頂吹浸沒攪拌中液相混合過程的可視化

張漢，張小輝，鄧偉鵬，張廣君，閆紅杰

(1.昆明理工大學(xué) 省部共建復(fù)雜有色金屬資源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明，650093；2.中南大學(xué) 能源與科學(xué)工程學(xué)院，湖南 長沙，410083)

氣體浸沒式噴吹攪拌廣泛應(yīng)用于冶金等[1-3]行業(yè)。氣泡從噴口生成后，在重力和浮力的作用下上升至液面并帶動周圍的液體運(yùn)動，產(chǎn)生復(fù)雜的氣液兩相流動現(xiàn)象。在浸沒式噴吹攪拌研究中，氣泡對液相流場的影響一直是重要的研究方向。頂吹浸沒攪拌因具有操作簡單、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，是目前的研究重點(diǎn)。目前，人們對于頂吹浸沒攪噴槍對液相流場的影響研究主要在數(shù)值模擬和模型實(shí)驗(yàn)這2個方向。MORSI等[4]采用計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)模擬了頂吹浸沒攪拌中氣、液相的流場流速分布。HUDA等[5-6]采用CFD研究了鋅冶煉過程中不同條件下液相流場的影響，并結(jié)合燃燒和化學(xué)反應(yīng)模擬了熔池內(nèi)的組分變化。WANG等[7]采用流體體積函數(shù)(volume of fluid,VOF)模型研究了艾薩爐中頂吹氣泡噴射流量和深度對混合行為和溫度分布的影響，為艾薩爐的實(shí)際操作提供了理論依據(jù)。熊靚等[8-11]通過水模型實(shí)驗(yàn)對不同條件下頂吹浸沒攪拌的混合效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明空氣流量、熔池深度、噴槍浸沒深度和噴槍直徑是影響混合時(shí)間的主要原因。上述研究雖取得了大量成果，但所采用的研究手段對頂吹浸沒攪拌的液相混合過程多缺乏直觀描述，對液相中不同區(qū)域的混合情況的研究也較少。近年來，平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)(planar laser induced fluorescence,PLIF)作為一種無干擾、可視化的流場測試技術(shù)，廣泛應(yīng)用于液相流場定量化、可視化[12-17]的研究中。熒光物質(zhì)在受到激發(fā)光的照射時(shí)會發(fā)出熒光，這一過程為瞬間激發(fā)致光過程，熒光物質(zhì)只有在激發(fā)光的照射下才會發(fā)出熒光，激發(fā)光消失熒光即消失，因此，熒光可用于瞬態(tài)測量。胡銀玉等[12-14]采用 PLIF技術(shù)對機(jī)械攪拌下反應(yīng)器中的液相流場及反應(yīng)物濃度場進(jìn)行了可視化檢測。本文作者采用 PLIF技術(shù)研究頂吹浸沒攪拌反應(yīng)器中的液相混合過程，揭示不同條件下頂吹浸沒攪拌中的液相混合特性。實(shí)驗(yàn)中，激發(fā)光為平面激光，利用常見的熒光素鈉作為熒光示蹤劑，通過檢測熒光強(qiáng)度的方法實(shí)現(xiàn)對不同時(shí)刻下液相二維濃度場的可視化研究，并對液相的局部混合差異性進(jìn)行比較和分析。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法

圖1 系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of experimental system

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，主要由平面連續(xù)激光器、注射泵、空氣泵、空氣流量計(jì)、反應(yīng)器、高速攝像機(jī)及計(jì)算機(jī)組成。反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，內(nèi)徑為15.0 cm，液相為純水，液面高度為12.0 cm，噴槍內(nèi)外徑分別為0.4 cm與0.8 cm，噴槍位于反應(yīng)器軸心上方并垂直浸沒于液相中。反應(yīng)器軸心與液面交點(diǎn)處為原點(diǎn)O，由于噴槍及氣泡對激光平面會產(chǎn)生遮擋作用，所以，激光平面位于距離反應(yīng)器軸心2.0 cm的平面上(y=2.0 cm)，高速攝像機(jī)垂直正對于該平面拍攝。熒光劑在液面A點(diǎn)(x=0 cm,y=1.0 cm,z=0 cm)及底部B點(diǎn)(x=0 cm,y=1.0 cm,z=10 cm)處注入(文中未說明為底部B點(diǎn)注射的皆為在液面A點(diǎn)注射)。為了防止光的散射及折射對拍攝的干擾，反應(yīng)器外側(cè)放置盛水的方形有機(jī)玻璃缸。

