電場-旋流耦合強化多相介質分離研究進展

周龍大，趙立新，徐保蕊，張爽，劉琳

（1 東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318；2 黑龍江省石油石化多相介質處理及污染防治重點實驗室，黑龍江 大慶 163318）

電場-旋流耦合強化非均多相介質分離是指外加電場將分散相極化而使其受附加靜電力，并在靜電力和離心力作用下分散相粒徑增大或運動狀態改變而直接增強相分離、提高分離效率的技術。電場通過旋流裝置部分結構（電極）產生并施加到旋流場中不需要額外電場發生裝置，因其具有體積小、效率高、無二次污染等優點而廣泛應用于石油化工[1-3]、環境工程[4-6]、食品行業[7-8]、顆粒分級[9-10]等多個領域。而根據電場-旋流耦合場應用領域不同又能概述為強化液-液分離（主要為油水乳狀液）[2]、氣-固分離（主要為亞微米顆粒與空氣）[5]、氣-液分離（主要為微霧滴與空氣）[6]、固-液分離（主要為微顆粒與弱電導率液體）[9]等，與之對應典型分離設備為動態/靜態靜電旋流脫水裝置、靜電旋風除塵器/摩擦旋風分離器、靜電旋風除霧器及電動旋液分離器如圖1所示。目前，電場-旋流耦合強化分離多相介質的研究方法主要包括數值模擬研究和實驗研究，如圖2所示：雙場耦合強化固-液、固-固分離的數值模擬內容相對較少，應加強數值模擬條件及方法的研究，以更好地指導并優化實驗研究。此外，針對多相介質分離效果不理想的情形（如黏度大、密度差小等），需要耦合其他物理場（如溫度場[11]、重力場[12]等）提升分離效率，但整體結構變得復雜、成本增加、工作穩定性變差。為了優化電場-旋流耦合裝置以提高氣、液、固等多相介質分離性能，本文通過調研國內外關于電場-旋流耦合強化分離技術的研究，總結耦合強化多相介質分離方法，為電場-旋流耦合強化多相介質分離的數值模擬和實驗研究提供借鑒。

圖1 電場-旋流耦合強化多相介質分離類別

圖2 電場-旋流耦合強化多相介質分離方法

1 電場-旋流耦合強化液-液分離

液-液混合現象廣泛存在于化工冶金[2]、潤滑油凈化[3]、采油[13]、廢油回收[14]等行業，且易形成穩定性強、難分離的油水乳狀液。為了保護自然環境和節約石油資源需對乳狀液進行油水分離（破乳），與其他處理方法（過濾、吸附、加熱、萃取、加破乳劑等）相比，電破乳通常能耗相對較低[3,14]且結合運行可靠、高效節能的旋流裝置能獲得較好的破乳脫水性能。電場-旋流耦合強化液-液分離是指利用外加電場促使液滴極化并在靜電力作用下聚結，且聚結后依靠離心慣性力分離具有一定密度差的兩相，與之對應的典型分離設備主要是動態靜電旋流脫水裝置和靜態靜電旋流脫水裝置。

1.1 動態靜電旋流脫水裝置

靜電旋流脫水裝置是一種依靠離心力與靜電力實現液-液分離的設備，其分離原理是通過改變裝置部分結構嵌入電極（產生電場促進液滴聚結），并大幅增加旋轉運動速度和離心力差而強化兩相分離。含有外部動力部件的動態靜電旋流裝置應用較早，如英國布拉德福德大學Bailes教授[15]在1985年完成靜電聚結器的結構設計，并于1992 年提出了旋轉靜電聚結器[見圖3(a)]，其脫水效率能達到98%而重力沉降在24h后僅為94.6%，工作原理為：有機溶液從筒1入口流入聚結器并在動力部件作用下轉變為高速旋轉流；分散相液滴在電場-旋流耦合場中加速聚結并螺旋向上從筒2出口流出，而連續相則從筒3出口流出[19]。Eow等[20]和毛宗強等[16]則對旋轉靜電聚結器進行優化并得到緊湊型離心電凝聚分離器[見圖3(b)]，其能處理更大流量的乳狀液且便于安裝在水處理管道上。Lesaint等[17]基于科研需求再次簡化離心電凝聚分離器[見圖3(c)]，結果表明增加電場持續時間或場強都能顯著改善脫水性能[21]。為了更好地適應實際生產需求，王永偉等[18]對動力部件進行改進并開發了新型旋轉電聚結器[見圖3(d)]，結合脈沖電場破乳和離心沉降分離的優點短時間內就能完成破乳分離過程。

