CN112362543B - 一种利用液-液界面控制近壁颗粒远离壁面的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用液‑液界面控制近壁颗粒远离壁面的方法。本发明是在容器中盛放原始非牛顿流体，在原始非牛顿流体上层添加一层牛顿流体；通过颗粒释放装置在容器的近壁面处释放颗粒，由于上层流体的粘性和惯性效应，颗粒穿透液‑液界面时，颗粒的尾部会附着上一颗卫星油滴；卫星油滴能对颗粒的尾流进行调制，导致颗粒进入非牛顿流体中继续沉降时将会远离壁面。本发明所需成本较低，无需能量输入，且操控简单。本发明中颗粒沉降后不会堆积在壁面附近，能够提高颗粒的输运效率及分散性。本发明适用性较强，在大部分非牛顿流体中都可以通过该方法来控制颗粒远离壁面。
Description
技术领域
本发明属于颗粒及多相流实验技术领域，涉及一种控制近壁颗粒远离壁面的方法。
背景技术
流体按性质可分为牛顿流体与非牛顿流体，颗粒在不同性质流体中沉降表现出不同现象与规律。现阶段的实验研究主要是针对牛顿流体中的颗粒沉降，但在自然界和实际应用中，除了水、空气、糖浆、甘油等少数流体为牛顿流体以外，绝大部分流体属于非牛顿流体，但是关于非牛顿流体中颗粒沉降的研究成果较缺乏，尤其是颗粒在靠近壁面附近的沉降。
颗粒在近壁沉降过程存在于诸多工程领域，如水力输运、高分子材料制备、化学纤维生产以及纺丝等。在水力输运过程中如果颗粒全都沉积聚集在近壁面附近，那么颗粒堆积产生的阻力就会影响到输运的效率和分散性，输运通量也会相应减少。另外颗粒堆积不是均匀分布就会导致颗粒间的相互碰撞概率大大增加，不利于沉降过程中的散热，同时也就无法保证颗粒的分布均匀性。因此，如果在颗粒的近壁面沉降过程中引导颗粒往中心位置迁移，在一些高分子材料制备以及化学纤维生产时就能更好的使颗粒均匀分布，产生化学物理的反应以及传热传质更加彻底，能很好地节约原材料，同时提高了产品的制备效率。
研究表明，当一个球体在牛顿流体中的垂直壁面附近下落时，它在重力作用下向下下落时，它会离开壁面；当流体是粘弹性的非牛顿流体时，球体在离墙足够近的地方释放，当它向下下落时，起初它会向壁面移动，但是却不会与壁面接触，在沉降过程达到稳定时，会与壁面保持一定距离，如果初始释放距离太过靠近壁面，也会在沉降过程中产生轻微远离壁面的现象。粘弹性流体-粒子系统的这一特性在许多工业过程中具有重要意义。例如，涂料的质量和耐久性可能取决于悬浮颗粒的沉降特性。已有研究发现，在充满液体的通道中下落的球体不能与垂直通道壁接触，因为在壁和下落的球体之间形成润滑层。由于影响颗粒沉降的因素有很多，如颗粒粒径和形状、流体特性、颗粒与流体的密度差等因素都会对颗粒沉降动力学行为产生影响，因此对沉降颗粒进行操控具有一定的复杂性，也需要能量输入。
发明内容
本发明的目的是针对颗粒在非牛顿流体中沉降时如果初始释放位置靠近壁面，则会在壁面的吸引效应作用下与壁面始终保持较近距离，因此发生近壁区域的聚集问题，提供了一种在分层流体中控制颗粒在非牛顿流体中沉降时远离壁面的方法。
本发明解决技术问题所采取的技术方案为：
在容器中盛放原始非牛顿流体，在原始非牛顿流体上层添加一层牛顿流体，该牛顿流体与非牛顿流体互不相溶且密度小于非牛顿流体；
通过颗粒释放装置在容器的近壁面处释放颗粒，由于上层流体的粘性和惯性效应，颗粒穿透液-液界面时，颗粒的尾部会附着上一颗卫星油滴；