實(shí)驗(yàn)所用的激光器為北京鐳志威光電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的LWBL467-3.5W-L型連續(xù)激光器，激光波長為467 nm，片光源厚度為2 mm。高速攝像機(jī)為德國PCO公司生產(chǎn)的PCO.dimax HD型高速CMOS攝像機(jī)，在全分辨率1 920像素×1 080像素下的最高攝像速率為2 128幀/s，實(shí)驗(yàn)中拍攝速率為50 幀/s，高速攝像機(jī)鏡頭前安裝有濾波片，排除激光及自然光的干擾。由于空氣流量Q較大(Q≥1.0 L/min)時(shí)液面起伏較大甚至產(chǎn)生噴濺現(xiàn)象，造成測量誤差，而液相的深度為12 cm，所以，本文研究空氣流量Q取0.2，0.4和0.6 L/min，以及噴槍在浸沒深度L為3，5，7，9和11 cm時(shí)的液相混合行為。實(shí)驗(yàn)時(shí)，調(diào)節(jié)噴槍浸沒深度至實(shí)驗(yàn)要求值；開啟空氣泵，調(diào)節(jié)空氣流量計(jì)達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求值；開啟激光器與高速攝像機(jī)；采用注射泵向液相中快速(90 mL/min)注入0.2 mL的熒光劑(此時(shí)攪拌時(shí)間t=0 s)。高速攝像機(jī)對激光平面上的熒光劑分布進(jìn)行連續(xù)成像。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 定量表征

實(shí)驗(yàn)中加入的熒光劑初始體積為 0.2 mL(熒光劑初始質(zhì)量濃度為0.8 g/L)，遠(yuǎn)小于液相的體積，所以，加入的熒光劑對液相體積變化的影響可以忽略?；靹蚝螅合嘀袩晒鈩┵|(zhì)量濃度為75.45 μg/L。分10次(每次0.2 mL)向反應(yīng)器中加入熒光劑，混勻后反應(yīng)器內(nèi)熒光劑質(zhì)量濃度分別為 75.45，150.90，226.35，301.80，…，754.50 μg/L等。拍攝混合均勻后的熒光強(qiáng)度分布，用于線性檢測。所得熒光強(qiáng)度與熒光素鈉質(zhì)量濃度的關(guān)系如圖2所示。從圖2可見：在標(biāo)定的熒光質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，熒光劑的熒光強(qiáng)度與質(zhì)量濃度呈線性關(guān)系。

圖2 熒光強(qiáng)度與熒光素鈉質(zhì)量濃度的關(guān)系Fig.2 Relationship between fluorescence intensity and fluorescent agent mass concentration

為了對混合過程進(jìn)行宏觀描述，引入平面混合均勻度U(t)[12]的概念。t時(shí)刻測量平面的混合均勻度U(t)為

式中：Mx和Mz分別為x和z方向上的圖片的像素；m和n分別表示在x和z方向上的圖片像素；G(x,z,e)為達(dá)到均勻混合后示蹤劑在圖片上的灰度；G*(x,z,t)為t時(shí)刻在x和z位置處經(jīng)標(biāo)定修正后的灰度；G(x,z,t0)為未加入示蹤劑的初始灰度?；旌暇鶆蚨萓從全幅圖像角度充分考慮每個點(diǎn)混合狀況。未加入示蹤劑時(shí)U為1，完全混合時(shí)U為0。U越小，表明混合越均勻。當(dāng)混合均勻度U小于0.05且此后不再大于0.05時(shí)，定義此時(shí)達(dá)到混合均勻狀態(tài)，達(dá)到這一狀態(tài)所用時(shí)間定義為混合時(shí)間t95。為減小測量誤差，在同一條件下實(shí)驗(yàn)均重復(fù)5次，同一時(shí)間下測得的U與t95的平均值作為該實(shí)驗(yàn)條件下該時(shí)間的與。

