电场破乳分散相液滴内外流场静压差研究*

王亮 董守平 周建平 张建 张明明 余忠俊

1中国石油大学（北京） 2胜利油田胜利工程设计咨询有限责任公司

电场破乳分散相液滴内外流场静压差研究*

王亮1董守平1周建平1张建2张明明1余忠俊1

1中国石油大学（北京） 2胜利油田胜利工程设计咨询有限责任公司

通过室内实验，结合相应的流体理论及图像处理方法研究了乳化液分散相液滴内外流场压差随电场强度变化的规律，开发了一种新颖、可靠的压差测量方法，对电场作用下各形态液滴压差的变化进行了定量的基础研究。液滴在低电场强度作用下（E<1.2 kV/cm）变形度较小（ο<5%）,并随电场强度缓慢增长；随着电场强度进一步升高，液滴变形度大幅度升高，在1.7 kV/cm的电场强度下达到20%以上；变形度曲线的斜率变化则体现为液滴变形程度的增长速度随电场强度的提高而显著加快。液滴内外流场静压差作为控制液滴形态的三种平衡力系之一，其数据的精度将显著影响对液滴行为分析的准确性。

破乳；电场；液滴变形；压差测量；数字图像

引言

研究高压直流电场中分散相液滴的行为与一些科学和工程领域的实践应用密切相关。有关学者对电破乳技术及液滴的形变进行了相应的理论及实验研究，在液滴形变现象的研究及规律总结方面也做出了一定的成果。然而，由于受实验技术、数据处理方法等条件的限制，对于一些关键领域的许多重要的问题了解仍十分有限。

以往研究表明，油水乳化液液滴在高压电场中主要受液滴表面电场力、油水界面张力以及液滴内外流场静压差（本文简称液滴内外压差）的作用，各个力系相互制约并决定液滴形态和行为。未施加电场强度时，液滴在液膜界面张力及内外压差作用下呈现标准球形状态[1-4]；在外加电场环境下，液滴表面将产生极化电荷并受到电场力的作用，原有的平衡状态将被打破，液滴受拉伸变形，直至新的平衡建立，液滴形态达到一个稳态的新平衡状态。究其本质，液滴在高压电场中的变形是力学平衡的改变和重建过程。了解控制此过程的三种力系的基本性质及其变化规律是研究液滴行为和形态模型的关键。然而，由于各力系相互耦合并存在高度的复杂性，加之实验条件和测量技术的限制，除了界面张力系统外，目前对电场力及液滴内外压差两个力系的了解仍十分有限。在以往的研究中，往往将液滴内外压差简单地假定为等于或接近液滴变形前的原始内外压差[5]。这种近似处理，在一定范围内具备合理性，但对于大多数情况，特别是液滴发生较大程度形变的状态，存在很大的局限性。

本文通过室内实验，结合相应的流体理论及图像处理方法研究了乳化液分散相液滴内外流场压差随电场强度变化的规律，开发了一种新颖、可靠的压差测量方法，对电场作用下各形态液滴压差的变化进行了定量的基础研究。

1 实验方案

实验设备包括高压直流电源、高分辨率数码相机、微距镜头、JJ2000 A旋转滴界面张力测量仪、ThermoHaake流变仪和SY-05型石油密度计等；实验材料包括二甲基硅油、红墨水染色水；相关软件包括实验室自主开发的图像处理软件SP3.0和Matlab等。

本实验系统主体部分为高压直流电源和置入高压电极的乳化液槽。实验中连续相介质使用二甲基硅油，25℃温度下，介质黏度为500±25 mPa·s，密度为0.974 g/cm3；分散相介质选用红墨水染色水；油水界面张力通过JJ2000 A旋转滴界面张力测量仪测定。实验工况方面，通过医用注射器实现对分散相液滴粒径的精确控制，经测量，平均粒径d0=3.13 mm，偏差小于±3%。为较全面地涵盖液滴变形的各个阶段，通过高压电源控制系统，实现电场强度从0～2 000 V/cm的无级调节；通过记录液滴在不同电场强度下的形态，并对获取到的图像进行相应的处理，提取液滴特征相关数据，实现压差的计算。

2 液滴内外压差的测量

图1为液滴在高压电场中的形变示意图。液滴在电场中受到极化拉伸作用发生变形，设液滴的内部流场静压压强为pin，外部流体静压压强为p∞。经受力分析可知，液滴表面液膜任意一点处界面压差为Δp=pin-p∞-τ'，τ'为电场引起的附加压强。取液滴的中心截面，在此截面上，因液滴对称性，液膜受到电场力的合力为零，所引发的附加压强τ'=0。分析可知，此截面上液膜任意一点（例如B点）处界面压差为Δp=pin-p∞，单一的表现为液滴内外部流场的静压差，对其进行测量和分析可得到静压差的信息及其变化规律。

