撞擊流混合器速度場(chǎng)現(xiàn)狀分析的研究進(jìn)展

(沈陽(yáng)化工大學(xué) 遼寧 沈陽(yáng) 100142)

一、撞擊流技術(shù)基本原理

撞擊流(Impinging Streams，簡(jiǎn)稱(chēng)IS)概念于1961年由白俄羅斯的科學(xué)家Elperin 首先提出[1]，撞擊流技術(shù)的特點(diǎn)是可顯著強(qiáng)化氣固、氣液、氣氣以及液液系統(tǒng)的熱、質(zhì)傳遞過(guò)程。20世紀(jì)70年代中期，以色列的Tamir及其研究團(tuán)隊(duì)對(duì)其進(jìn)行深入的研究[2]，證明撞擊流技術(shù)是強(qiáng)化相間傳遞尤其是控制外擴(kuò)散的傳遞過(guò)程最有效的方法之一。撞擊流技術(shù)已成功地具體應(yīng)用于Koppers-Totzek粉煤氣化爐[3]、靜態(tài)射流混合器[4]等設(shè)備中，撞擊流技術(shù)在化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域的具有廣闊的應(yīng)用前景。

撞擊流的基本原理是，兩股或多股流體(包括均相或非均相流)沿同軸相向流動(dòng)撞擊，在撞擊面形成一個(gè)高度湍動(dòng)的撞擊區(qū)。由于慣性，一側(cè)流體(或流體+粒子)穿過(guò)撞擊面滲入反向流，在開(kāi)始滲入的瞬間相對(duì)速度達(dá)到極大值；隨后在摩擦阻力作用下減速直到軸向速度衰減為0，又被反向加速撞擊面運(yùn)動(dòng)，并如此反復(fù)作減幅振蕩運(yùn)動(dòng)，直到因粒子間相互碰撞、速度降低等原因被排出系統(tǒng)為止。其結(jié)果使流體粒子(或流體+粒子)經(jīng)歷相間相對(duì)速度極高的條件，并延長(zhǎng)了在流體中停留時(shí)間，使得各相得到良好的混合。撞擊區(qū)高度湍動(dòng)和較大的相間相對(duì)速度提供了極佳的傳遞條件，極大地促進(jìn)了混合，尤其是微觀(guān)混合。撞擊原理示意圖如圖1所示：

圖1 撞擊流原理圖

二、撞擊流反應(yīng)器的速度特性研究

2011年，MatteoIcardi等人使用微觀(guān)粒子圖像測(cè)速儀(MicroPIV)對(duì)微混合器設(shè)備的瞬時(shí)速度場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量。MicroPIV是一個(gè)創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微小混合器內(nèi)部速度場(chǎng)、湍流強(qiáng)度的測(cè)量。通過(guò)利用PIV測(cè)量和數(shù)值模擬的方法分析不同流速下撞擊流反應(yīng)器的內(nèi)部流場(chǎng)，從而進(jìn)一步了解反應(yīng)器的主要混合機(jī)理。利用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法詳細(xì)說(shuō)明流場(chǎng)中湍流的流動(dòng)及變化，并且其對(duì)入口邊界條件有顯著影響。

2012年，張建偉[5]等利用小波變換模極大值方法與分形理論相結(jié)合，對(duì)撞擊流混合器撞擊區(qū)的速度脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行多重分形分析。得到相應(yīng)的速度脈動(dòng)間歇性指數(shù)，說(shuō)明撞擊流混合器內(nèi)流體流動(dòng)具有多重分形的特性。

2013年，張建偉[6]等根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的速度時(shí)間序列，分析了浸沒(méi)循環(huán)撞擊流混合器的流場(chǎng)時(shí)均速度分布狀況，由流場(chǎng)速度大小和方向的規(guī)律，將流場(chǎng)劃分為中心區(qū)、射流區(qū)、過(guò)渡區(qū)和回流區(qū)四個(gè)區(qū)域。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)混沌理論，對(duì)瞬時(shí)速度序列重構(gòu)相空間，確定該混合器內(nèi)的流場(chǎng)為混沌流場(chǎng)。

2014年，陳亮[7]等研究了撞擊流在于流體在撞擊區(qū)中高的相對(duì)速度和高速碰撞可以增強(qiáng)流體的湍流程度,提高傳質(zhì)系數(shù)，從而促進(jìn)“三傳”的過(guò)程。深入介紹了撞擊流在納米材料、結(jié)晶、煙氣脫硫、細(xì)胞破碎等領(lǐng)域的研究進(jìn)展和工業(yè)應(yīng)用狀態(tài)，并展望了撞擊流工業(yè)化的前景。

