水平三向撞擊流反應(yīng)(混合)器內(nèi)湍流數(shù)值模擬研究

張建偉， 程 龍， 馮 穎， 劉思源

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

水平三向撞擊流反應(yīng)(混合)器內(nèi)湍流數(shù)值模擬研究

張建偉， 程 龍， 馮 穎， 劉思源

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

采用CFD軟件FLUENT，對新型的水平三向撞擊流反應(yīng)(混合)器內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬研究.以4種工況作為研究對象，將模擬結(jié)果與PDA實驗測試結(jié)果進(jìn)行比較，具有良好的一致性.結(jié)果表明：水平三向撞擊流的水平中心面湍流強度分布呈“單峰”分布，峰值位置即為湍流最為劇烈位置，即撞擊中心處.水平三向撞擊流反應(yīng)器中，撞擊中心區(qū)湍動能分布形狀呈“正三角型”分布，三角形內(nèi)部呈“靶式”分布，形狀較為規(guī)則.湍流耗散率分布與湍動能在反應(yīng)器內(nèi)的分布規(guī)律非常相似，湍流動能分布較大的區(qū)域，湍流耗散率分布亦較大，反之亦然.

水平三向撞擊流； 數(shù)值模擬； 湍流強度； 湍動能； 湍流耗散率

撞擊流是一種較為新穎的技術(shù)方法,最早由Elperin[1]提出,其基本思想是兩股或多股均相或非均相流體相向運動撞擊,產(chǎn)生一個高湍流區(qū).自20世紀(jì)60年代以來,國內(nèi)眾多學(xué)者系統(tǒng)地研究了撞擊流對稱布局的情況.屠功毅、李偉峰[2]等采用大渦模擬對平面撞擊流的偏斜震蕩進(jìn)行了有效預(yù)報，并通過實驗進(jìn)行驗證，驗證了模擬的可靠性.許鴻鵬、趙海波等[3]對平面氣固撞擊流進(jìn)行數(shù)值模擬，通過分析射流軸線上不同位置的壓力和速度的瞬時值與平均值，討論了不同條件對周期性震蕩的影響.Song Hongyun、Yoon Hyun Gi[4]研究了雷諾數(shù)為11 000、L/D在不同范圍時，穩(wěn)定沖擊射流與不穩(wěn)定沖擊射流的無因次變量變化情況.國內(nèi)研究側(cè)重于反應(yīng)機(jī)理的探討，而國外傾向于試驗裝置的研究及實際應(yīng)用，國內(nèi)外對于水平三向撞擊流的研究近乎空白.

本文以水平三向撞擊流反應(yīng)(混合)器為研究對象，以水為介質(zhì),研究三股單相撞擊流的流場結(jié)構(gòu),包括湍流強度、湍動能、湍流耗散率.湍流性能的研究是混合及傳熱性能研究的基礎(chǔ)，三向撞擊流不同于兩向?qū)χ米矒袅鞯囊?guī)律，該研究描述了水平三向撞擊流的基本特征.其不僅對撞擊流裝置的研發(fā)具有一定的理論與實踐意義,同時也是對撞擊流理論的完善.

1 撞擊流反應(yīng)器實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，來自儲水罐的水經(jīng)由水泵、流量計進(jìn)入噴嘴，在彼此相距3dN(噴嘴直徑)的三噴嘴之間碰撞.根據(jù)圓射流速度衰減規(guī)律,實驗采用丹麥DANTEC公司生產(chǎn)的相位激光多普勒三維粒子動態(tài)分析儀(3-Dimensional Particle Dynamics Analyzer，簡稱3D-PDA)進(jìn)行測量工作.

圖1中標(biāo)號8所示為水平三向撞擊流反應(yīng)(混合)器，其總體結(jié)構(gòu)及噴嘴結(jié)構(gòu)如圖2所示.圖2(a)為撞擊流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡圖，圖2(b)為噴嘴布局圖.

1 氬離子激光器 2 信號接收器 3 信號處理器 4 激光分離器 5 激光發(fā)射探頭 6 坐標(biāo)移動系統(tǒng) 7 計算機(jī) 8 水平三向撞擊流混合器及其物料循環(huán)裝置

(a) 撞擊流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

(b) 噴嘴布局

噴嘴間距L=3dN=24 mm,對于三向流而言，噴嘴間距選取當(dāng)量距離，即與反應(yīng)器中心點的距離保持相同.研究共進(jìn)行了4組工況的模擬和試驗，進(jìn)口流速分別為1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s.