圖3 動態靜電旋流脫水裝置結構示意圖[15-18]

1.2 靜態靜電旋流脫水裝置

由于動力部件在臟污、空間狹小、拆裝不便等場合中運行可靠性顯著降低，使得動態靜電旋流裝置無法滿足工業化發展需求[22]。如No?k等[23]基于同心圓柱電極得到單錐耦合旋流器[見圖4(a)]，相比新型旋轉電聚結器其結構大為簡化且便于安裝；Kwon 等[24]則依據旋轉靜電聚結器設計了靜止式耦合裝置[見圖4(b)]，其錐形結構為陽極、同心圓柱銅棒和外側筒壁接地而形成兩個高壓電場區域能產生二次強化分離。而胡康等[25]借鑒單錐耦合旋流器的優良特性提出處理含水率高于30%乳狀液的緊湊形柱狀耦合旋流器[見圖4(c)]，且場強為356.44kV/m 時分離效率達75%是單電場的2.75 倍。為了進一步提高破乳脫水效率，邱值等[26]研究發現變徑結構對破乳性能有重要影響并設計了復合曲錐型耦合裝置，相比于直面雙錐型、雙球面相切型和雙橢圓相切型耦合裝置其能耗更低且脫水率可達97%；Gong 等[27-28]則優化復合曲錐型耦合裝置的錐段結構并得到雙錐耦合旋流器（溢流管為陽極、旋流腔為陰極）[見圖4(d)]，并針對耦合場中液滴復雜的運動碰撞行為利用群體平衡模型構建液滴聚結破碎過程[27]，且發現液滴在耦合場中會發生共振、共振頻率與電場頻率相關[29-30]。

圖4 靜態靜電旋流脫水裝置結構示意圖[23-25,27,31]

分散相在電場-旋流耦合場中的停留時間和速度幅值是強化分離的關鍵因素之一[13]，對于雙錐耦合旋流器當入口流速為10m/s才具有較高分離效率但能耗很高[26-28]。為此，高波[31]發現伸長雙錐耦合旋流器的電極[錐段和底流管內插入第二根電極見圖4(e)]能顯著增加停留時間而改善破乳性能并提高脫水效率，但越靠近底流口陰、陽極（中心圓柱體為陽極，錐段為陰極）間距越小，且一旦電壓或局部含水量過高容易引發電分散（形成細小微液滴造成二次乳化）則不利于油水分離[32-33]。基于此，本文作者依據Sulev[34]提出的螺旋電極裝置[見圖5(a)，處理油水混合物]設計了一種導流式耦合旋流器流體域模型[見圖5(b)]：螺旋流道結構（電極）既能加速流體而補充流場能量損失、極大增加液滴停留時間，又因極板間距較小能施加較低的工作電壓而降低整體能耗；數值模擬初步表明導流式耦合旋流器具有優異的分離性能但螺旋通道電極制造困難及電場干涉會影響脫水效率而需進一步優化研究。

圖5 新型耦合脫水裝置[34]

除了研究耦合裝置的分離特性，蒲亞東等[35-36]還利用加電三維螺旋微通道裝置耦合微旋流與電場處理油包水（water in oil，W/O）乳狀液，研究了結構參數、電場強度、流速等對脫水性能的影響，如增加微通道的片數和角度、降低流速、增加電壓幅值（增加乳液在靜電力和微通道作用力共同作用下的停留時間）來大幅提升破乳率，并發現電場與微通道的雙重耦合作用能強化乳液的破乳過程。

