假設(shè)作用在水滴上的慣性力按a=40 m/s2（最大加速度）進(jìn)行計(jì)算，得出水滴分離的臨界尺寸為1 250μm；在正弦振動(dòng)中，加速度大于a/2的時(shí)間占整個(gè)周期的2/3，若按a=20 m/s2計(jì)算，臨界直徑為1 620μm。

水滴脫離纖維后主要受重力、浮力和曳力的作用，水滴不被柴油帶到下游需要滿足Fd<Fg-Fb條件。可以得出最小水滴直徑為173μm，即大于該直徑的水滴都會(huì)因?yàn)橹亓Φ淖饔贸两怠ｋm然振動(dòng)能使水滴提前從纖維上分離，理論計(jì)算結(jié)果得出水滴從纖維上分離的臨界直徑遠(yuǎn)大于水滴的懸浮直徑。可能的原因是濾紙下游的部分纖維一端并未固定，振動(dòng)使水滴沿Y軸運(yùn)動(dòng)提前脫離纖維，導(dǎo)致油水分離效率略有降低。

較高的振動(dòng)頻率對(duì)油水分離效率幾乎沒有影響，原因是慣性力Fi是時(shí)間t的函數(shù)，在水滴與纖維的分離過程中，慣性力在不停地變換方向，在水滴還未開始有明顯的運(yùn)動(dòng)前，力的方向發(fā)生變化，對(duì)水滴的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)沒有明顯影響。

2號(hào)濾紙分離柴油中的水的原理同樣是聚結(jié)原理，但其分離效率沒有變化，原因可能與該濾紙的結(jié)構(gòu)有關(guān)。在親水聚結(jié)層后還有木漿紙層，聚結(jié)層充滿水后，水在柴油的流動(dòng)下穿過木漿紙，并在其后面逐漸生長(zhǎng)成大顆粒水滴。基紙的背面粗糙且多孔，對(duì)水的粘附力比較大，而振動(dòng)水滴提前脫離濾紙導(dǎo)致的水滴直徑變化較小或該直徑遠(yuǎn)大于臨界直徑，使得低頻振動(dòng)對(duì)其油水分離效率基本上沒有影響。

2.2阻攔式濾紙

阻攔式濾紙分離水的3種狀態(tài)。編號(hào)1為水滴粒徑比孔隙大直接被阻攔在上游；編號(hào)2為直徑于孔隙基本相當(dāng)?shù)乃危痪幪?hào)3為直徑比孔隙小的水滴，跟隨柴油直接穿過濾紙。

濾紙?jiān)诹髁繛? L/min（等效面流速5 cm/min）、油水界面張力為22 mN/m時(shí)，在39.2 m/s2加速度下不同的振動(dòng)方向和頻率與油水分離效率的關(guān)系。由于3號(hào)濾紙是由聚四氟乙烯纖維制成的單層濾紙，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)其對(duì)DV50=20μm粒徑分布的水滴幾乎沒有分離效率，為了測(cè)量振動(dòng)對(duì)其油水分離效率的影響，適當(dāng)?shù)靥岣咂銬V50到35μm。4號(hào)濾紙仍然使用DV50=20μm進(jìn)行試驗(yàn)。

3號(hào)濾紙和4號(hào)濾紙都是在20 Hz的振動(dòng)頻率下油水分離效率最低：3號(hào)濾紙沿X、Y、Z方向的振動(dòng)油水分離效率都有顯著降低，油水分離效率最大降低了5%；4號(hào)濾紙只有在沿X方向振動(dòng)油水分離效率略有下降，降低了約2.5%。

3號(hào)濾紙使用聚四氟乙烯纖維編制成的單層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，由于該濾紙不具備空間縱深結(jié)構(gòu)，直徑小于孔隙的水滴極易穿過濾紙到達(dá)下游，大于孔隙的水滴會(huì)被阻攔在濾紙表面，隨著更多的水滴被阻攔，它們之間會(huì)聚結(jié)成大水滴，在重力的作用下脫離濾紙表面。依附在疏水濾紙表面的水滴與纖維之間沒有粘附力，可能的原因是纖維上有一層柴油膜，水滴和柴油之間存在粘附力的作用而附著在濾紙表面。在沿X方向振動(dòng)時(shí)，因?yàn)閼T性力的作用會(huì)使處于狀態(tài)2的水滴與濾紙分離。水滴的分離方向是隨機(jī)的，有可能穿過濾紙到達(dá)下游，也有可能重新回到上游，因?yàn)椴裼偷牧鲃?dòng)使得水滴穿過濾紙的概率大大增加；沿X和Y方向振動(dòng)使?fàn)顟B(tài)1的水滴提前脫離濾紙，較小粒徑的水滴穿過濾紙的概率增加。

