液-液分散体系中界面现象的热力学一致模拟：基于Navier-Stokes/密度梯度理论（DGT）框架的创新研究

本研究针对液-液萃取过程中界面行为难以实验观测的挑战，提出了一种基于Navier-Stokes/DGT框架的热力学一致模拟方法。通过耦合Cahn-Hilliard方程与非随机两液体（NRTL）模型，实现了对液滴聚并、Marangoni对流等复杂界面现象的精确解析，为化工分离设备设计提供了高保真数值工具。成果发表于《Fluid Phase Equilibria》，突破了传统CFD模型依赖经验参数的局限。

　　

在化工分离领域，液-液萃取过程的核心效率取决于分散相液滴的动力学行为——从聚并、破碎到传质，这些微观界面现象如同神秘的分子芭蕾，却因界面尺度微小（纳米级）和流体动态特性难以通过实验捕捉。传统计算流体力学（CFD）依赖经验参数描述界面张力，而相场模型常因简化热力学假设丧失物理真实性。如何建立既能精确解析界面特性、又能预测真实混合物行为的数学模型，成为化工模拟领域的"圣杯"挑战。

针对这一难题，研究人员在《Fluid Phase Equilibria》发表的研究中，开创性地将密度梯度理论（Density Gradient Theory, DGT）与Navier-Stokes方程耦合，构建了Navier-Stokes/DGT新框架。该模型以非随机两液体（NRTL）模型为热力学基础，通过有限体积法求解高度非线性的偏微分方程组，首次实现了对液-液系统界面特性和聚并行为的自洽模拟。

关键技术方法包括：1）基于Cahn-Hilliard方程的扩散界面建模；2）NRTL模型计算超额吉布斯能（g^E
）；3）OpenFOAM平台的自适应网格细化技术；4）Korteweg应力张量表征毛细效应。研究选取甲醇-正己烷、甲苯-水等典型二元体系及甲醇-正己烷-异丙醇三元体系，通过拟合单组界面张力实验数据确定影响参数κ，验证模型可靠性。

【相分离】
通过甲醇-正己烷体系的模拟，再现了从均相混合物（初始摩尔分数0.5）到双相分离的全过程。随机扰动（10^-4
mol/mol波动）触发的自发性相分离显示，在亚稳区（metastable region）传质速率显著高于稳定区。模拟捕捉到液滴排斥、聚并等复杂行为，最终形成的两相组成与NRTL模型预测的平衡态完美吻合。

【液滴聚并】
在甲苯-水体系中，两个直径2 mm液滴的碰撞过程清晰呈现四个阶段：接触→液桥形成→颈缩扩张→球形弛豫。该过程完全由界面张力梯度驱动，无需传统CFD中预设的聚并判据，揭示了惯性主导（快速扩张）与黏性主导（缓慢弛豫）的动力学转换机制。

【Marangoni对流】
甲醇-正己烷-异丙醇三元体系的模拟中，异丙醇作为传质组分引发界面张力梯度，形成特征性涡旋结构。液滴外围上升流与中心下降流构成的环形对流胞（直径约5 mm），产生肉眼可辨的Marangoni条纹，与实验观测的"咖啡环效应"高度一致。

这项研究的意义在于建立了首个能同时满足热力学一致性与流体动力学精确性的界面模拟框架。相比传统方法：1）相场变量直接关联摩尔浓度而非抽象序参数；2）界面张力作为计算结果而非输入参数；3）可处理部分互溶体系的浓度依赖性界面特性。尽管当前模拟尺度局限在厘米级，但该模型为提取液滴聚并概率、优化工业萃取塔设计提供了全新范式。未来通过引入密度差异和更多组分，有望实现全尺寸萃取设备的虚拟仿真，推动化工过程设计从"经验试错"向"理论预测"的范式转变。