綜合分析學者們對電場-旋流耦合強化液-液分離的研究內容，可知：①在耦合場中，當靜電力和離心力的方向一致時（水平面上由圓心指向外壁面，主要受電場頻率及占空比的影響）乳液的分離性能最好（分散相受力最大、聚結性能更好）[19]；②相比于他人，Gong 等[27]設計的電場-旋流耦合分離裝置綜合性能最好且在實際工況中應用良好，而高波[31]和本文作者所設計的耦合裝置（優化后）也具有很高的分離效率，但需通過相關實驗進行檢驗；③入口流速是雙場耦合強化分離最重要的因素之一，如離心分離性能主要受運動速度的影響，而速度又極大影響液滴在電場中的停留時間（速度越大，離心力越大，旋流分離效果越好；但停留時間越短，電場對液滴的極化作用越弱）[21]；④需要利用電壓幅值（場強，也是影響分離性能的重要因素）適應液體流速以達到較高的分離效率（流速較小時，選用較低的工作電壓、減少能耗；流速較大時，選用較高的工作電壓、增強液滴的極化作用）[32,35]；⑤電場-旋流耦合場主要應用在處理W/O乳狀液，且與單旋流場或單電場相比耦合場能大幅提高乳液破乳脫水性能[25]。

1.3 電參數、操作及結構參數優化

為了更好地發展和應用靜電旋流裝置，近年來國內外學者著重研究了結構、操作等參數對靜態靜電旋流脫水裝置分離性能的影響。根據研究方向不同可分為電參數（電場類型、布置形式、電極結構與材料等）、操作參數（電壓、頻率、流量、含水率等）及結構參數（響應面法、單因素法等）優化設計。如Lesaint[17]、Zhang[37]和Li[38]等研究發現電場波形、交流電場（alternating current electric field，ACE）強度、頻率等會顯著影響W/O乳液的脫水性能。其中：Lesaint 等重點優化了電場波形發現方波好于正弦波和三角形波；Zhang 等側重尋找ACE最佳脫水頻率認為分散相尺寸分布較大時具有較小的最佳頻率；Li等則研究電壓和頻率對油水分離的影響并發現脫水效率隨頻率及電壓的增加而增大，且電壓為4.5kV、頻率為2kHz 時具有最佳脫水性能。而Gadhave[39]和Li[40]等基于直流電場（direct current electric field，DCE）研究電壓幅值對油水分離性能的影響，其中Gadhave等側重于研究超低硫柴油中含水量的變化對脫水效率的影響，而Li 等重點研究單個水滴在DCE 中聚結與破碎，且兩者的結論都是隨電壓幅值增加水滴運動聚結能力顯著增強。盡管ACE、DCE 在電脫水中應用較早、技術成熟，但同等條件下脈沖電場（pulsed electric field，PEF）破乳所消耗能量是ACE 和DCE 的1/29及1/18 且不易發生電分散[32]，因而應用PEF 強化液-液分離具有更大優勢。如Peng 等[41-43]綜述了聚結形式、操作參數（電壓、頻率、流量等）及介質參數（黏度、介電常數、表面張力等）對液滴在PEF中運動聚結的影響，認為乳液中主要存在偶極聚結和振蕩聚結，并提出一種混沌脈沖群電場且該電場能促進液滴流動及產生非線性共振而提高破乳效率[30]；而葉學民等[44]則基于實驗和模擬分析了液-液交界面張力變化對微液滴動力學行為的影響，發現應用高頻PEF具有能耗低、效率高等顯著優勢。

