水平對置雙向液體撞擊流的振蕩特性

張建偉，馬紅越，董鑫，馮穎

（沈陽化工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110142）

引 言

撞擊流的最初構(gòu)想是：兩股等量氣體充分加速固體顆粒后形成的氣固兩相流，同軸高速相向流動，在兩加速管的中間，即撞擊面上相互撞擊，在撞擊的瞬間達(dá)到極高的相間相對速度，從而極大地強(qiáng)化相間傳遞。Tamir 等[1-2]在理論和應(yīng)用上所做的大量研究說明，在幾乎所有涉及傳遞的化學(xué)單元過程中，撞擊流都可以大幅度提高相間傳遞系數(shù)。因而在氣化、燃燒、吸收、干燥、結(jié)晶和催化反應(yīng)等工業(yè)領(lǐng)域，相比于傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，撞擊流以低能耗、高效率為特點(diǎn)顯示出明顯的優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。

在水平對置雙向撞擊流中，撞擊面的不穩(wěn)定性是一個很重要的現(xiàn)象。伍沅[3]在研究浸沒循環(huán)撞擊流反應(yīng)器中發(fā)現(xiàn)撞擊面位置存在微小振蕩。Denshchikov 等[4-5]在兩股平面水射流進(jìn)行撞擊時，發(fā)現(xiàn)其撞擊面存在自持性振蕩，遂對其振幅及周期進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)流量相等時，兩股平面撞擊流在撞擊面處相互上下錯開，并且周期性地轉(zhuǎn)換方向。Johnson 等[6]利用實驗和模擬研究了層流下的兩噴嘴撞擊流的自持振蕩頻率。Kind 等[7]和Rew 等[8]對在大間距下的平面壁射流進(jìn)行了研究，證明兩噴嘴的出口動量比決定了撞擊流的駐點(diǎn)偏移。李偉鋒等[9-10]對氣體對置撞擊流駐點(diǎn)在大、中、小3 種噴嘴間距下的偏移規(guī)律做了詳細(xì)的研究，并且發(fā)現(xiàn)兩噴嘴在等動量下、噴嘴間距L在[2d，4d]范圍內(nèi)，撞擊面在噴嘴軸線中心位置振蕩現(xiàn)象顯著。孫志剛等[11]的氣體平面撞擊流實驗，發(fā)現(xiàn)了撞擊面存在有周期性的偏斜振蕩和無周期性的流向擬周期振蕩。許宏鵬等[12]對平面氣固撞擊流周期振蕩進(jìn)行了模擬，通過分析射流壓力和速度，認(rèn)為周期振蕩是由于撞擊面上壓力釋放和持續(xù)射流的共同作用導(dǎo)致。屠功毅等[13]通過實驗和模擬也證明偏斜振蕩是由于速度-壓力的周期性變化引起的。

以上成果多集中于氣體連續(xù)相的撞擊流，對于湍射流下的液體連續(xù)相撞擊的撞擊面振蕩現(xiàn)象研究較少。平面激光誘導(dǎo)熒光（planar laser induced fluorescence，PLIF）技術(shù)[14-17]作為一種新型無干擾流場測試技術(shù)，可以定量地測量液相流場中的濃度、溫度等信息。本研究利用平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)，以熒光劑進(jìn)行流場示蹤，并經(jīng)PLIF 軟件進(jìn)行圖像后處理，研究了水平對置雙向撞擊流在等動量情況下，噴嘴間距和進(jìn)液流量對撞擊面駐點(diǎn)的偏移振蕩的影響。

1 實驗裝置與測量

1.1 實驗裝置

本實驗由PLIF 測試系統(tǒng)和撞擊流反應(yīng)器兩部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，內(nèi)徑130 mm，筒體高度為500 mm，上設(shè)溢流口，下設(shè)排水口，兩個對置噴嘴安置在反應(yīng)器豎直方向的中間位置，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 實驗系統(tǒng)Fig.1 Sketch map of experimental system

圖2 撞擊流混合器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure chart of impinging stream mixer

實驗中采用羅丹明6 號溶液作為熒光劑，濃度為0.1 mg·L-1，儲存于容器3 中；流量計5、水泵2、水箱1 之間由PPR 管連接；流量計出口端接足夠長度的PPR 硬管，再接橡膠軟管后連接反應(yīng)器。實驗時，清水從水箱1 被離心泵2 吸入，熒光劑經(jīng)蠕動泵4 注入其中一根水管中，經(jīng)過一定的距離充分混合后，進(jìn)入反應(yīng)器，從反應(yīng)器噴嘴中噴射而出，形成撞擊。實驗時，反應(yīng)器底部的出水口關(guān)閉，混合后的液體經(jīng)上部的溢流口排出。蠕動泵4 的流量極小，對流量平衡的影響可忽略不計。

