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近日，我院杨东海教授团队在原油脱水工程领域中的多物理场耦合作用下液滴聚结强化机理研究方面取得新进展。
相关研究成果分别以“Influence of asphaltene on deformation and fragmentation of droplets in water-in-oil emulsions subject to DC electric fields”，“Structural parameter optimization of asymmetric electrodes for enhanced droplet coalescence under electric-flow coupling fields”和“Optimizing and regulating electric-induced breakup of salt-containing droplet through magnetic field coupling: Insights from molecular dynamics simulations”发表在《Chemical Engineering Science》期刊（中科院二区，IF=4.3）和《Langmuir》期刊（中科院二区，IF=3.9）。《Chemical Engineering Science》和《Langmuir》均为化学工程和能源领域顶级期刊。论文第一/二作者分别为在读硕士生李想、在读硕士生黄达章和在读博士生李默翻，通讯作者为杨东海教授，ok138cn太阳集团为第一署名单位和唯一通讯单位。上述研究获得国家自然科学基金面上项目、山东省自然科学基金面上项目以及泰山学者青年专家计划资助。
（1）阐明了电场作用对沥青质稳定乳状液的微观作用机制
采用非平衡分子动力学模拟方法，系统研究了电场作用下沥青质对液滴变形的影响机制。同时，基于量子化学计算和独立梯度模型全面分析了沥青质分子与水分子间的弱相互作用类型与强度。结合模拟与计算结果，发现沥青质通过在油水界面构建稳定的氢键网络，从而抑制了液滴在电场中的变形与破碎。该研究成果从分子尺度揭示了沥青质稳定乳状液的微观机制，为优化原油电脱水工艺提供了理论依据。
电场作用下沥青质油水界面初始构型与界面行为分析示意图
（2）揭示了结构参数对电-扰流耦合场作用下液滴聚结的影响机制
利用有限元模拟方法，研究了电-扰流耦合场中电极结构参数对液滴聚结行为的影响。对比分析了V字型电极、蛇形-平板型电极、圆柱阵列型电极的电场不均匀性、流场扰动程度以及液滴聚结效率等特征差异，明确了电极角度与间距对电-扰流耦合场协同作用的影响机制。另外，通过建立电极结构参数与液滴聚结效率之间的响应曲面模型，实现了对电极结构优化以及液滴聚结效果的准确预测。该研究成果为电-扰流耦合脱水装置的电极结构设计与参数优化提供了方法指导。
电-扰流耦合场作用下的极板构型与多液滴聚结行为示意图
（3）明确了电-磁耦合场作用下液滴动态响应与破裂机理
采用高速显微实验与分子动力学模拟相结合的方法，研究了电-磁耦合场作用下的液滴振荡变形与破裂行为，阐明了电毛细数、无量纲频率、无量纲浓度和奥内佐格数等参数对液滴动力学特征的影响规律，揭示了液滴响应期间无机盐离子的迁移与富集特性。研究发现电-磁耦合场削弱了液滴最大响应振幅，有效抑制了液滴电分散现象，这一削弱效应源于无机盐离子迁移偏转导致的液滴表面电荷密度的降低。该研究成果完善了多物理场耦合作用下的多相分离与液滴动力学理论体系。
电-磁耦合场作用下液滴变形与破裂动力学特性与动态响应机理示意图
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ces.2025.122550
https://doi.org/10.1016/j.ces.2025.123041
https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.4c04208
