液滴
正文
工程上利用攪拌槳、噴嘴或小孔等構件,將液體分散到氣體或另一種與其不相混溶的液體中所形成的液體狀態。這時分散成液滴的液體為分散相,氣體或另一種液體為連續相。此外,液膜亦可能破裂成液滴。作為分散相的液體與連續相流體一起運動,組成化工生產中常見的液液或氣液兩相流。如燃料油燃燒時,首先被分散成液滴與空氣進行混合;在某一液體與另一流體之間進行直接換熱和傳質(如萃取)或化學反應(如聚合)時,常使液體分散在另一流體中而形成兩相流。一相被高度分散,能使兩相之間的接觸面積大為增加,因而可使過程速度加快。例如噴霧乾燥中,如果使1m3液體經噴嘴分散成2×1012 個均勻的直徑為100μm的液滴,總表面積可達60000m2。這種巨大的表面積可使液滴中的水分汽化大大加速。液滴因大小和形狀不同,有著不同的行為和運動規律。液滴的重要的力學行為有:內循環 液滴運動時,在液滴與連續相界面因兩相之間摩擦而產生剪下力。受此力的作用,滴內液體發生循環流動,稱為滴內循環(圖1)。實驗證明,在雷諾數達到一定值時滴內循環才開始出現,例如含40%丁醇的液滴在水中沉降,當Re>70時才發生環流,環流的速度與液滴直徑和連續相的粘度成正比,與滴內液體粘度成反比。滴內循環也有層流和湍流,在後一狀態下將造成激烈的滴內混合。
![液滴](/img/c/f0d/nBnauM3X4gTO4kDOzcTMxgDM5ETMwADMwADMwADMwADMxAzLxEzL4gzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLzE2LvoDc0RHa.jpg)
液滴振動也是在高雷諾數的條件下發生的,當Re<200時不會發生振動。振動有多種類型:例如形狀改變,扁橢球變成長橢球,再返回扁橢球;又如表面振動,即局部區域周期性膨脹、收縮等。引起振動的原因目前還不完全清楚,一般認為振動伴隨著液滴尾流中鏇渦發射而開始,因而振動很可能是與尾流的不對稱性和不穩定性以及液滴表面產生持續的脈動、壓力分布等有關。液滴直徑大、運動速度大,表面張力低以及液滴粘度低,都能促成振動的出現。
分裂和合併 包含液滴的兩相系統經常處在湍流狀態,湍流由各種大小不同的鏇渦組成,這些鏇渦各有變化著的脈動速度。如果在相當於液滴尺寸的長度上存在著較小尺度的鏇渦,則將造成系統中各點速度顯著不同,亦即液滴表面的不同部位作用著不同的動壓頭,當它超過與之抗衡的表面張力時,液滴就會破裂。連續相中有許多液滴時,液滴會互相碰撞。大多數液滴碰撞後彼此彈回,只有小部分合併。這是由於液滴通常被一層連續相膜包圍著,這層膜起了緩衝作用。兩液滴互相趨近時,膜因受擠,減薄而破裂,兩液滴才能迅速融合而合併。當分散相(液滴)含量低時,合併現象可以忽略;當分散相含量高時,分裂和合併決定著液滴的大小分布,從而控制兩相間接觸界面面積的大小。
阻力曲線 表示液滴運動的阻力係數Cd與雷諾數的關係的曲線。不同物系所得的曲線(如圖2中的兩實線)略有不同,但基本的趨向是一致的。可分三個區域:
![液滴](/img/f/ad1/nBnauM3X5YDN3ATOzcTMxgDM5ETMwADMwADMwADMwADMxAzLxEzL5YzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLyE2LvoDc0RHa.jpg)
沉降速度曲線 表示液滴沉降速度u隨液滴直徑d而變化的曲線(圖3)。大體上與阻力曲線相對應,即阻力小,則沉降速度大。在Re<1時,由解析法可得哈德瑪-賴布欽斯基式:
![液滴](/img/4/c02/nBnauM3X3EzNwITOzcTMxgDM5ETMwADMwADMwADMwADMxAzLxEzL3EzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmL0E2LvoDc0RHa.jpg)
在圖2的Ⅱ和Ⅲ的大部分區域,兩實線分離,即說明表面活性物質對液滴行為的影響很明顯;但到區域Ⅲ的後期,影響甚小。圖3也顯示了類似的傾向。