1.2 PLIF 測試系統(tǒng)

實驗所采用的PLIF 測試系統(tǒng)系丹麥DANTEC公司生產(chǎn)，主要由連續(xù)激光器、同步器、CCD 相機(jī)及圖像處理系統(tǒng)組成。激光器為波長為532 nm 的連續(xù)激光器，CCD 相機(jī)為DANTEC 公司配套的FlowsenseEo 2M 相機(jī)，圖像分辨率為2048×2048，曝光時間為500 ms，采用單幀模式拍攝，在相機(jī)前加濾光片以去除熒光波長外的光信號。激光器型號為RayPower 2000，聚焦模塊規(guī)格為80×91，發(fā)射片狀光源，照射反應(yīng)器，照射平面如圖2所示，CCD相機(jī)置于與照射平面垂直方向。

圖3 兩噴嘴對置撞擊流示意圖Fig.3 Schematic diagram of two opposed streams

本實驗中利用PLIF 系統(tǒng)的熒光劑示蹤，通過坐標(biāo)系統(tǒng)的標(biāo)定工作，建立測量平面的實際尺寸與所拍照片的像素點(diǎn)的映射關(guān)系，以實現(xiàn)測量功能。孫懷宇等[18-19]曾得出撞擊流的壓力波動集中在低頻區(qū)，并測得撞擊面處的壓力波動頻率為0.46～3.7 Hz，故本實驗圖片采集頻率采用15 Hz。開始進(jìn)行實驗后，在每種操作條件下采集照片400 張，實驗時進(jìn)行等動量撞擊。利用DynamicStudio 及Matlab軟件進(jìn)行圖像的后續(xù)處理分析，每種操作條件下圖片采集完成以后及時清洗反應(yīng)器以避免對后續(xù)測量造成影響。

1.3 實驗測量

實驗選取直角坐標(biāo)系，如圖2中所示：以兩噴嘴間的幾何中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，X軸為噴嘴軸線所在，水平向右為正，Y軸正向豎直向下，單位為mm。反應(yīng)器的噴嘴結(jié)構(gòu)如圖3所示，d為噴嘴直徑，噴嘴間距為L，實驗選取噴嘴直徑d分別為6、8、10、12 mm，噴嘴間距L以d進(jìn)行量綱1 處理，分別取1d、2d、3d、4d、5d，進(jìn)液流量Q分別為400、500、600、750 L·h-1，即1.11×10-4、1.39×10-4、1.67×10-4、2.08×10-4m3·s-1。

由于噴嘴軸線所在為X軸，兩噴嘴間的幾何中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，則設(shè)撞擊面駐點(diǎn)所在位置為x，振蕩幅度A（mm）可以定義為A=|xmax|。

取常溫下水的密度ρ=0.997044×103kg·m-3，黏度μ=1.005×10-3Pa·s，由計算結(jié)果見表1。由此可見，上述實驗條件下均屬于完全湍流研究的范圍。

表1 Reynolds 數(shù)計算結(jié)果Table 1 Results of Reynolds number

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 實驗現(xiàn)象

按時間序列取實驗條件為Q=1.39×10-4m3·s-1、d=6 mm 時，不同的噴嘴間距下、較為明顯的撞擊面顯示照片如圖4所示，圖中右側(cè)噴嘴含熒光劑溶液。從圖中可以看出，不同時刻獲得的照片顯示的撞擊面位置都不一樣，這與實驗中觀察到的現(xiàn)象一致，即撞擊面駐點(diǎn)圍繞噴嘴軸線的中心振蕩。這說明等動量的液體連續(xù)相撞擊流中撞擊面的振蕩幅度很小，但仍然存在。并且從圖中可以比較明顯地看出：隨著噴嘴間距從L=d增大到L=3d，撞擊面的振蕩現(xiàn)象逐漸變得明顯；從L=3d增大至L=5d，撞擊面的振蕩現(xiàn)象逐漸減小。

2.2 撞擊面駐點(diǎn)振蕩特性分析

2.2.1 頻率f分布 選取圖4中Q=1.39×10-4m3·s-1、d=6 mm，L=4d工況下撞擊面駐點(diǎn)的原始信號，截取其中23 s 的信號如圖5所示。從圖5中可以較為明顯地看出一定的低頻信號。