2.2 混合過程中熒光劑瞬態(tài)濃度場分布

高速攝像機(jī)拍攝的灰度圖去除背景強(qiáng)度后轉(zhuǎn)換成容易分辨的偽彩圖，其中純藍(lán)色部分(對應(yīng)的灰度圖中為黑色)是熒光強(qiáng)度為0(熒光劑質(zhì)量濃度為0 μg/L)的區(qū)域，純紅色部分(對應(yīng)的灰度圖中為白色)為熒光強(qiáng)度超出最大標(biāo)定值的區(qū)域(熒光劑質(zhì)量濃度≥ρmax，在顏色條中ρmax為最大標(biāo)定質(zhì)量濃度，即ρmax=754.50 μg/L)。當(dāng)Q=0.2 L/min，L=3 cm時(shí)，不同時(shí)刻熒光劑質(zhì)量濃度分布見圖3。氣泡上升至液面時(shí)會擠壓周圍的液體向兩側(cè)運(yùn)行，因此，熒光劑在液面處加入后也隨著液體向兩側(cè)運(yùn)行，在撞擊到反應(yīng)器壁面時(shí)向下運(yùn)行并在氣泡的攪動下不斷擴(kuò)散。在噴槍浸沒深度較淺且空氣流量較小時(shí)，生成的氣泡難以充分?jǐn)噭酉聦拥囊后w，使得熒光劑在混合初期集中于液體上層；當(dāng)攪拌時(shí)間t=15 s時(shí)，在氣泡不斷攪動下熒光劑擴(kuò)散至液體下層，此時(shí)，在反應(yīng)器中熒光劑的分布逐漸均勻，直至完全均勻。

2.3 空氣流量對混合過程的影響

圖3 不同時(shí)刻熒光劑的質(zhì)量濃度分布Fig.3 Fluorescent agent mass concentration distribution at different time

圖4 不同空氣流量下的熒光劑質(zhì)量濃度分布Fig.4 Fluorescent agent concentration distribution under different air flows

當(dāng)噴槍浸沒深度L=5 cm，空氣流量Q不同(Q為0.2，0.4和0.6 L/min)時(shí)，熒光劑質(zhì)量濃度分布見圖4。由于空氣流量越大對液體的攪動作用越強(qiáng)，在混合初期(t=2 s)時(shí)，空氣流量越大熒光劑的混合效果越好。到混合中期(t為6 s和10 s)時(shí)，由于熒光劑尚未完全分散，且存在熒光劑前一時(shí)刻位于激光平面上，后一時(shí)刻熒光劑隨液體運(yùn)動至激光平面外的情況，故在混合中期時(shí)，在不同空氣流量下，混合效果相差較小，總體趨勢仍為空氣流量越大，混合效果越好。到混合末期(t=15 s)時(shí)，熒光劑在氣泡的攪動下已充分分散，且空氣流量越大，混合效果越好。

2.4 噴槍浸沒深度對混合過程的影響

圖5所示為同一時(shí)刻(t=8 s)、不同噴槍浸沒深度下的熒光劑質(zhì)量濃度分布。從圖5可以看出：當(dāng)噴槍浸沒深度較小時(shí)，熒光劑集中在液相上層；增加噴槍浸沒深度，熒光劑分布也更均勻，即在相同空氣流量下，增加噴槍的浸沒深度可以明顯提高混合效果。例如在Q=0.2 L/min，L= 3 cm時(shí)，其為0.539 4，混合效果較差；隨著浸沒深度增加，在相同時(shí)間下，U越小，混合效果越好；當(dāng)Q=0.2 L/min，L=11 cm時(shí)，其為0.097 2，最接近0.050 0，此時(shí)混合趨近均勻。這是因?yàn)樵黾訃姌尩慕]深度可以有效增加氣泡在液體中的上升時(shí)間，增強(qiáng)氣泡對液體的攪動作用。

