴行為的研究，需考慮液滴內(nèi)外壓差變動。

[1]常俊英，陳倩，陳家慶．高壓電場作用下的原油脫水性能[J]．油氣田地面工程，2010，29（5）：27-28．

[2]John S Eow,Mojtaba Ghadiri．Electrostatic enhancement of co-alescence of water dropletsin oil:a reviewof the technology[J]．Chemical Engineering Journal， 2002（85）：357-368．

[3]張建，董守平，甘琴容．高頻脈沖電場作用下乳狀液液滴動力學(xué)模型[J]．化工學(xué)報，2007，58（4）：875-880．

[4]王亮，馮永訓(xùn)，董守平，等．電場破乳分散相液滴行為研究[J]．實驗流體力學(xué)，2010,24（2）：28-33．

[5]周建平，董守平，王亮，等．剪切流場中分散相液滴形變模型論證[J]石油化工設(shè)備，2011，40（3）：6-10．

[6]Taylor G I．The deformation of emulsions in definable fields of flow[J].Proc Roy Soc， 1934（146）： 501-523．

10.3969/j.issn.1006-6896.2011.11.005

基金論文：國家863計劃課題“高頻脈沖電場及離心場聯(lián)合作用下復(fù)雜乳化液處理技術(shù)”（2007AA06Z224）；北京市教育委員會重點學(xué)科資助項目（XK114140594）。

王亮：中國石油大學(xué)（北京）博士研究生，主要從事流動可視化、PIV技術(shù),多相流流型及計量，油水分離和流體力學(xué)等方面的研究。

13691407163、tcw12002@163．com。

（欄目主持 楊 軍）