孫懷宇等[19]曾在實驗中注意到，在浸沒撞擊流的波動頻率空間分布中，在撞擊面上的波動頻率主要集中在0.46～3.7 Hz 范圍內(nèi)，撞擊中心區(qū)域的頻率要低于撞擊流其他區(qū)域的波動頻率，并且隨著流體進(jìn)給量的提高，撞擊面區(qū)域的波動強(qiáng)度始終較弱。因圖片較多，故選取最大流量Q=2.08×10-4m3·s-1，d=6 mm 下的不同噴嘴間距L下的原始信號，做時-頻轉(zhuǎn)換后，得到圖6中的頻譜圖。

從圖6中可以看出，在最大進(jìn)給量下，除個別工況外較為明顯的振蕩頻率最大存在于4 Hz 左右，振蕩頻率主要集中在3 Hz 以下的低頻區(qū)。這說明撞擊面駐點(diǎn)的振蕩頻率較為穩(wěn)定，沒有隨著其他參數(shù)的變化出現(xiàn)較大波動。同時也證實了孫志剛等[11]所觀測到的在流向擬周期振蕩中，并不存在一個固定的周期，其振蕩頻率只是集中在一個范圍內(nèi)。同時這也是本文所選15 Hz 拍照頻率的一個實驗依據(jù)。

圖4 Q=1.39×10-4 m3·s-1 時不同噴嘴間距下的流場的瞬時照片F(xiàn)ig.4 Instantaneous photographs at various nozzle separations at Q=1.39×10-4 m3·s-1

圖5 原始信號Fig.5 Original signal graph

2.2.2 振幅A隨噴嘴間距L的變化 對實驗所得的原始圖像經(jīng)DynamicStudio 及Matlab 軟件做后續(xù)處理，可以得到噴嘴直徑d相同時，不同出口射速u下撞擊面振幅A隨噴嘴間距L的變化關(guān)系，如圖7(a)～(d)所示，橫坐標(biāo)為L/d，縱坐標(biāo)為A/d。

圖6 不同噴嘴間距下的頻譜圖Fig.6 Frequency spectrogram at various nozzle separations

圖7 不同噴嘴間距下的振幅Fig.7 Amplitude at various nozzle separations

圖8 不同出口射速下的振幅Fig.8 Amplitude at various exit velocity

由圖7中可見，在兩噴嘴動量相等的情況下，液體連續(xù)相撞擊流的撞擊面振蕩幅度A相對于氣體撞擊流要小得多，主要集中于0.1d～0.5d范圍內(nèi)。并且，隨著噴嘴間距L從d增大到3d，A也隨之增大；而當(dāng)L從3d增大到5d，A值不再繼續(xù)變大，而是逐漸減小，在[2d，4d]區(qū)間較為明顯，這一結(jié)果與李偉鋒等[10]發(fā)現(xiàn)的L在[2d，4d]內(nèi)撞擊面駐點(diǎn)位置的變化趨勢較為一致，但偏移距離要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其 所測量到的0.5d和1.4d，這說明了液體連續(xù)相撞擊流中，撞擊面駐點(diǎn)的穩(wěn)定性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氣體連續(xù)相的撞擊。撞擊面駐點(diǎn)的不穩(wěn)定性是由于撞擊產(chǎn)生的壓力變化與射流施加于撞擊區(qū)的靜壓的相互作用而引發(fā)。軸向上兩股射流的邊界層中存在著不穩(wěn)定的渦結(jié)構(gòu)，這種不穩(wěn)定性易受外界擾動而失穩(wěn)[9]。這種渦結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性造成撞擊區(qū)壓力與射流靜壓兩者之間的平衡的不穩(wěn)定性，兩者之間由平衡至失衡再到新的平衡，從而出現(xiàn)撞擊面駐點(diǎn)的振蕩現(xiàn)象。然而，與氣體連續(xù)相撞擊流對比，液體具有遠(yuǎn)大于氣體的密度和黏度，這種差異性一方面顯著地削弱了外界的擾動，維持渦結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，另一方面又能減弱由于渦結(jié)構(gòu)失穩(wěn)而導(dǎo)致的撞擊面駐點(diǎn)的偏移，使失衡的雙方進(jìn)行能量交換，迅速地回到平衡位置，從而使撞擊面駐點(diǎn)保持相對穩(wěn)定。

