剪切流场中双重乳液液滴变形特性研究

摘要

准确掌握剪切流场中W1/O/W2双重乳液液滴的变形行为对于推动微乳液制备装置的设计与优化、聚变靶丸乳液基材高效制备等关键技术的发展具有重要学术研究和工程应用价值。 目前，双重乳液液滴在剪切流场中的流变行为还未得到全面揭示，特别是对剪切流场中双重乳液液滴非稳态变形机理认识还不充分。为此，本文基于VOF(Volume of Fluid)液/液相界面追踪方法，建立了剪切流场中不可压缩W1/O/W2双重乳液液滴运动的理论模型并进行了数值求解，给出了双重乳液液滴非稳态变形过程中的形态演化以及速度场与压力场分布，分析了双重乳液液滴界面张力比、外粘度比（双重乳液外液滴粘度与连续相流体粘度比值）及内液滴对剪切流场中的W1/O/W2双重乳液液滴的运动、变形过程的影响。并且，设计搭建了一套剪切流场中双重乳液液滴变形的可视化测量实验台，验证了本文所建立的理论模型的正确性。通过数值模拟和实验研究，取得了以下主要研究结论: (1)剪切流场中双重乳液内液滴对双重乳液外液滴稳态变形存在两种影响机理:(a)双重乳液内外界面形成的类似于渐缩渐扩型的通道会促进外液滴的变形;(b)双重乳液内液滴高压则会阻碍双重乳液液滴变形。在双重乳液滴液滴变形较小时，第一种影响机理占主导地位，使内液滴促进外液滴的变形，使得双乳液外液滴变形大于相应单乳液液滴变形。在双重乳液外液滴变形较大时，第二种影响机理占主导地位，内液滴阻碍了外液滴的变形，使得双乳液外液滴变形小于相应单乳液液滴变形。并且，实验也验证了Stokes流场中双重乳液内液滴的存在增强了双重乳液外液滴的非稳态变形的超调。 (2)内外液滴界面张力比和粘度比是影响剪切流场中双重乳液液滴非稳态变形过程及稳态变形程度的重要因素。双重乳液外液滴的稳态变形程度随内外界面张力比的增加和外粘度比的减小而呈减小趋势。另外，双重乳液外液滴非稳态变形的超调随外粘度比的增加呈减小趋势，然而在外液滴的约束下，内液滴变形超调随外粘度比的增加而先增加后减小。 (3)雷诺数是剪切流场中双重乳液液滴非稳态变形机理的决定性参数。在Stokes流场中（即低雷诺数下），双重乳液液滴的非稳态变形过程存在超调现象，此变形超调是由双重乳液液滴变形与双重乳液液滴变形倾角达到平衡状态下的时间差所引起的。在非Stokes流场中（即高雷诺数下），双重乳液液滴的的非稳态变形过程存在振荡现象，此变形振荡现象可以类比成弹簧摆运动，其变形振荡衰减系数正比于O/Caout)0.5，变形振荡频率和变形倾角振荡频率的比值与(1/Reout)0.5成正比关系，并且，实验也验证了该比例关系的正确性。

目录

声明

摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究发展现状

1．2．1 单乳液液滴的研究

1．2．2 双重乳液液滴的研究

1．3 本论文的研究内容

1．4 本章小结

第二章 剪切流场中双重乳液液滴变形特性的数值模拟研究

2．1 数值模拟理论

2．1．1 数值模型

2．1．2 VOF方法

2．2 数据处理

2．3 独立性检验

2．3．1 网格独立性检杳

2．3．2 时间步长独立性检查

2．4 模拟结果及分析

2．4．1 稳态变形特性分析

2．4．2 非稳态变形特性分析

2．5 本章小结

第三章 剪切流场中双重乳液液滴变形的实验研究

3．1 实验原理及实验系统

3．1．1 实验原料及仪器

3．1．2 实验系统

3．1．3 剪切实验步骤

3．2 稳态变形数据处理

3．2．1 内液滴的影响

3．2．2 板约束的影响

3．3 非稳态变形数据处理

3．3．1 内液滴的影响

3．3．2 毛细数的影响

3．3．3 板约束的影响

3．4 本章小结

第四章 结论与展望

4．1 结论

4．2 创新点

4．3 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的主要学术成果