液滴力学特性

液滴liquiddrop工程上利用搅拌桨、喷嘴或小孔等构件，将液体分散到气体或另一种与其不相混溶的液体中所形成的液体状态。这时分散成液滴的液体为分散相，气体或另一种液体为连续相。此外，液膜亦可能破裂成液滴。作为分散相的液体与连续相流体一起运动，组成化工生产中常见的液液或气液两相流。如燃料油燃烧时，首先被分散成液滴与空气进行混合；在某一液体与另一流体之间进行直接换热和传质（如萃取）或化学反应（如聚合）时，常使液体分散在另一流体中而形成两相流。一相被高度分散，能使两相之间的接触面积大为增加，因而可使过程速度加快。例如喷雾干燥中,如果使1m液体经喷嘴分散成2x10个均匀的直径为100^m的液滴，总表面积可达60000m。这种巨大的表面积可使液滴中的水分汽化大大加速。液滴因大小和形状不同，有着不同的行为和运动规律。液滴的重要的力学行为有：内循环液滴运动时，在液滴与连续相界面因两相之间摩擦而产生剪切力。受此力的作用，滴内液体发生循环流动,称为滴内循环（图1［蓖麻油中水滴滴内循环a液滴直径1.71cm沉降速度1.16cm/s曝光时间0.5sb液］［滴直径1.21cm液］［滴直径1.21cm沉降速度0.62cm/s曝光时间1s］）。实验证明，在雷诺数达到一定值时滴内循环才开始出现，例如含40%丁醇的液滴在水中沉降，当血＞70时才发生环流，环流的速度与液滴直径和连续相的粘度成正比，与滴内液体粘度成反比。滴内循环也有层流和湍流，在后一状态下将造成激烈的滴内混合。变形和振动小液滴为球形，较大的液滴会变形而偏离球形。变形的基本原因是液滴表面的压力分布不均匀。从绕过圆柱的流动特性（见边界层）可知，柱体表面上各点的压力因距离驻点的位置而不同，连续相对液滴的绕流也有类似情况。表面张力则阻止液滴变形，力图使液滴保持球形。推动变形的力与液滴直径的平方成正比，而阻碍变形的力仅与直径成正比，所以随着液滴的增大，终将发生液滴的变形。液滴振动也是在高雷诺数的条件下发生的，当噩V200时不会发生振动。振动有多种类型:例如形状改变，扁椭球变成长椭球，再返回扁椭球；又如表面振动，即局部区域周期性膨胀、收缩等。引起振动的原因目前还不完全清楚，一般认为振动伴随着液滴尾流中旋涡发射而开始，因而振动很可能是与尾流的不对称性和不稳定性以及液滴表面产生持续的脉动、压力分布等有关。液滴直径大、运动速度大，表面张力低以及液滴粘度低，都能促成振动的出现。分裂和合并包含液滴的两相系统经常处在湍流状态，湍流由各种大小不同的旋涡组成，这些旋涡各有变化着的脉动速度。如果在相当于液滴尺寸的长度上存在着较小尺度的旋涡，则将造成系统中各点速度显著不同，亦即液滴表面的不同部位作用着不同的动压头，当它超过与之抗衡的表面张力时，液滴就会破裂。连续相中有许多液滴时，液滴会互相碰撞。大多数液滴碰撞后彼此弹回，只有小部分合并。这是由于液滴通常被一层连续相膜包围着，这层膜起了缓冲作用。两液滴互相趋近时，膜因受挤，减薄而破裂，两液滴才能迅速融合而合并。当分散相（液滴）含量低时，合并现象可以忽略；当分散相含量高时，分裂和合并决定着液滴的大小分布，从而控制两相间接触界面面积的大小。阻力曲线表示液滴运动的阻力系数尊与雷诺数的关系的曲线。不同物系所得的曲线（如图2［阻力曲线］{Re=1)<Re=801(300-800)域：中的两实线）略有不同，但基本的趋向是一致的。可分三个区区域I，液滴基本上为球形，{Re=1)<Re=801(300-800)域：中的两实线）略有不同，但基本的趋向是一致的。可分三个区区域I，液滴基本上为球形，其阻力系数与固体小球相同，服从斯托克斯定律（见绕[725-01]>80时，过渡区，[725-01]>80时，过渡区，曲线转入区域II。②区域II的阻力曲线与固体球相比显著偏离，阻力系数明显低于相应的固体颗粒的值。随，，阻力之所以降低不仅是由于表面摩擦减小，还在于边界层分离点后移。③区域III是阻力上升区。过了阻力曲线的最低点，液滴开始振荡，。这时阻力主要来自液滴，，阻力之所以降低不仅是由于表面摩擦减小，还在于边界层分离点后移。③区域III是阻力上升区。过了阻力曲线的最低点，液滴开始振荡，。这时阻力主要来自液滴振荡，也有与尾流特性有关的压差阻力。沉降速度曲线表示液滴沉降速度（图3［沉降速度曲线］女净液潸布戋面Ktt用.固体球沉降速度曲线表示液滴沉降速度（图3［沉降速度曲线］女净液潸布戋面Ktt用.固体球_一—0.1Q渔南/径dt.mm?圉3远降速度初残）。大体上与阻力曲线相对应，即阻力小，则沉降速%+式中衬为液滴直径；。为两相密度差；。为重力加速度。度大。在噩V1时，由解析法可得哈德玛%+式中衬为液滴直径；。为两相密度差；。为重力加速度。［725-02］6表面活性物质的影响如果在发生液滴沉降的液体系统中溶有表面活性物质，它们将被吸附在界面上，并被液体的运动带向液滴的尾后部分。表面活性物质的浓度的这种变化，会引起表面张力改变，出现表面张力梯度，从而引起附加的剪切应力，这种剪切应力的方向从表面张力较小处指向较大处。这个力将力图阻碍液滴表面的运动，以阻止表面活性物质在液滴尾后部分的继续积累。在图2［阻力曲线］(危二1)(&=3