图1 电场中液滴形变示意图

已知界面压差与界面张力及液滴膜几何特征之间存在如下关系

R1、R2为液膜微元面上两个相互垂直方向的主曲率半径。

对于中心截面上的点B，R1为液滴变形后短轴半径b/2，R2为图1所示液滴轮廓线A-B-A′上B点处的曲率半径Rb2，代入（1）式可得

式（2）即为电场作用下液滴内外流场压差的数学表达式，计算所需的参数包括液滴的长、短径及液滴轮廓线上B点的曲率半径Rb2。以上参数采用实验室自主开发数字图像处理软件SP3.0，通过预处理和边缘提取等操作获得。其中Rb2值通过圆的分段最小二乘法进行拟合求解，详细方法可参考相关文献[5]。

3 实验结果及分析

图2 变形度与电场强度关系

图3 为部分数据处理结果，它反映了液滴内外压差随着电场强度的变化趋势。结果显示，液滴在电场的极化拉伸作用下，内外压差显著变化，总的趋势为变小，且降低的幅度随电场强度单调递增；弱电场条件下压差基本保持不变，强电场下则呈急剧下降趋势。将液滴内外压差变化数据同液滴形变数据耦合，结果如图4所示。由图4可知，液滴内外压差随液滴变形度呈递减关系；小变形状态时（ο<5%），压差仅发生微小变化，可近似认为等于变形前的液滴原始压差；随着液滴变形程度的提高，在0.2的变形度条件下，压差变化已较为显著，达到原始压差的15%以上。

图3 不同电场强度下的压差

综上所述，以往研究中的液滴变形前后内外压差变化不大的观点，不适用于高压电场作用下的液滴行为。液滴内外流场静压差作为控制液滴形态的三种平衡力系之一，其数据的精度将显著影响对液滴行为分析的准确性。本实验所开发的研究方法则为变形液滴内外压差的测量提供了一种有效的途径，通过提取压差数据，结合较成熟的界面张力理论，可为进一步分析三力平衡中的另一种复杂力系——电场附加应力提供基础。

图4 综合变形度与压差的关系

4 结语

（1）设计搭建了高压电场分散相液滴观察系统，通过系统实验，观察并记录了分散相液滴的力学行为，实现了较全面的液滴形态特征参数的提取。

（2）结合流体理论及数字图像处理技术，针对高压电场作用下分散相液滴的图像学特征，开发了相应的液滴内外流场静压差测量方法，并进行了相应的精度验证，分析结果具有较高的可靠性。

（3）对电场作用下液滴内外压差变化规律进行了初步研究，实验显示，液滴在高压电场中发生不同程度的拉伸变形，液滴内外压差变化显著，并随电场强度及液滴变形程度单调递减。对电场破乳分散相液滴行为的研究，需考虑液滴内外压差变动。

[1]常俊英，陈倩，陈家庆．高压电场作用下的原油脱水性能[J]．油气田地面工程，2010，29（5）：27-28．

[2]John S Eow,Mojtaba Ghadiri．Electrostatic enhancement of co-alescence of water dropletsin oil:a reviewof the technology[J]．Chemical Engineering Journal， 2002（85）：357-368．

[3]张建，董守平，甘琴容．高频脉冲电场作用下乳状液液滴动力学模型[J]．化工学报，2007，58（4）：875-880．

[4]王亮，冯永训，董守平，等．电场破乳分散相液滴行为研究[J]．实验流体力学，2010,24（2）：28-33．

[5]周建平，董守平，王亮，等．剪切流场中分散相液滴形变模型论证[J]石油化工设备，2011，40（3）：6-10．

[6]Taylor G I．The deformation of emulsions in definable fields of flow[J].Proc Roy Soc， 1934（146）： 501-523．

10.3969/j.issn.1006-6896.2011.11.005

基金论文：国家863计划课题“高频脉冲电场及离心场联合作用下复杂乳化液处理技术”（2007AA06Z224）；北京市教育委员会重点学科资助项目（XK114140594）。

王亮：中国石油大学（北京）博士研究生，主要从事流动可视化、PIV技术,多相流流型及计量，油水分离和流体力学等方面的研究。

13691407163、tcw12002@163．com。

（栏目主持 杨 军）