原油中通常含有大量的水液滴。水滴可能导致设备腐蚀，催化剂中毒和额外的运输成本。因此，原油中离散的水滴需要被有效的移除。电合并技术已广泛应用于原油脱水。相比于直流电场，脉冲直流电场有着更高的合并效率。电场波形作为评价脉冲电场效率的一个重要评价指标，其合并的动力学过程和相应的合并机理仍然缺乏认识。两个带电液滴电合并作为原油电脱水的一个基本过程，了解两个液滴在不同脉冲电场波形下的合并的动力学过程及其合并机理有助于在实际应用中合理选择电场电波形。

华北电力大学工程热物理研究中心何鑫同学作为第一作者，王硕林同学作为第二作者，杨燕茹老师作为第三作者，王晓东教授作为第一通讯作者，北京石油化工学院陈家庆教授作为第二通讯作者，在国际期刊Journal of Molecular Liquids上发表题目为“Electro-coalescence of two charged droplets under pulsed direct current electric fields with various waveforms: A molecular dynamics study”的论文。

【论文概述】

论文采用分子动力学模拟研究了两个带电液滴在不同脉冲电场波形下的动力学行为。比较了不同电场波形下，两个液滴的接触时间、合并后液滴的变形比和临界电场强度。模拟结果表明，在相同的振幅下，方波接触时间最短，其次为正弦波和三角波。两个液滴在接触后将会合并成为一个大液滴，合并的液滴在脉冲电场的作用下经历周期性变形，其中方波的变形最为剧烈，其次为正弦波和三角波。如果电场强度过大，将在合并的液滴边缘喷射出小的子液滴。刚好产生子液滴的电场强度被称为临界电场强度。方波和正弦波具有几乎相同的临界场强度，而三角波具有更高的临界场强。

初始模拟结构示意图

论文主要得出以下结论：(1) 不同电场波形的动态合并行为是相似的。在脉冲直流电场作用下，两个液滴首先接近，然后相互接触。当两个液滴相互接触，由于液桥的负曲率，因此两个液滴将合并成大液滴。合并液滴发生周期性变形:在脉冲持续期间由球体变为椭球，在脉冲间隔期间由椭球恢复为球体。(2) 尽管在波形上正弦波和三角波比较接近，而模拟结果表明，正弦波的接触时间反而接近方波，远快三角波。发现不同脉冲电场的接触时间实际上是由等效场强决定的。(3) 由于水分子极化定向排列，合并的液滴沿电场方向被拉长成椭球体。采用变形比来评价合并液滴的变形程度。结果表明，波形对变形比的影响很大。在方波连续高强电场的作用下，液滴的变形最为剧烈。在正弦波和三角波中，液滴的变形滞后于场强的变化，而在方波中没有观察到这种滞后。(4) 方波和正弦波具有几乎相同的临界场强，而三角波的临界场强要高得多。表明临界场强与波形有关。通过将临界场强转换为等效临界场强，发现三种波形的等效临界电场实际上是相同的。不同电场波形下两液滴间的相互作用势及合并液滴变形程度的比较

该论文得到了国家自然科学重点项目(51936004)、国家杰出青年科学基金(51525602)和国家自然科学基金创新研究群体科学基金(51821004)的资助。            

撰稿人：何鑫