含纳米颗粒液滴-界面电聚结动力学机理研究

The nanoparticles assemble on the oil-water interface in the crude oil emulsion from enhanced oil recovery methods adopting nanoparticles, which delay the drop-interface electrocoalescence. It is important to increase interfacial film rupture and prevent liquid bridge breakage for increasing the droplet-interface electrocoalescence efficiency. To know the effect of nanoparticle on film rupture and liquid bridge evolution is the key to increase the droplet-interface electrocoalescence efficiency. In this project, by combining experiments utilizing high-speed microscope photography technology with numerical simulation and considering interfacial characteristics and nanoparticles movement, the effect of nanoparticles on droplet dynamic response under the effect of electric field is investigated to get the quantitative or semi-quantitative relationship between droplet moving velocity and influence factors in the micro-nanoscale. The moving of nanoparticles on interface film is investigated to find the rupture mechanism of film containing nanoparticles and its effect on liquid bridge formation. The characteristic parameters of liquid bridge evolution are studied and the dynamic mechanism of liquid bridge breakage is revealed. Based on the above investigation, the inherent mechanism of droplet-interface electrocoalescence pattern change can also be investigated. The results are of great importance to the development of the multiphase separation theory and the electrocoalescence theory, which can increase the efficiency of electric dehydrator and provide rules for designing high-efficiency electric dehydrator.

纳米驱油采出液中的纳米颗粒富集于油水界面，对液滴-界面电聚结过程造成了动力学障碍。加速界面膜破裂、防止液桥断裂是提高液滴-界面电聚结效率的关键，探明电场作用下纳米颗粒对界面膜破裂和液桥演化的影响机理，对于提高含纳米颗粒液滴-界面电聚结效率具有重要意义。本项目采用显微高速实验和数值模拟相结合的方法，综合考虑界面特性、颗粒运移等因素，在微纳尺度上研究电场激励下纳米颗粒对液滴动态响应的影响机理，建立液滴运移速度与影响因素间的定量或半定量关系；研究纳米颗粒在界面的运移规律，明确含纳米颗粒界面膜破裂机制及其对液桥形成的影响机理；探索液桥演化过程特征参数的变化规律，揭示纳米颗粒存在时液桥断裂的动力学机理；基于以上研究，揭示含纳米颗粒液滴-界面电聚结形式转变的内在机理。研究成果是多相分离理论的重要拓展，将完善液滴静电聚结理论体系，有利于提高电脱水器的工作效率，为高效电脱水设备的研发提供科学依据。

电脱水器中水滴在与油水界面发生聚结时，可能出现液桥断裂，形成子液滴，导致分离效率降低。纳米驱油采出液中，纳米颗粒吸附至油水界面形成一层致密坚固的粘弹性膜，使得液滴的聚结动力学过程更加复杂。基于上述背景，本项目采用理论分析、高速显微实验与数值模拟相结合的方法，研究了电场激励下含纳米颗粒水滴的动态响应规律、界面膜破裂的动力学机理和液滴-界面电聚结过程中液桥的演化机理。主要结果如下：.大粒径液滴在高强电场中变形更大，且下落速度更快，增加液滴初始高度会增大液滴最终变形度。纳米颗粒吸附至油水界面导致界面张力降低，有利于液滴变形，但界面颗粒膜的形成却抑制变形。液滴向界面运移过程的位移表达式符合指数函数形式。交变电场作用下，液滴的变形和位移受到电场波形的影响，会呈现不同的振荡形式。提高电场频率能减小液滴振荡幅度，同时延长液滴下落时间。.界面膜破裂过程中施加在液滴上的电场力阻碍液滴在高度方向上的塌陷，而液滴表面上的纳米颗粒膜具有一定强度，能够抵抗电场力对液滴表面向上的拉伸。纳米颗粒间存在的长程作用力会影响液桥在宽度方向上的收缩。纳米颗粒在聚结时随流体喷射进入下方液池，喷射前端逐渐发展形成环形结构，速度变慢。数值模拟表明聚结液滴的形态演化受毛细压力梯度驱动，并受外部因素的影响。.液滴-界面聚结存在部分聚结和完全聚结两种模式。大粒径液滴在高强电场中更易发生部分聚结，而液滴初始高度越高，接触界面时变形度越大、速度越快，更容易破裂。考虑液滴下落速度影响，修正了无量纲准则数WO，能够描述下落液滴聚结体系中子液滴的形成。对于含纳米颗粒体系，油水界面张力的改变和界面颗粒膜之间的竞争作用是决定聚结结果的主要原因。脉冲直流电场最能抑制部分聚结，频率越高其抑制效果越好。.研究成果对完善液滴-界面聚结理论和推动电脱水技术发展具有重要意义。