此外電場布置形式（產生均勻、非均勻電場）也能顯著影響電聚結性能[16]，一定范圍內非均勻系數越大破乳脫水速度越快[33]，而非/均勻性具體體現在電極形態上。最常見的電極結構有平行板型（均勻電場）[40,45-46]和同軸圓柱型（非均勻電場）[18,27,31,47]，其他電極類型見表1。可知：當乳液中的連續相黏度、密度較小且與分散相相差較大時，油水分離性能最好，反之則更難分離；分散相的電導率對乳液破乳過程有著顯著的影響（當電導率過小時，分散相不容易被極化而影響聚結性能；當電導率過大時，極化作用產生的電荷會在分散相內遷移、中和及損耗從而影響液滴的聚結）。相比于均勻電場，學者們更重視對非均勻電場的研究，如Luo 等[48]基于平行板、同軸圓柱和針板電極研究非/均勻電場對破乳性能的影響，發現同軸圓柱電極相比另外兩個能提供中等模式的非均勻電場而促進水滴聚結。除電參數和操作參數優化外，Gong等[49]還利用響應面法優化雙錐耦合旋流器的公稱直徑和大、小錐角，建立結構參數與脫水效率的擬合回歸模型并得到最優參數，即22mm、20°及5.1°。而胡康[50]則借助單因素法對柱狀耦合旋流器結構參數（入口段、聚結段、附屬構件等）和操作參數（流量、含水率、溫度等）進行優化[51]，且優化后與Gong等[27]一樣脫水效率均能達到95%以上。

表1 不同電極類型強化液-液分離對比

根據上述參數優化設計的研究內容，可以得到結構參數、電參數及操作參數對乳液破乳脫水性能的影響，如圖6所示，可知：①應用DCE破乳所施加的工作電壓遠小于ACE 和PEF（DCE 能持續作用、同等電壓下能耗更高）；②均勻電場（H 型）和非均勻電場（同軸圓柱型）都能達到較好的破乳性能，但綜合分析可知非均勻電場在未來更具有研究價值；③電壓幅值對乳液分離效率的影響最大[電壓（場強）能極大影響液滴在電場中的極化作用]；④流速和含水率對提高乳液脫水效率具有較大的影響（流速影響液滴在電場中的停留時間，而含水率影響液滴在耦合場中的聚結能力）；⑤當連續相黏度較小時有較高的分離效率（分散相的運動阻力較小且更容易聚結），應加強對雙場耦合強化高黏乳液分離的研究（如稠油乳狀液）。

圖6 不同參數對乳液分離效率的影響

2 電場-旋流耦合強化氣-固分離

氣-固混合物屬于一種難分離的兩相介質，且主要出現在環境工程中[58-59]。電場-旋流耦合強化氣-固分離是指借助外加電場將固體顆粒物極化并對其施加靜電力，且靜電力和離心力會改變固體在耦合場內受力及排布方式進而改變兩相流態促進氣-固分離。如今電場-旋流耦合強化氣-固分離技術被廣泛應用在空氣凈化等領域[60-61]，具有代表性的研究設備為靜電旋風除塵器和摩擦旋風分離器。

2.1 靜電旋風除塵器

靜電旋風除塵器[62-63]是靜電除塵器和旋風分離器的結合體，依靠離心力差實現氣-固兩相分離。早在1911年，Cottrell就利用靜電除塵器從氣流中除去灰塵顆粒[64]，隨著工業的轉型升級對操作環境的空氣質量要求也越來越高，其中就包括處理亞微米級粉塵顆粒[58]，而典型除塵設備（旋風分離器）對微顆粒的分離效率很低[59]。為了提高微小顆粒分離性能需綜合考慮靜電除塵器和旋風分離器的優勢，陳開考等[60]結合S195型柴油機的外形、尺寸及靜電發生裝置設計了一款離心-靜電式除塵器[見圖7(a)]，該裝置對去除顆粒粒徑為20～30μm的效果良好且功率及耗油率都較低，但處理粒徑小于1μm時效果并不理想。而Lim[65]和Zhang[5]等提出分離顆粒粒徑小于1μm的單錐旋風除塵器[見圖7(b)、(c)]，兩者都在除塵器中心軸線上安裝一根極細的電暈電極（使氣體產生電暈放電，并在內部產生橫向非均勻電場），其中：Lim等采用實驗方法探索離心力和靜電力對顆粒分離的影響，發現顆粒粒徑較小和流速較低時電壓增加或電極絲直徑減小都能顯著提高收集效率[66]；Zhang等則利用數值方法研究電壓、流速、溫度等對氣-固分離特性的影響，且工作電壓為30kV（DCE）、入口流速為4m/s 及溫度為200℃時分離效率最高但能耗極大。為了降能提效，胡朝峰[67]基于無底流管單錐旋風除塵器設計了雙切向入口旋風除塵器[見圖7(d)]，并借助正交實驗方法優化排氣管直徑和深度、圓柱筒體長度、進氣口寬度等，優化后分離粒徑為1.5～4.5μm和大于5μm的效率可達70%及90%以上，且能耗顯著降低。