2015年，朱晨[8]等通過(guò)使流體在撞擊面上發(fā)生碰撞，產(chǎn)生強(qiáng)烈湍動(dòng)，增強(qiáng)流體相間混合和傳遞的效果，為反應(yīng)創(chuàng)造了很好的條件。研究了撞擊流反應(yīng)器的理論研究和應(yīng)用進(jìn)展，并列舉出了幾種具體類(lèi)型的撞擊流反應(yīng)器的實(shí)例，論述了撞擊流技術(shù)的應(yīng)用前景。

2016年，鄭平[9]等為了研究錐直型和矩形噴嘴對(duì)流場(chǎng)的影響，用Fluent軟件對(duì)四口對(duì)置式撞擊流反應(yīng)器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，得到入口截面上速度等值線(xiàn)圖和等壓圖Y方向上X-Y和Y-Z截面的速度分布云圖，然后使用tecplot后處理軟件提取數(shù)據(jù),最后利用Origin軟件作出曲線(xiàn)圖并進(jìn)行比較分析。結(jié)果表明:在入口截面上，錐直型噴嘴反應(yīng)器速度大于矩形噴嘴反應(yīng)器速度，流動(dòng)更加穩(wěn)定；Y軸縱向上，錐直型噴嘴反應(yīng)器內(nèi)部流體、動(dòng)能轉(zhuǎn)化壓能更加完全;錐直型噴嘴反應(yīng)器壓力脈動(dòng)小，流束更加集中，保障了流體擁有足夠能量撞擊。為對(duì)置式撞擊流的工業(yè)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

2017年，魯錄義等采用數(shù)值模擬的方法研究對(duì)置噴嘴撞擊流，分析了撞擊流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建了7種不同管徑比的幾何模型，分別為1/3、1/5、1/7、1/10、1/12、1/15、1/20，同時(shí)也考察了氣流雷諾數(shù)對(duì)穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)撞擊流穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明，撞擊流的穩(wěn)定性與撞擊流的幾何模型及入口雷諾數(shù)有關(guān)，撞擊流流場(chǎng)可分為入口區(qū)，撞擊區(qū),出口區(qū)及漩渦區(qū)。對(duì)于非穩(wěn)態(tài)工況下，在入口氣流雷諾數(shù)一定情況下，管徑比大于1/10的模型都能形成穩(wěn)定的撞擊流，管徑比小于1/10的模型中撞擊流形成一段時(shí)間后都會(huì)失效。當(dāng)管徑比一定時(shí)，隨著雷諾數(shù)的增大，撞擊流持續(xù)時(shí)間在減小，變化形式依據(jù)不同管徑比而不同。

2018年，黃彬等為了探索撞擊流內(nèi)液滴碰撞后續(xù)發(fā)展行為，設(shè)計(jì)搭建了由激光點(diǎn)光源和高速數(shù)碼攝像機(jī)構(gòu)成的高速數(shù)碼攝像系統(tǒng)及氣液兩相撞擊流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。利用高速數(shù)碼攝像系統(tǒng)記錄下同軸對(duì)置氣液兩相撞擊流中液滴碰撞導(dǎo)致的融合聚結(jié)或二次霧化過(guò)程，通過(guò)處理記錄下的液滴運(yùn)動(dòng)過(guò)程圖像，分析了進(jìn)口液滴粒徑、速度、黏度以及液滴碰撞角度等對(duì)撞擊流中液滴碰撞結(jié)果的影響規(guī)律。

近年來(lái)，關(guān)于撞擊流設(shè)備速度特性的研究取得了很多重要的成果，從最初對(duì)撞擊流設(shè)備的速度信號(hào)的直接分析和表象判斷，進(jìn)展到對(duì)其流場(chǎng)信號(hào)的深層次非線(xiàn)性分析及其對(duì)現(xiàn)有撞擊流設(shè)備結(jié)構(gòu)的日益改進(jìn)，這些進(jìn)步都使得人們將撞擊流技術(shù)運(yùn)用到實(shí)際的理論基礎(chǔ)和操作經(jīng)驗(yàn)得以豐富。

三、前景展望

撞擊流反應(yīng)器已經(jīng)應(yīng)用于混合、燃燒等化工單元操作中，對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)的研究方法也有非線(xiàn)性分析、實(shí)驗(yàn)測(cè)量、數(shù)值模擬等多種手段。本文中對(duì)撞擊流反應(yīng)器內(nèi)的湍流場(chǎng)的描述以及分析，為接下來(lái)深入闡述撞擊流流場(chǎng)內(nèi)部的湍流機(jī)理和混合效果分析奠定了基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)撞擊流反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)的基礎(chǔ)研究，為將來(lái)撞擊流技術(shù)應(yīng)用于不同領(lǐng)域夯實(shí)了基礎(chǔ)。