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含表面活性剂的多相流模拟算法

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首先,我们来观察一个简单、直观的实验:

初始时刻,水面上撒满了漂浮的粉笔灰,这些颗粒漂浮在水面上,并在四周水面施加的表面张力作用下保持平衡。当在中心滴入一滴洗洁精后,粉末颗粒很快向四周扩散开。洗洁精作为常见的表面活性剂,具有减小表面张力的作用,在中心滴入表面活性剂后,颗粒受到的表面张力平衡被破坏,朝向外侧的表面张力比内侧的大,将颗粒向外侧拖拽。

01

表面活性剂

表面活性剂的分子结构具有两亲性,其头部亲水,尾部疏水,在水/油两相的界面上能定向排列,使两相的表面相当于转入分子内部,降低了表面张力,进而强烈地影响多相流中发生的现象。例如,它们能强烈地影响在混合物中形成的水滴或气泡的数量、雾化、聚并和破裂现象。

图1 表面活性剂具有两亲性的分子结构
考虑表面活性剂效应的多相流在工业中有着广泛应用,例如原油开采、微流控芯片、食品工业、涂料工业、个人护理产品、空化以及换热器性能提升等相关领域。

02

模拟的难点

表面活性剂在界面处的不均匀分布会产生切向Marangoni应力,并以复杂的方式影响流场。反过来,流场也会改变多相界面的形态,影响表面活性剂的浓度分布。此外还要考虑表面活性剂是否可溶,以及其对表面张力的调控是线性或非线性。简言之,表面活性剂与多相流场的复杂耦合给数值计算带来很大困难。

图2 多相流场与表面活性剂复杂的相互作用

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数值算法

上世纪九十年代以来,关于表面活性剂的建模开展了许多工作。LBM、Level-Set 、Front tracking等多种算法框架下均有相关模型的建立[1–3]。这里主要介绍一种相对简单的基于相场法的表面活性剂模型[4],可准确地模拟表面活性剂在多相流动中的行为。

通过模拟平板剪切流中双液滴的聚并行为来检验以上算法的准确性,初始时双液滴的相间分布如下图所示,在上下平板的剪切移动下,双液滴相向移动,显然加入表面活性剂后,双液滴的融合行为受到了抑制。
 

图3 初始化设置:模拟含表面活性剂的双液滴在平板剪切流中的动态行为


图4 未加入表面活性剂时双液滴融合


图5 加入表面活性剂后,液滴的融合受到了抑制

定量对比液滴的变形率D=(L-B)/(L+B) ,L和B分别为液滴长、短轴的长度,模拟结果(图6)与Guido等人的实验结果(图7)吻合[6]。  

图6 液滴的变形率D随时间的变化曲线


图7 Guido等人观察到的加入表面活性剂时双液滴的聚并行为



参考文献


[1] Chen YS, Lu YL, Yang YM, Maa JR. Surfactant effects on the motion of a droplet in thermocapillary migration. Int J Multiph Flow 1997;23:325–35. https://doi.org/10.1016/S0301-9322(96)00066-3.

[2] Cleret de Langavant C, Guittet A, Theillard M, Temprano-Coleto F, Gibou F. Level-set simulations of soluble surfactant driven flows. J Comput Phys 2017;348:271–97. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2017.07.003.

[3] Kian Far E, Gorakifard M, Fattahi E. Multiphase Phase-Field Lattice Boltzmann Method for Simulation of Soluble Surfactants. Symmetry 2021;13:1019. https://doi.org/10.3390/sym13061019.

[4] Soligo G, Roccon A, Soldati A. Coalescence of surfactant-laden drops by Phase Field Method. J Comput Phys 2019;376:1292–311. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2018.10.021.

[5] Chang C-H, Franses EI. Adsorption dynamics of surfactants at the air/water interface: a critical review of mathematical models, data, and mechanisms. Colloids Surf Physicochem Eng Asp 1995;100:1–45. https://doi.org/10.1016/0927-7757(94)03061-4.

[6] Guido S, Simeone M. Binary collision of drops in simple shear flow by computer-assisted video optical microscopy. J Fluid Mech 1998;357:1–20. https://doi.org/10.1017/S0022112097007921.

[7] https://www.bilibili.com/video/BV1VL411W7YW/?spm_id_from=333.999.0.0&vd_source=74900a6270cea4f0a4628999154f84f8

来源:多相流在线
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首次发布时间:2023-06-23
最近编辑:1年前
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