不同噴槍浸沒深度下的混合時(shí)間見圖6。從圖6可以看出：在相同空氣流量下，噴槍浸沒深度越大，混合時(shí)間越小；當(dāng)Q=0.2 L/min時(shí)，L=11 cm時(shí)的混合時(shí)間(9.44 s)最小，L=3 cm時(shí)的混合時(shí)間(15.36 s)最大；Q為0.4 L/min與0.6 L/min時(shí)的混合時(shí)間變化趨勢與Q=0.2 L/min時(shí)的相同，這表明噴槍浸沒深度的增加有效減小了混合時(shí)間。從圖6也可以看出：在噴槍浸沒深度相同的情況下，空氣流量越大，混合時(shí)間越短。

2.5 局部混合時(shí)間

圖5 不同噴槍浸沒深度下的熒光劑質(zhì)量濃度分布Fig.5 Fluorescent agent mass concentration distribution under different lance submerged depths

圖6 不同噴槍浸沒深度下的混合時(shí)間Fig.6 Mixing time under different lance submerged depths

根據(jù)文獻(xiàn)[4,6]中的模擬結(jié)果，氣泡在噴口生成并上升的過程中會帶動周圍的液體向上運(yùn)動，液體上升至液面后轉(zhuǎn)向兩側(cè)運(yùn)動，在觸碰到反應(yīng)器壁面后沿壁面向下運(yùn)動，然后補(bǔ)充噴口附近被氣泡帶走的液體，形成1個在噴口與液面之間的液相流動循環(huán)，在這個循環(huán)區(qū)內(nèi)液體得到充分?jǐn)噭印６磻?yīng)器底部區(qū)域在循環(huán)區(qū)外，流動性較差，造成反應(yīng)器內(nèi)的液相混合情況存在較大差異性。為研究反應(yīng)器局部的液相混合情況，選取5條與噴槍浸沒深度一致的水平線(z為3，5，7，9和11 cm)和5條均勻間隔的徑向線(x為-5.0，-2.5，0，2.5，5.0 cm)的交匯點(diǎn)，共計(jì)25個監(jiān)測點(diǎn)，如圖7所示。計(jì)算區(qū)域?yàn)橐员O(jiān)測點(diǎn)為中心共計(jì)25個像素的范圍。同樣采用平面混合均勻度U(t)計(jì)算局部的混合時(shí)間。

圖7 監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)Fig.7 Coordinate of monitoring points

2.5.1 空氣流量對局部混合時(shí)間的影響

圖8 不同空氣流量下各監(jiān)測點(diǎn)的混合時(shí)間Fig.8 Mixing time of monitoring points under different air flows

圖8所示為不同空氣流量下各監(jiān)測點(diǎn)的混合時(shí)間(L=3 cm)。從圖8可以看出：在空氣流量Q=0.2 L/min時(shí)，各監(jiān)測點(diǎn)的混合時(shí)間有較大差異。各監(jiān)測點(diǎn)混合時(shí)間的平均值為15.50 s，與平面混合時(shí)間(15.36 s)相差較小，而各監(jiān)測點(diǎn)混合時(shí)間與平均值相比相對誤差為-4.8%～6.3%，即反應(yīng)器內(nèi)液相混合情況差異較大。加大空氣流量，各監(jiān)測點(diǎn)的混合時(shí)間趨于一致，在空氣流量Q為0.4 L/min和0.6 L/min時(shí)，各監(jiān)測點(diǎn)混合時(shí)間與對應(yīng)平均值相對誤差分別為-4.5%～4.7%與-2.6%～3.4%，這說明加大空氣流量可以減小液相的局部混合差異性。

圖9 不同空氣流量下各水平線的混合時(shí)間Fig.9 Mixing time of horizontal lines under different air flows