駐點(diǎn)可以看成是徑向射流的“射流源”，撞擊面駐點(diǎn)的不穩(wěn)定在一定程度上會影響徑向射流的不穩(wěn)定性，這種徑向射流的不穩(wěn)定性能有效地促進(jìn)了撞擊流的混合和傳質(zhì)。

2.2.3 振幅A隨流量Q的變化 圖8所示為相同的噴嘴直徑d下，振幅A隨進(jìn)液流量Q的變化情況，其橫坐標(biāo)為進(jìn)液流量Q分別為1.11×10-4、1.39×10-4、1.67×10-4、2.08×10-4m3·s-1工況下、不同的噴嘴內(nèi)徑的出口射速u，縱坐標(biāo)為A/d。由圖8中可知，在相同的噴嘴內(nèi)徑下隨著出口射速u的增大，撞擊面駐點(diǎn)的振蕩幅度A并不會一味地增大，而是開始時隨著出口射速u的增大而增大，在增大到最大值后，開始逐漸降低，最后趨于穩(wěn)定。

這是由于撞擊區(qū)中存在的兩種不同系統(tǒng)特征的運(yùn)動造成的。本課題組曾對浸沒撞擊流反應(yīng)器的壓力波動進(jìn)行過系統(tǒng)的非線性研究[20-23]，發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩股流體在撞擊區(qū)相互碰撞時，撞擊區(qū)中存在兩種不同特征系統(tǒng)動力學(xué)信號，分別由單個粒子的渦運(yùn)動和粒子團(tuán)的渦運(yùn)動產(chǎn)生，其中后者能夠產(chǎn)生較大的、具有一定周期的渦運(yùn)動[19]。

當(dāng)兩股流體在撞擊區(qū)相互碰撞時，隨著兩股流體的進(jìn)給量的增加，壓力波動的概貌信號呈現(xiàn)統(tǒng)一的線性關(guān)系，宏觀上則表現(xiàn)為撞擊面的振蕩現(xiàn)象減弱，最后趨于穩(wěn)定。而在壓力波動的細(xì)節(jié)信號中可以看出，隨著液體進(jìn)給量的增大，出射流體對撞擊區(qū)所造成的靜壓逐漸增大，粒子團(tuán)渦運(yùn)動在低尺度呈現(xiàn)出逐漸增大隨后減小的趨勢，這就導(dǎo)致了宏觀上撞擊面的振幅會出現(xiàn)一個峰值，然后逐漸減弱；而在高尺度上則由單個粒子的渦運(yùn)動一直占據(jù)主導(dǎo)位置，且Hurst 指數(shù)接近1，表明了整個流體的穩(wěn) 定性。

3 結(jié) 論

本文對水平對置雙向撞擊流流場進(jìn)行了實驗研究，考察了等動量下撞擊中，撞擊面駐點(diǎn)在不同噴嘴間距、不同流速下的穩(wěn)定性和振蕩幅度，得出如下結(jié)論。

（1）液體連續(xù)相撞擊流中的流向擬周期振蕩不存在一個固定的周期，其振蕩頻率主要存在于低頻區(qū)，一般為4 Hz 以下。

（2）氣體連續(xù)相撞擊流中的撞擊面振蕩現(xiàn)象在液體連續(xù)相撞擊流依然存在，但由于液體具有遠(yuǎn)大于氣體的密度和黏度，所以撞擊面駐點(diǎn)的位置比較穩(wěn)定，振蕩幅度集中于0.1d～0.5d范圍。

（3）在液體連續(xù)相撞擊流中，撞擊面駐點(diǎn)的振蕩幅度與噴嘴間距有關(guān)，當(dāng)噴嘴間距L從d增大到3d，振幅A也隨之增大；而當(dāng)L從3d增大到5d，A值將不再繼續(xù)變大，而是隨著L的增大逐漸減小，趨于穩(wěn)定。

（4）在液體撞擊流中，由于撞擊流中能量交換方式的轉(zhuǎn)變，撞擊面的振蕩幅度隨著流速的增大會出現(xiàn)一個峰值，越過峰值之后振幅逐漸趨于穩(wěn)定。

符 號 說 明

A——撞擊面振幅，mm

d——噴嘴直徑，mm

f——頻率，Hz

L——噴嘴間距，mm

Q——進(jìn)液流量，m3·s-1，L·h-1

Re——Reynolds 數(shù)

u——液流出口射速，m·s-1

x——撞擊面位置，mm

μ——黏度，Pa·s

ρ——密度，kg·m-3

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