圖7 靜電旋風除塵器結構示意圖

2.2 摩擦旋風分離器

摩擦旋風分離器的工作方式不同于靜電旋風除塵器：微顆粒進入旋流器并與內壁面摩擦而使顆粒表面產生電荷，且靜電力與離心力改變顆粒間受力及運動軌跡而強化氣-固分離或在出口處增設電場輔助裝置從而實現不同種類固體的分離[68]。除了氣-固分離，摩擦旋風分離器主要應用在強化氣-固-固、氣-固-固-固等非均多相分離。如Dodbiba等[69-70]借助摩擦旋風分離器和電收集箱分離空氣中兩種人造塑料（聚乙烯和聚對苯二甲酸，粒徑為1～3.5mm）和空氣中三種人造塑料（聚丙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯及聚氯乙烯，粒徑為0.75～2.38mm），其工作原理：如圖8 所示不同材質的塑料在除塵器內運動并與壁面摩擦而帶有異種電荷，且在除塵器固相出口落到開口箱（帶有電場）的過程中由于顆粒物受到不同方向/大小的靜電力而異向運動實現分離。Dodbiba 等[70-71]還通過實驗證明控制空氣相對濕度和溫度對塑料薄片表面電勢的變化有顯著影響，且在最優參數下聚乙烯和聚對苯二甲酸的分離效率可達95%以上。相比于靜電旋風除塵器（具有一定電導率的固體顆粒被電場極化而產生極化電荷，且分離時受離心力和靜電力共同作用），摩擦旋風分離器分離性能更依賴多相介質的物理/化學屬性而使其適應性變差、應用面變窄（弱/無導電性的顆粒物經旋流器表面摩擦后產生自由移動的電荷、分離時先受離心力作用、后受靜電力作用，且旋流器內部顆粒產生的電荷也會激發電場而影響顆粒之間的運動軌跡）。

圖8 氣-固-固三相分離原理[69]

3 電場-旋流耦合強化氣-液分離

電場-旋流耦合強化氣-液分離與液-液分離的作用原理類似：其外加電場將分散相液滴極化并在氣體中聚結以增大液滴粒徑，能大幅增加離心力差而實現氣-液高效分離。電場-旋流耦合強化氣-液分離主要應用在去除空氣中微小液滴，與之對應的主要研究設備是靜電旋風除霧器。

3.1 靜電旋風除霧器

近年來，化工、冶金、電鍍等行業產生極細小的酸霧、油霧、水霧等污染物（粒徑小于2.5μm），嚴重污染環境和影響人體健康[72]。旋風除霧器因結構簡單、操作方便、性能良好而得到廣泛應用，其捕獲或分離液滴直徑為5～10μm 及以上的效率很高，但分離粒徑小于5μm的效率極低[73-74]，而靜電除霧器對于直徑小于5μm 的液滴具有良好的捕集效果且分離效率可達99%但能耗相對較高[75]。為了更好地分離微小霧滴，整合旋風除霧器和靜電除霧器的優點得到靜電旋風除霧器。靜電旋風除霧器是一種耦合離心力場與靜電力場的分離裝置，且液滴在運動過程中所受靜電力和離心力方向相同，能增強液滴向旋風壁面運動而促進氣-液分離。