從圖8(a)可以看出：不同水平線的混合時(shí)間也存在較大差異性：水平線z=3 cm的混合時(shí)間明顯小于z=11 cm時(shí)的混合時(shí)間。這是因?yàn)樵趪姌尳]深度較小時(shí)，氣泡難以作用于反應(yīng)器底層的液體。為此，將同一水平線上的5個監(jiān)測點(diǎn)混合時(shí)間的平均值作為該水平線的混合時(shí)間，并作出不同空氣流量下各水平線的混合時(shí)間圖，如圖9所示。從圖9可以看出：水平線越低，其混合時(shí)間越長，在空氣流量Q=0.2 L/min，z=11 cm時(shí)，混合時(shí)間最大(16.15 s)，z=3 cm時(shí)混合時(shí)間最小(14.92 s)，最大值比最小值高8.2%；在空氣流量Q為0.4 L/min和0.6 L/min時(shí)，混合時(shí)間最大值比最小值分別高 7.4%和 3.7%。這進(jìn)一步說明在噴槍浸沒深度較小時(shí)，加大空氣流量對減小液相的局部混合差異性有良好效果。

2.5.2 噴槍浸沒深度對局部混合時(shí)間的影響

在Q=0.2 L/min、不同噴槍浸沒深度下各監(jiān)測點(diǎn)的混合時(shí)間見圖10。從圖10可以看出：隨著噴槍浸沒深度增加，各監(jiān)測點(diǎn)的混合時(shí)間趨于一致；在L=3 cm時(shí)，各監(jiān)測點(diǎn)混合時(shí)間與平均值相對誤差為-4.8%～6.3%；當(dāng)L為5，7，9和11 cm時(shí)，各監(jiān)測點(diǎn)混合時(shí)間與平均值相對誤差分別為-4.4%～3.9%，-3.8%～3.8%，-3.5%～2.0%和-2.9%～2.0%，這說明噴槍浸沒深度的增加可以有效減小液相的局部混合差異性。這是因?yàn)閲姌尳]深度越大，液相循環(huán)區(qū)的范圍越大；當(dāng)噴槍浸沒深度接近反應(yīng)器底部時(shí)，整個反應(yīng)器中的液體都得到充分?jǐn)噭?，使得液相的局部混合時(shí)間趨于一致。

不同噴槍浸沒深度下各水平線的混合時(shí)間t95見圖11。從圖11可以看出：當(dāng)噴槍浸沒深度較小(L為3 cm和5 cm)時(shí)，水平線越低，其混合時(shí)間越長，各水平線的混合差異性較大；當(dāng)L為3 cm和5 cm時(shí)，混合時(shí)間最大值比最小值分別高 8.2%和 7.0%；隨著噴槍浸沒深度加大，各水平線的混合時(shí)間趨于一致，在L為7，9和11 cm時(shí)，混合時(shí)間最大值比最小值分別高2.6%，2.3%和1.9%，即當(dāng)噴槍接近反應(yīng)器底部時(shí)，局部混合差異性基本消除。這同樣說明加大噴槍浸沒深度可以有效減小液相的局部混合差異性。

圖10 不同噴槍浸沒深度下各監(jiān)測點(diǎn)的混合時(shí)間Fig.10 Mixing time of monitoring points under different lance submerged depths

圖11 不同噴槍浸沒深度下各水平線的混合時(shí)間Fig.11 Mixing time of horizontal lines under different lance submerged depths