2 計算模型及邊界條件

數(shù)值模擬采用 CFD 軟件 Fluent 6.3.26,采用混合網(wǎng)格對撞擊流流場進(jìn)行數(shù)值模擬,所建模型為3D模型，采用基于壓力的隱式求解器，運用SIMPLEC算法解決壓力速度耦合關(guān)系，為提高模擬精度，采用2階迎風(fēng)格式進(jìn)行計算.進(jìn)口邊界條件類型定義為VELOCITY_INLET，即噴嘴出口處；出口邊界類型定義為OUTFLOW；其他默認(rèn)為固壁，模擬介質(zhì)為20 ℃的水.因撞擊流實驗為圓射流，且在實驗中觀察到流場有較大尺度的渦結(jié)構(gòu)，故增加了和旋轉(zhuǎn)曲率有關(guān)的內(nèi)容,所以，湍流模型選用Realizablek-ε 模型.在Realizablek-ε模型中，關(guān)于k和ε的輸運方程如下：

(1)

(2)

式中，μt與Cμ按下式計算：

k為湍動能，ε為耗散率，Gk是由平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項，C1和C2是經(jīng)驗常數(shù).

3 結(jié)果與討論

3.1 水平三向撞擊流射流軸線湍流強度分布

圖3為v=4 m/s時，水平三向撞擊流湍流強度沿射流軸線的分布圖.圖3中湍流強度值為脈動速度的均方根相對于平均速度的比值，湍流強度又稱湍強.由圖3中可以看出:噴嘴出口處湍流強度較小，因為此處湍流還沒有充分發(fā)展[5].進(jìn)口流速v分別為1、2、3、4 m/s時，湍流強度分別為5.20 %、9.52 %、1.43 %、1.8 %.隨著軸向距離的增大，湍流強度迅速增大到最大值，約為1.8 %.之后隨著射流速度的衰減，湍流強度逐漸衰減[6-7].整體上，水平三向撞擊流的射流軸線上湍流強度分布呈“單峰”分布.峰值位置為湍流最為劇烈位置，即撞擊中心處.對比實驗值與模擬值，兩者相對誤差約為8.72 %.由于實驗中射流的不穩(wěn)定性，進(jìn)口流速無法精確保證，因此,在個別點速度波動稍異于理論值，從而導(dǎo)致湍流強度實驗值有異于模擬值，但是總體上兩者具有良好的一致性.

圖3 湍流強度沿X軸分布

3.2 湍動能分布

湍動能(Kinetic energy)是湍流模型中最常見的物理量(k)，湍動能是湍流速度漲落方差與流體質(zhì)量乘積的1/2.有分量湍流動能和湍流總動能之分.湍流總動能隨時間的變化體現(xiàn)湍流動能的凈收支，是衡量湍流發(fā)展或衰退的指標(biāo).湍流擴(kuò)散方差與分量湍流能量呈正比，是衡量湍流混合能力的重要指標(biāo).湍動能主要來源于時均流,通過雷諾切應(yīng)力做功給湍流提供能量[8].選取射流軸線所在水平中心面為研究對象，因4種流速圖像湍動能分布均相同，特選取v=4 m/s水平截面湍動能分布云圖作為研究對象，其湍動能分布如圖4所示.

圖4 中心截面湍動能分布云圖

由圖4可以看出：湍流動能較高的區(qū)域主要集中在撞擊駐點附近區(qū)域，撞擊中心區(qū)域的湍動能最大，可見撞擊中心區(qū)湍動最為劇烈.原因是三股流體于此處劇烈撞擊，而后產(chǎn)生回流.撞擊中心區(qū)湍動能分布形狀呈“正三角型”，三角形內(nèi)部呈“靶式”分布，形狀較為規(guī)則，其余各處湍流動能數(shù)值均較小.本研究湍流動能分布結(jié)果與實驗研究所得結(jié)果一致.總之，在撞擊區(qū)域駐點附近的湍流動能較高，即只有該區(qū)域湍流脈動較強.