卫星油滴能对颗粒的尾流进行调制，导致颗粒进入非牛顿流体中继续沉降时将会远离壁面，由此实现利用牛顿-非牛顿分层液体控制颗粒在非牛顿流体中远离壁面沉降的目的。
进一步说，所述的上层流体的粘度应大于30mPa·s，确保在颗粒穿透分层界面后能够在尾部附着上卫星液滴，上层流体为矿物油、硅油或食用油。
进一步说，所述的下层流体的高度随着所需偏移距离进行调节，下层流体为聚丙烯酰胺、黄原胶或聚乙烯吡络烷酮。
进一步说，所述的上层流体的密度与下层流体密度比控制在0.7~0.8之间，确保两种流体能够很好地分层。
进一步说，所述的颗粒与上层流体的密度比不小于2.0，确保颗粒在释放后能够轻易地穿透界面。
本发明利用颗粒在上层流体中夹带下来一个附着的卫星油滴，使得颗粒的尾流得到有效调制，从而颗粒相对于非分层非牛顿流体中的沉降发生明显的远离壁面运动。
本发明与现有技术相比，所具有的有益效果是：
1. 本发明所需成本较低，无需能量输入，且操控简单。
2. 本发明中颗粒沉降后不会堆积在壁面附近，能够提高颗粒的输运效率及分散性。
3.本发明适用性较强，在大部分非牛顿流体中都可以通过该方法来控制颗粒远离壁面。
附图说明
图1为分层流体中颗粒近壁沉降轨迹示意图，其中1为容器，2为容器壁面，3为颗粒，4为上层流体，5为下层流体，6为分层界面，7为卫星液滴。
图2为单一聚丙烯酰胺（PAAm）中颗粒近壁沉降轨迹示意图。
图3为分层流体中颗粒近壁沉降实验所得轨迹图。
图4为单一聚丙烯酰胺溶液中颗粒近壁沉降实验所得轨迹图。
图5为图3、图4所述实验中颗粒横向偏移初始释放位置距离图，图中纵坐标表示颗粒沉降过程中偏移初始释放位置的距离，横坐标表示沉降过程中的实时高度。三角形图例表示单一非牛顿流体中颗粒近壁沉降（图4）的偏移距离。圆形图例表示分层流体中颗粒近壁沉降（图3）的偏移距离。
具体实施方式
本发明通过在原始非牛顿流体上层添加一层与非牛顿流体互不相溶且密度小于该非牛顿流体但粘度较高的牛顿流体，由于上层流体的粘性和惯性效应，颗粒穿透液-液界面时，颗粒的尾部会附着上一颗卫星油滴。卫星油滴能对颗粒的尾流进行调制，导致颗粒进入非牛顿流体中继续沉降时将会远离壁面，而并非向壁面靠近。由此实现利用牛顿-非牛顿分层液体控制颗粒在非牛顿流体中远离壁面沉降的目的。
所述的上层流体粘度应大于30mPa·s，确保在颗粒穿透分层界面后能够在尾部附着上卫星液滴，可以为矿物油、硅油、食用油等牛顿流体。
所述的下层流体高度随着所需偏移距离进行调节，可以为聚丙烯酰胺、黄原胶、聚乙烯吡络烷酮等非牛顿流体。
所述的上下层流体密度比应在0.7~0.8范围内，确保两种流体能够很好地分层。
所述的颗粒与上层流体的密度比不小于2.0，确保颗粒在释放后能够轻易地穿透界面。
实施例：
本实施例通过在盛放有牛顿-非牛顿结构分层流体的容器1中进行实验来验证发明的可行性。本实施例采用直径为5mm的氮化硅颗粒作为沉降颗粒。容器1中上层流体4为矿物油，其粘度为33.7mPa·s。下层流体5为质量浓度为0.5%的聚丙烯酰胺溶液（PAAm），是典型的剪切变稀流体。上层流体4与下层流体5的密度比为0.8，颗粒与上层流体的密度比为4.0，且两种流体互不相溶，通过静置分层，形成明显的牛顿-非牛顿分层界面6。