目前國內學者對靜電旋風除霧器的研究較多，如Jiang[6]、袁惠新[76-77]和王靜靜[78]等研究了電參數、物性參數、操作及結構參數等對除霧器分離性能的影響，其中：Jiang等重點優化靜電旋風除塵器[65]的電場布置使其能高效分離粒徑為1～6μm 的液滴，發現增加電壓和電極絲直徑、減小流速能顯著提高液滴的分離效率（鋁制除霧器的分離性能好于丙烯材質）[79]；袁惠新等則利用主直徑為100mm 的靜電-旋流除霧器分離粒徑小于3μm的霧滴，且入口流速為8～12m/s、工作電壓為60kV時有最佳分離性能；而王靜靜等主要研究復合除霧器內氣流流場、電暈電場與液滴速度場之間的關系，發現隨著液滴直徑和工作電壓的增加，除霧效率及液滴運動軌跡的偏移量都逐漸增大，除霧效率隨氣流流速的增加而減小，且氣流流速極大影響小粒徑液滴（2～6μm）的分離（對大粒徑液滴的影響不顯著）。

3.2 靜電旋風除霧器與除塵器組合

靜電旋風除霧器既能單獨使用[6,76-78]，也可串聯除塵器對氣、液、固等多相污染霧進行二次凈化分離。如郝雅潔等[80-81]針對燃煤電廠產生的微顆粒混合冷凝水等污染物提出利用濕法電除霧器分離煙氣中的微液滴[61]，并運用流場調節常規方法對除霧器進行結構優化（如增加入口煙道寬度、在入口煙道轉彎處增設圓弧導流板、在聯箱內設置斜導流板等），使入口流量分配均勻而大幅提高氣-液兩相分離效率。而韓博[82]則結合旋流噴霧煙氣脫硫技術和旋流管束除塵技術處理煤炭燃燒形成的霧霾、酸雨等污染物，且設計得到濕式靜電除塵器和旋流噴霧器能實現霧滴、煙塵、二氧化硫等多種雜質的高效分離。

通過上述耦合強化氣-液分離的內容可知，靜電旋風除霧器盡管對微小液滴具有良好的分離效果，但除霧器內流體流速大、液滴受電場作用時間短，而想達到較好的除霧性能則要很高的工作電壓（能耗很大），為此需進一步研究電場-旋流耦合強化氣-液分離機理并依此優化靜電旋風除霧器的結構及操作參數。

4 電場-旋流耦合強化固-液分離

固-液混合現象在我國工業發展中比較常見[83-84]，傳統分離方法（如離心、過濾、沉降、吸附等）對較大顆粒的分離具有良好效果但難處理微米級甚至納米級顆粒[85-86]，因此一些學者在現有分離方法基礎上通過添加外場實現微顆粒的有效分離（如將電場耦合到離心分離法中）[87-89]。電場-旋流耦合強化固-液分離是指依靠外加電場將顆粒物極化使其受靜電力，靜電力和離心力可改變顆粒受力方式及運動軌跡從而實現固-液分離。為了更好地耦合電場和旋流場并實現微顆粒的高效分離，開發了與之對應的主要分離設備——電動旋液分離器。

4.1 電動旋液分離器

電動旋液分離器與靜電旋風除塵器的分離原理相似，都是利用離心力及靜電力強化分離固體與其他不互溶介質，但液體的介電常數比氣體大得多，分離時可施加較小的工作電壓而減少能耗，目前該分離設備已應用在顆粒分級、食品加工等領域[87]。如Tue 等[88-89]研究入口流速、電壓等操作參數對電動旋液分離器分離性能的影響，如圖9所示：施加電場后，二氧化硅（粒徑為0.2μm）明顯向分離器邊壁擴散且溢流口排出的顆粒量顯著減少，且入口流量減小、工作電壓增加時分離性能顯著提升。為了提高固-液分離粒級效率，Yoshida[9]和Pratarn[10]等則借助靜電旋風除塵器分離粒徑小[65]和水力旋流器能耗低、效率高[90]的特點，對電動旋液分離器的入口段及收集箱等結構參數、物性參數、電參數等進行優化設計。其中：Yoshida等側重研究電極形態對顆粒分割尺寸的影響，發現分割尺寸隨著電極直徑的增加而減小，且在大電極直徑和長電極長度條件下分割尺寸變得最小；Pratarn等則重點研究入口段結構和懸浮液pH 對顆粒分割尺寸的影響，發現分割尺寸隨進料流量或pH 的增加而減小，并在最大中心桿直徑、最高pH 及最長收集箱條件下分割尺寸變得最小。如圖10所示，電動旋液分離器優化后具有多種工作模式（模式A～C，通過改變電極與電源正負極的接線而產生不同的分離電場），且能夠分離或分選納米級顆粒物（粒徑為754nm）[9-10]。