2.6 熒光劑注射點(diǎn)位置對混合的影響

當(dāng)Q=0.2 L/min時(shí)，熒光劑在底部注射時(shí)不同時(shí)刻熒光劑的質(zhì)量濃度分布見圖12。從圖12可以看出：熒光劑在底部注射的混合過程與頂部注射相比有很大差異性；熒光劑在頂部注射時(shí)各條件下的混合行為均為隨著液相向兩側(cè)運(yùn)行，在撞擊到反應(yīng)器壁面時(shí)向下運(yùn)動并在氣泡的攪動下不斷擴(kuò)散。而熒光劑在底部注射時(shí)各條件下的混合行為存在較大差異性，在噴槍浸沒深度較小(L=3 cm)時(shí)，液相底部難以被氣泡充分?jǐn)噭?，流動性差，使得熒光劑在底部注射后難以擴(kuò)散，大大增加了混合時(shí)間；在L=3 cm時(shí)，熒光劑在底部注射的混合時(shí)間(26.08 s)遠(yuǎn)大于在頂部注射的混合時(shí)間(15.36 s)；當(dāng)噴槍接近反應(yīng)器底部(L=11 cm)時(shí)，液相的底部被氣泡充分?jǐn)噭?，熒光劑在底部注射后迅速被氣泡帶至液相上層，得到充分?jǐn)U散；在L=11 cm時(shí)，熒光劑在底部注射的混合時(shí)間(9.52 s)與在頂部注射的混合時(shí)間(9.44 s)基本一致。

注射點(diǎn)位置對各水平線混合時(shí)間的影響見圖13。從圖13可以看出：當(dāng)噴槍浸沒深度較小時(shí)(L=3 cm)，底部注射的局部混合時(shí)間也遠(yuǎn)大于頂部注射的局部混合時(shí)間；而噴槍接近反應(yīng)器底部(L=11cm)時(shí)，熒光劑在底部注射的局部混合時(shí)間與頂部注射時(shí)的局部混合時(shí)間接近；而熒光劑底部注射時(shí)局部混合時(shí)間的變化趨勢與頂部注射時(shí)的一致，均表現(xiàn)為水平線越低，混合時(shí)間越長；增大噴槍浸沒深度，可以有效減小熒光劑底部注射時(shí)液相的局部混合差異性。

圖12 底部注射時(shí)不同時(shí)刻熒光劑的質(zhì)量濃度分布Fig.12 Fluorescent agent mass concentration distribution under different time in bottom injection

圖13 注射點(diǎn)位置對各水平線混合時(shí)間的影響Fig.13 Effect of location of injection point on mixing time of horizontal lines

3 結(jié)論

1)采用平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)測得了頂吹浸沒攪拌中液相中熒光劑濃度場的實(shí)時(shí)二維分布圖。在不同條件下，液相的混合過程具有明顯差異性。當(dāng)空氣流量越大、噴槍浸沒深度越大時(shí)，液相混合越迅速，混合時(shí)間越短。

2)當(dāng)噴槍浸沒深度較小時(shí)，氣泡難以攪動反應(yīng)器底層的液體，越接近反應(yīng)器底部的位置，所需的混合時(shí)間越長，液相的局部混合差異性較大。在L=3 cm，Q=0.2 L/min時(shí)，混合時(shí)間最大值比最小值高8.2%；在Q為0.4 L/min和0.6 L/min時(shí)，混合時(shí)間最大值比最小值分別高 7.4%和 3.7%，因此，增加空氣流量可減小液相的局部混合差異性；在Q=0.2 L/min時(shí)，L為5，7，9和11 cm的混合時(shí)間最大值比最小值分別高7.0%，2.6%，2.3%和1.9%。因此，增加噴槍浸沒深度可有效減小液相的局部混合差異性，且當(dāng)噴槍接近反應(yīng)器底部時(shí)，局部混合差異性基本消除。

3)當(dāng)浸沒深度較小時(shí)，反應(yīng)器底部流動性差，熒光劑在底部注射后難以擴(kuò)散，混合時(shí)間遠(yuǎn)大于頂部注射的混合時(shí)間；增加浸沒深度可以增大反應(yīng)器底部的流動性，熒光劑在底部注入后可以被充分?jǐn)U散，混合時(shí)間與頂部注射一致。即注射點(diǎn)位于流動性差的區(qū)域，熒光劑注射后擴(kuò)散困難，導(dǎo)致混合時(shí)間要遠(yuǎn)大于注射點(diǎn)在流動性好的區(qū)域。而底部注射時(shí)局部混合時(shí)間的變化趨勢與頂部注射時(shí)的一致。