折流板脉冲萃取柱近板壁区域液－液两相流分散－聚并基础研究

Liquid-liquid two-phase flow is an important research issue in the field of chemical engineering. Under the background of the pulsed disc-and-doughnut extraction column, the breakup-coalescence phenomena of liquid-liquid two-phase flow nearby the plate with different wall wettability will be experimentally and theoretically researched in this project. The deterministic law in droplet scale will be first studied. Online microscope and high-speed camera will be used to observe the droplet interface moving, collision, deformation, breakup-coalescence. Meanwhile, the theory of differentiable manifold and tensor analysis combined with computational fluid dynamics will be used to theoretically research on these processes. The deterministic breakup-coalescence theoretical model will be built. Furthermore, using the statistical breakup-coalescence data of droplet group obtained by high-speed camera, the breakup-coalescence probability model nearby the plate will be built. Combing the research result on the two-phase flow in the main flow field in our former project, the droplet group behavior will be analyzed and calculated based on population balance model. The control method for the macro-scale droplet group behavior and related parameters will be finally developed. The research result will be an important supplement for basic theory of liquid-liquid two-phase flow. It will also be significant to guide the design and operation of equipments involving liquid-liquid two-phase flow.

液－液两相流是化工学科的重要研究对象之一，本课题以折流板脉冲萃取柱为背景，开展不同浸润性折流板近板壁区的液－液两相流分散－聚并行为的实验和理论研究。从液滴尺度的确定性行为研究出发，采用在线显微、高速摄像等观测手段，辅以微分流形和张量分析等先进的数学工具，并结合计算流体力学，对不同浸润性的折流板近板壁区的液滴界面运动、碰撞、形变、分散－聚并等过程进行实验观测和理论研究，建立其确定性分散－聚并理论模型。以此为基础，结合高速摄像得到的液滴群统计性分散－聚并规律，采用统计学方法建立液滴群在近板壁区的分散－聚并机率模型，综合前期项目中主体流动区域内液滴行为研究的结果，并与群体平衡模型相结合，对液滴群行为进行理论分析与计算，最终掌握液滴群宏观行为与参数的调控规律。研究结果是对液－液两相流基本理论的重要补充，对涉及液－液两相流的宏观化工设备的设计和运行有重要指导意义。

针对折流板脉冲萃取柱这一核化工领域的重要萃取设备，以其中液－液两相流为研究对象，开展了不同浸润性折流板近板壁区的液－液两相流分散－聚并行为的实验和理论研究工作。主要研究内容和结果如下：采用在线显微、高速摄像的观测手段，对不同浸润性的折流板近板壁区的液滴碰撞、形变、分散－聚并等过程进行了实验观测，发现当分散相在板上的接触角为0度时，液滴与板上的液层聚并时会形成一个直径约为母液滴一半的残留液滴，而当接触角变化为45度左右时，不再形成残留液滴，90度左右时则又形成残留液滴，理论分析给出了这一变化规律的内在机理；将液滴界面微分分析与CFD模拟相结合，对液滴与液层的聚并过程进行了数值模拟，结果与实验现象相符；针对不同浸润性折流板影响下的液－液两相流，提出了七源项群体平衡模型，并对不同浸润性板附近的液滴群的破碎、聚并和分散行为进行了统计性研究，得到了群体平衡模型子模型的数据，使群体平衡模型的应用范围得到了拓宽，对推动液－液两相流相关研究有重要学术价值；发展了修正的多水平水平集函数法，并用于模拟折流板脉冲萃取柱中液滴群的破碎行为，模拟结果与实验结果符合良好，可以为群体平衡模型提供子模型数据，这种从自由界面模拟到拟连续相两相流模拟的框架为宏观液－液两相流模拟提供了一种不依赖实验的纯理论模拟策略，具有重要学术和应用价值；利用上述方法得到的群体平衡模型子模型数据对装有浸润性折流板的大型脉冲除油柱内的液－液两相流进行了数值模拟，模拟结果与实验结果符合较好，证明了所获得的子模型数据和群体平衡模拟方法在大型液－液接触设备计算中应用的可行性，为除油柱这一核燃料后处理过程中的重要设备的设计提供了理论依据。综上所述，本项目在考虑浸润性影响的液－液两相流的实验测量方法和数值模拟方法方面取得了一定的研究进展，丰富了相关领域的实验数据和基本理论，所得到的结果对核燃料后处理领域相关设备的设计和运行有重要指导意义。