基于气泡界面固体微粒输运机理的离心式逆序筛选

Based on the transport mechanism study of micro-scale particles on the bubble interface, the concept of reversed order filtration is proposed and a new fine particle filtration method is established by being controlled with centrifugal force. The performance mechanism of tri-phase bubble is investigated experimentally including the break and coalescence, the flow inside the film-Plateau boundary-vertex structural micro-channel in bubble system is studied quantitatively; the transport/adherent mechanism for hydrophilic/hydrophobic particles on bubble surface and micro-channels is discussed to show the influence of certain factors and illustrates the reversed order filtration mechanism. Based on the meshless moving particle semi-implicit method, a double interface film model is established to simulate the performance of bubble and bubble system. Combined with the fluid-structure interaction model and centrifugal force model, the flow and mass transport of particles in the micro-channel in bubble systems is investigated, which offers methodology to the system optimization. An evaluation system is built up to show benchmark data for design and optimization. The mechanism of centrifugal reversed order filtration and its regulatory mechanism are demonstrated, which provide theoretical foundation to the filtration system.

通过研究气泡界面微米级固体微粒的输运机理，提出逆序筛选概念并建立基于离心力控制的微细颗粒筛选方法。采用实验方法研究包含破裂和聚并在内的三相气泡基本行为机理，研究气泡体系“液膜-Plateau边界-节点”结构微通道内的流动特性并建立相关定量描述方法；探索微米级亲/疏水固体颗粒在气泡表面及气泡体系微通道内的输运/粘附机理，揭示颗粒相对尺度和表面物性等关键因素对机理的影响及逆序筛选机制；基于无网格移动粒子半隐式法建立双气液界面液膜数值模型，实现单气泡及气泡体系的行为模拟，结合流固耦合和离心力加载等模型，完成固体微粒在气泡间液相通道内的流动及传质行为全过程数值模拟，为优化系统提供方法基础；通过相关极限情况的数据分析，建立固体微粒滤选系统评价体系，对离心式气泡滤选系统提供设计及优化依据。基于上述研究，揭示离心逆序筛选的作用机理及调节机制，为基于气泡液膜体系的颗粒物净化/筛选提供理论依据和研究基础。

本项目以微颗粒物通在气泡体系中的Plateau液体通道流动为科学问题，面向有色金属湿法冶金的浮选装置、煤炭的清洗及品质提升等资源工业领域背景的复杂多相流动问题为对象，将流动问题抽象为研究气泡界面微小固体微粒的输运机理，提出了逆序筛选概念并建立基于离心力控制的微细颗粒筛选方法。采用数值实验的方法研究包含破裂和聚并在内的三相气泡基本行为机理，研究气泡体系“液膜-Plateau边界-节点”结构微通道内的流动特性并建立相关定量描述方法；探索微米级亲/疏水固体颗粒在气泡表面及气泡体系微通道内的输运/粘附机理，揭示颗粒相对尺度和表面物性等关键因素对机理的影响及逆序筛选机制；基于无网格移动粒子半隐式法系统建立了固液、气液和液液表面张力模型，实现了单气泡及气泡体系的行为模拟，结合流固耦合和离心力加载等模型，完成固体微粒在气泡间液相通道内的流动及传质行为全过程数值模拟，为优化系统提供方法基础；通过相关极限情况的数据分析，建立固体微粒滤选系统评价体系，对离心式气泡滤选系统提供设计及优化依据。基于上述研究，揭示离心逆序筛选的作用机理及调节机制，为基于气泡液膜体系的颗粒物净化/筛选提供理论依据和研究基础。.同时，针对表面张力模型开展了壁面亲疏水条纹间隔强化提升壁面疏水性的相关研究，分析了条纹对平板上液滴动力学行为的影响。设计了典型的亲疏水间隔图纹，包括亲疏水二分界面、十字分界面、风车八分和十六分界面、粗条纹等，获得了相应的液滴形态。针对化工过程中的亲疏水网格液体分散进行了数值模拟和分析。随速度的增加分为四个阶段，Ⅰ阶段表示最大浸润范围，即在某一速度值下，浸润范围大约维持为一个不随速度变化的定值，且为整个速度区间内浸润范围的最大值；Ⅱ阶段，浸润范围随速度的增加约呈指数型趋势下降，下降速率先快后慢；Ⅲ阶段，浸润范围随速度的增加先呈线性下降的趋势；Ⅳ阶段，稳定在为最小浸润范围。.上述研究聚焦模型和规律的研究，为实现三维大规模气泡体系中Plateau结构及其连接形势、提升逆序筛选能力提供了重要的支撑。

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