圖9 電動旋液分離器中顆粒收集機制[88]

圖10 不同工作模式電動旋液分離器的分離特性[9-10]

除了從液體中分離固體顆粒物，電場-旋流耦合場還被用于分離固體中的液體，如Amami 等[7,91]應用脈沖電場-旋流耦合強化胡蘿卜和蘋果組織離心滲透脫水，與單旋流場或單電場相比耦合場有利于增加兩種組織脫水量和減少滲透脫水持續時間。電導率較大的液體在固-液分離過程中雖能降低能耗，但固體在電場中產生的極化電荷易被液體遷移、中和及損耗而減弱強化分離作用[92]。因此為改善電場-旋流耦合強化固-液分離特性并擴大其應用范圍，需深入研究電動旋液分離器的結構參數及制造材料以適應分離介質的電特性，從而達到良好的分離效果。

5 耦合場數值模擬

隨著計算機科學的發展，有限元仿真商業軟件分析及處理問題的能力也隨著提高，而利用有限元軟件分析復雜的電場-旋流場耦合問題能為實驗研究提供參考（如簡化實驗流程、節約器材等），是研究電場-旋流耦合強化多相介質分離的一個重要環節。電場-旋流耦合強化分離是一種借助電場提高多相分離效率的技術，與常規流場數值分析方法相比引入電場加劇了分析難度。為提高電場-旋流耦合數值模擬的適應性與準確性，國內外研究人員做了大量相關工作，而本文將其歸納為電場-旋流耦合強化液-液分離、氣-液分離和氣-固分離的數值研究見表2，可知：①相比于固體顆粒，液滴在電場中更容易發生極化，分離效果更好；②當研究單個或一對液滴的運動規律時，多采用二維數值模型，而研究乳液的破乳性能時多采用三維數值模型；③在軟件中耦合電場和流場多應用用戶自定義標量（user defined scalar，UDS）函數方法，也可以直接調用電場模塊、設定電參數后進行耦合模擬（具有一定的局限性）；④目前針對固-液和固-固分離的數值模擬內容相對較少，應加大對難分離多相介質數值模擬方法的研究力度。目前數值模擬分析電場、流場分布及流體流動特性的軟件種類繁多，其中具有代表性的有ANSYS、COMSOL等。

表2 電場-旋流耦合強化分離數值模擬方法對比

5.1 電場-旋流耦合強化多相介質分離的數值模擬

利用數值模擬方法研究電場-旋流耦合強化非均多相介質分離得到了廣泛應用，且合理運用數值分析手段能大幅減少實驗環節及材料而提高研究效率。如Gong 等[27-28,49,93]通過UDS 描述動量方程和電場控制方程并導入ANSYS Fluent 模塊[1,26]，且基于歐拉-歐拉方法研究了水滴在電場-旋流耦合場中的運動聚結特性，如圖11 所示可知：當電壓幅值為0 時單元結構段之間具有較高的油相體積分數（＞90%），而在10kV、11kV、12kV 和13kV（PEF）中旋流腔與大錐段截面處具有高含油流體（＞90%），表明旋流場中引入電場能促進水滴聚結而強化油水分離。與Gong 等一樣利用雙錐耦合旋流器模型[26]，Peng 等[41]則利用ANSYS Fluent 模擬了電場、旋流場、溫度場三場聯合作用對水滴運動聚結的影響，發現電壓幅值和溫度變化對旋流器內部流場有顯著影響，且溫度為70℃、電壓為11kV 時脫水效率可達94%以上。除了應用在液-液分離，Jiang 等[6]還利用ANSYS Fluent 研究操作及物性參數對靜電旋風除霧器內氣-液兩相分離特性的影響（通過UDS編寫程序耦合電場與旋流場）[76]，如圖12 所示可知：當入口速度為10m/s、液滴直徑為1～6μm時耦合場中的液滴明顯向壁面集中[44]，且分離效率隨入口速度或筒長徑比的增加而增大[95]。而王靜靜[78]則利用Comsol Multiphysics 對復合除霧器進行二維數值模擬，發現氣流混和通道長度為1.5m 時除霧效果最佳而當入口流體流速為1.5～2.5m/s時通道長度宜選擇0.8m。