实验开始前，预先将直径为5mm的氮化硅颗粒3通过颗粒释放装置固定在与壁面2距离为5mm处，采用高速相机在帧率为1000时拍摄颗粒在盛放有牛顿-非牛顿结构分层流体的长方体有机玻璃容器1中的沉降运动。实验流体的温度控制在20℃左右。通过高速相机记录颗粒沉降过程。当颗粒被释放后，在上层流体4中沉降约200mm后达到终了速度，之后穿透界面进入下层流体5中，在附着卫星液滴7作用下达到控制颗粒远离壁面。将容器内分层流体替换成单一聚丙烯酰胺溶液且保持相同的初始释放距离即可进行对比实验。实验通过高速相机记录的实验结果为图3以及图4，图3为分层流体中颗粒近壁沉降实验所得轨迹图，图4为单一聚丙烯酰胺溶液中颗粒近壁沉降实验所得轨迹图。
通过观察图3以及图4可以发现，图3所示颗粒在分层流体中靠近壁面的沉降过程中颗粒始终远离壁面，图4所示颗粒在单一非牛顿流体中靠近壁面的沉降过程中颗粒起初先靠近壁面，之后在沉降趋于稳定过程中又轻微远离壁面。通过数据处理得出图5，图中纵坐标表示颗粒沉降过程中偏移初始释放位置的距离，横坐标为沉降过程中的实时高度，坐标点（0,0）为颗粒初始释放位置，颗粒远离壁面时纵坐标增大，反之减小。三角形图例表示单一非牛顿流体中颗粒近壁沉降（图4）的偏移距离。圆形图例表示分层流体中颗粒近壁沉降（图3）的偏移距离。从图5中可以看出，图4所示颗粒在单一非牛顿流体中靠近壁面沉降整个过程中，颗粒起初向壁面靠近会加剧颗粒的近壁聚集，由于颗粒与壁面距离较近，在沉降过程中会发生轻微偏离壁面现象，但是由于偏离距离太小，并不能很好的缓解颗粒的近壁聚集问题。反之图3所示颗粒在分层流体中靠近壁面的沉降过程中颗粒始终远离壁面，且偏离壁面距离远大于图4所示情况。因此，颗粒在分层流体近壁沉降过程中颗粒的沉降得到有效地调制，能够很好的缓解颗粒近壁聚集问题，且这个操控过程无需能量输入。
Claims (5)
1.一种利用液-液界面控制近壁颗粒远离壁面的方法，其特征在于：
在容器中盛放原始非牛顿流体，在原始非牛顿流体上层添加一层牛顿流体，该牛顿流体与非牛顿流体互不相溶且密度小于非牛顿流体；
通过颗粒释放装置在容器的近壁面处释放颗粒，由于上层流体的粘性和惯性效应，颗粒穿透液-液界面时，颗粒的尾部会附着上一颗卫星油滴；
卫星油滴能对颗粒的尾流进行调制，导致颗粒进入非牛顿流体中继续沉降时将会远离壁面，由此实现利用牛顿-非牛顿分层液体控制颗粒在非牛顿流体中远离壁面沉降的目的；
下层流体的高度随着所需偏移距离进行调节。
2.根据权利要求1所述的一种利用液-液界面控制近壁颗粒远离壁面的方法，其特征在于：
所述的上层流体的粘度应大于30mPa·s，确保在颗粒穿透分层界面后能够在尾部附着上卫星液滴，上层流体为矿物油、硅油或食用油。
3.根据权利要求1所述的一种利用液-液界面控制近壁颗粒远离壁面的方法，其特征在于：
所述的下层流体为聚丙烯酰胺、黄原胶或聚乙烯吡络烷酮。
4.根据权利要求1所述的一种利用液-液界面控制近壁颗粒远离壁面的方法，其特征在于：
所述的上层流体的密度与下层流体密度比控制在0.7~0.8之间，确保两种流体能够很好地分层。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种利用液-液界面控制近壁颗粒远离壁面的方法，其特征在于：
所述的颗粒与上层流体的密度比不小于2.0，确保颗粒在释放后能够轻易地穿透界面。
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