Применение новых численных моделей электрогидродинамики двухфазных жидкостей для исследования ключевых процессов в электродегидраторах и возможности улучшения их характеристик (заключительный)

За отчётный период работы выполнялась по следующим направлениям: а) изучение влияния различия подвижностей ионов слабопроводящей дисперсионной среды на электрокоалесценцию капель; б) анализ особенностей декоалесценции для системы двух различающихся (заряженных) капель; в) исследование электрокоалесценции в системе «капля-слой», в т.ч. при переменном напряжении; г) определение влияния переменного (импульсного) напряжения на электрокоалесценцию, в т.ч. изменение скважности импульсов; д) анализ безразмерных параметров и определение характерных времён для электродеформации и электрокоалесценции; е) подготовка статей и представление докладов на профильных конференциях. Отдельная работа проведена по написанию приглашённой обзорной статьи для Journal of Electrostatics о численных моделях двухфазной электрогидродинамики для описания ключевых процессов в электродегидраторах. На основе ранее разработанных компьютерных моделей было изучено влияние диссоциационно-рекомбинационных процессов на электрокоалесценцию в случае различных подвижностей противоположно заряженных ионов. Показано, что из-за возникающих позади движущейся капли электрогидродинамических течений в противоположном направлении (навстречу второй капле) существуют такие комбинации параметров системы, при которых капли не касаются друг друга. Значения скорости поступательного движения капель имеют порядок миллиметров в секунду. Проведённый проверочный эксперимент для масла виноградной косточки показал, что эффект массового однонаправленного движения капель (как одиночных, так и множества капель в эмульсии), действительно, существует. На основе подобного эффекта можно создавать эффективные системы электростатического разделения фаз, поскольку все капли становятся заряженными и начинают достаточно быстро перемещаться к электроду. Моделирование пороговой зависимости напряжённости электрического поля, при которой происходит переход от полной коалесценции к частичной, для капель различающихся радиусов привело к неожиданному результату. При столкновении крупной капли с каплей значительно меньшего размера происходит значительное снижение порога, тогда как ранее считалось, что такой процесс должен приводить к полной коалесценции. Более того, почти все исходы частичной коалесценции приводят к образованию множества мелких капель. В большинстве электродегидраторов окончательная фаза отделения капель воды от нефти происходит за счёт объединения крупных капель со слоем воды. Данный процесс при переменном напряжении был тщательно исследован на основе моделирования. Показано, что в случае частичной коалесценции объём отделяющейся дочерней капли может иметь разброс на десятки процентов при снижении частоты электрического поля и в зависимости от фазы касания. Соответственно, при проектировании этой части устройства нужно исходить из наименее благоприятного сценария, параметры для реализации которого необходимо определять. На основе расчётов электрокоалесценции при импульсном напряжении показано, что заметной перспективой обладает использование импульсов с малым коэффициентом заполнения. Например, при значении коэффициента около 0,1 можно повысить действующее значение пороговой напряжённости электрического поля на 20%. Далее, очень важным результатом является выявление характерного временного параметра процессов электродеформации и электрокоалесценции, который позволяет обобщать и интерпретировать экспериментальные и расчётные данные для жидкостей со значительно различающимися свойствами и для различных парамеров систем. Конкретное выражение для данного параметра было определено эмпирически на основе анализа множества расчётов, и фактически не могло быть установлено как-либо ещё. Наконец, обзорная приглашённая статья для специального выпуска журнала систематизирует сведения о различных существующих численных моделях, используемых для моделирования ключевых процессов в электродегидраторах. В частности, детально описываются необходимые входные параметры, возможные выходные характеристики, а также узкие места моделей и их ресурсоёмкость.