圖11 油相體積分數分布（A、B、C、D、E分別為0、10kV、11kV、12kV及13kV）[28]

圖12 液滴濃度分布 [6]

與液-液、氣-液耦合數值模擬研究相比（如Gong 和Peng 等為了更好地研究液滴在油相中的遷移、聚結及破碎行為，數值模擬時多采用Euler-Euler 模型和PBM 模型[27-28,41]；而氣-液分離的數值模擬多采用RSM和k-ε湍流模型，當需要研究液滴在空氣中的運動軌跡時會添加DPM 模型[6,78]），氣-固和固-液分離是一個更加復雜的非線性問題而需借助電場-旋流場理論模型[9]（固體顆粒在耦合場中運動通常不考慮聚結和破碎，一般不采用PBM模型，多采用DPM 模型，利用一個或多個自定義顆粒研究分散相在耦合場中的運動軌跡，并得到各個出口的捕集效率[94]）。如Zhang 等[5,94]同樣利用ANSYS Fluent 模擬了亞微米顆粒在內/外渦旋靜電旋風除塵器中的逃逸過程[4]，發現在旋流場中引入電場能極大減小從分離器溢流口逸出的顆粒數量，且為了提高顆粒捕集效率建立機-電-磁耦合理論模型驗證數值結果的可靠性；而Tue 等[89]則通過數值計算和實驗驗證提出了一種基于電旋流器錐形截面擴散傳質方程的新模型，且該模型能很好地預測亞微米顆粒的分離效率。

綜合學者們對電場-旋流耦合強化非均多相介質分離的數值模擬研究，結果表明：耦合場的數值模擬在液-液分離（特別是針對油水乳狀液）領域應用最廣而在固體與流體分離方面應用較少，且電場、旋流場的操作參數和耦合裝置的結構參數對多相介質分離性能有著顯著影響；而通過研究電場-旋流耦合場的數值模擬方法不僅能完善電場-旋流場的分析手段，還能更好地輔助和指導實驗研究。

6 結語

電場-旋流耦合作為一種外加復合力場常常需要特定裝置以強化非均多相介質分離，如今在石油化工、環境工程、食品行業、顆粒分級等領域得到廣泛運用。與單電場或單旋流場相比，電場-旋流耦合場能高效分離微米級多相介質及穩定性強的油水乳狀液，具有廣闊的應用前景。為充分發揮電場-旋流耦合強化分離多相介質的優勢，在今后的研究中仍有以下問題有待解決。

（1）為驗證多種電場-旋流耦合數值模擬方法的準確性與適用性，需深入開展相應的實驗研究。

（2）電場-旋流耦合強化分離多相介質的性能與裝置形態密切相關，應綜合考慮電場分布、結構尺寸、操作參數等因素的影響。

（3）電場-旋流耦合強化分離介質多為黏度小、密度差大，需進一步研究耦合場與高黏度、密度接近及弱/無電導率介質的作用關系而擴大兩場耦合促進多相介質分離的應用范圍。

（4）電場-旋流耦合設備應用廣泛，需深入開展理論分析，并加強對耦合裝置在實際工況中運行可靠性的研究。