4號(hào)濾紙相比于3號(hào)濾紙有更小的孔隙，在沿Y和Z方向振動(dòng)時(shí)，水滴會(huì)提前落下，使流動(dòng)通道打開，小水滴流向下游的概率增加，但該濾紙具有一定的空間結(jié)構(gòu)，其阻攔效率變化不大。沿X方向振動(dòng)使油水分離效率略有降低的原因是增大了水滴的撞擊慣性，使在無(wú)振動(dòng)條件下本來(lái)能被阻攔的水滴在振動(dòng)條件下穿過濾紙。

3低頻振動(dòng)對(duì)油水分離效率的影響

1、3、4號(hào)濾紙?jiān)?0 Hz振動(dòng)頻率下油水分離效率隨加速度的變化趨勢(shì)。2號(hào)濾紙?jiān)?0 Hz振動(dòng)頻率、78.4 m/s2加速度下沿X、Y和Z方向的分離效率分別為95.3%、95.6%和95.1%，基本上沒有變化，故不再對(duì)其展開其他加速度下的試驗(yàn)。

所有試驗(yàn)濾紙的分離效率均隨加速度的增加而下降。1號(hào)濾紙?jiān)?8.4 m/s2加速度下油水分離效率降低了7.2%，但通過式（14）計(jì)算得出臨界直徑約為949μm，也大于水滴在柴油中的懸浮直徑。振動(dòng)對(duì)聚結(jié)式濾紙油水分離效率影響的原因可能是，振動(dòng)會(huì)使粘附在纖維上的水滴受力剪切變形，這種變形在低頻大加速度的條件下更為明顯，水滴在強(qiáng)烈的剪切力作用下會(huì)破碎成幾個(gè)小水滴，同時(shí)也伴隨著更小粒徑水滴的生成。二次破裂生成小于173μm直徑的水滴會(huì)被流動(dòng)的柴油帶到管路下游，導(dǎo)致油水分離效率降低。

3號(hào)濾紙和4號(hào)濾紙的油水分離效率在78.4 m/s2加速度下分別降低了6.7%和3.4%。4號(hào)濾紙?jiān)谘豗和Z方向振動(dòng)時(shí)，油水分離效率并無(wú)明顯的變化，僅在沿X方向振動(dòng)時(shí)略有降低。3號(hào)濾紙?jiān)谡駝?dòng)加速度由39.2 m/s2變化為78.4 m/s2時(shí)，油水分離效率變化僅為1.7%。

在振動(dòng)條件下，阻攔式濾紙油水分離效率影響的機(jī)制除了因振動(dòng)促進(jìn)與濾紙孔徑相當(dāng)?shù)乃未┻^外，還增大了柴油中的水滴與粘附在濾紙上水滴的碰撞的相對(duì)速度，兩個(gè)水滴以較小的速度碰撞時(shí)聚結(jié)的概率更大，在以較大的相對(duì)速度碰撞時(shí)，有可能使兩個(gè)水滴破碎成多個(gè)小水滴；聚結(jié)式濾紙除了水滴提前從纖維上脫離外，在強(qiáng)烈的振動(dòng)下使粘附在纖維上的體積較大的水滴在脫離之前破碎成多個(gè)小水滴。

4結(jié)論

（1）振動(dòng)對(duì)油水分離效率的影響主要體現(xiàn)在低頻率大振幅。在20 Hz的振動(dòng)頻率下，水分離效率隨振動(dòng)加速度的增加而下降，1號(hào)（單層聚結(jié)式濾紙）、3號(hào)（單層阻攔式濾紙）、4號(hào)（復(fù)合阻攔式濾紙）最大降低分別為7.2%、6.7%、3.4%。

（2）水分離效率的降低與振動(dòng)方向有關(guān)。與沿Y方向（與柴油流動(dòng)方向垂直且與地面平行的方向）和Z方向（與地面垂直的方向）的振動(dòng)相比，沿X方向（柴油流動(dòng)方向）的振動(dòng)導(dǎo)致的油水分離效率降低，1、3和4號(hào)濾紙分別降低了約0.5%、1.0%和1.5%。

（3）不同的濾紙對(duì)振動(dòng)的敏感性不同，單層濾紙與復(fù)合濾紙相比在振動(dòng)條件下的水分離效率降低更顯著。2號(hào)濾紙?jiān)谡駝?dòng)條件下的水分離效率基本沒有變化，4號(hào)濾紙?jiān)谘豖方向振動(dòng)時(shí)水分離最多僅降低了3.4%。

（4）聚結(jié)式濾紙?jiān)谡駝?dòng)條件下油水分離效率降低是水滴提前脫離纖維和破碎共同作用的結(jié)果；阻攔式濾紙?jiān)谡駝?dòng)條件下油水分離效率降低的原因是水滴因?yàn)閼T性撞擊破碎和沿X方向的振動(dòng)促進(jìn)直徑較小的水滴通過濾紙。