3.3 湍流耗散率分布

反應(yīng)器內(nèi)湍流耗散率ε是指單位質(zhì)量液體消耗的功率，其大小和分布是反應(yīng)器內(nèi)湍流結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)，它直接影響微觀混合效率、反應(yīng)產(chǎn)物分布和多相體系的介觀特性(如氣-液分散體系的氣泡大小及其分布、液-液分散體系的液滴大小及其分布)[9]，因此,研究ε的大小及其分布規(guī)律對撞擊流反應(yīng)器的優(yōu)化及放大具有重要意義.

因4種流速圖像湍流耗散率分布均相同，特選取v=4 m/s水平截面湍流耗散率分布作為對象進(jìn)行研究說明.圖5為v=4 m/s時水平三向撞擊流中心截面湍流耗散率分布云圖.由圖5中可以看出:湍流耗散率最大的區(qū)域位于撞擊中心處，三股流體通過湍流耗散在撞擊區(qū)域內(nèi)，迅速進(jìn)行微觀尺度的混合,進(jìn)而達(dá)到宏觀混合.由圖5可知:在噴嘴出口處到距其1/4dN區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域湍流耗散較弱.對比圖4湍動能分布云圖和圖5湍流耗散率分布云圖，可知湍流耗散率分布與湍動能的分布有十分相似的規(guī)律,湍動能較大的區(qū)域湍動能耗散率亦較大,兩者的最大值都位于撞擊中心處，反之亦然[10].

圖5 中心截面湍流耗散率分布云圖

一般情況下，湍流脈動量的瞬時速度梯度總比平均速度梯度大得多，因而，湍動能的耗散要比平均流的黏性耗散大得多[11].反應(yīng)器內(nèi)平均湍流動能耗散率可以由(3)式求得.

ε=PρV

(3)

式中，ε為平均湍流動能耗散率；P為泵輸入功率；V是噴嘴內(nèi)流體體積；ρ為液體密度[12].

4 結(jié) 論

(1) 水平中心面處，水平三向撞擊流的湍流強度呈“單峰”分布，峰值位置即為湍流最為劇烈位置，即撞擊中心處.

(2) 水平中心面處，水平三向撞擊流反應(yīng)器中，撞擊中心區(qū)湍動能分布形狀呈“正三角型”分布，三角形內(nèi)部呈“靶式”分布，形狀較為規(guī)則.

(3) 水平中心面處，水平三向撞擊流反應(yīng)器中，湍流耗散率分布與湍動能在反應(yīng)器內(nèi)的分布規(guī)律非常相似，湍流動能分布較大的區(qū)域，湍流耗散率分布亦較大，反之亦然.

[1] Elperin I T.Heat and Mass Transfer in Opposing Currents[J].J Engng Physics,1961(6)：62-68.

[2] 屠功毅，李偉鋒，黃國峰，等.平面撞擊流偏斜振蕩的實驗研究與大渦模擬[J].物理學(xué)報,2013,62(8)：084704-1-084704-7.

[3] 許宏鵬，趙海波，鄭楚光.平面氣固撞擊流周期振蕩的模擬分析[J].化工學(xué)報,2013,64(6)：1907-1915.

[4] Song Hongyun,Yoon Hyun Gi.Large Eddy Simulation of Flow Chara-ctercstics in an Unconfined Solt Impinging Jet with Various Nozzle-to-plate Distances[J].Journal of Mechanical science and Technology，2011,25(3)：721-729.

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Numerical Simulation of Flow in Three-jet Impinging Streams Reactor

ZHANG Jian-wei， CHENG Long， FENG Ying， LIU Si-yuan

(Shenyang University of Chemical Technology, Shenyan 110142， China)

The CFD software FLUENT was used to make numerical simulation for the internal flow fields of a new type of three-jet impinging stream reactor.This study included four different operating conditions,and the results of simulation were compared with experimental results and had good consistency.The results showed that the distribution of three-jet impinging stream turbulent intensity was the unimodal distribution,and the peak was the most violent turbulent position,namely the impact center.The turbulent kinetic energy of the impact center zone in three-jet impinging stream reactor showed a “regular triangle” type distribution,and distribution inside of the triangle was an inerratic “Target Type” shape.In the three-jet impinging stream reactor,the distribution of turbulent dissipation rate was quite similar with the distribution of turbulent kinetic energy.In the larger distribution area of the turbulent kinetic energy,the distribution of turbulent dissipation rate was also larger,and vice versa.

three-jet impinging stream; numerical simulation; turbulent intensity; tubulent energy; turbulent dissipation rate

2014-06-03

國家自然科學(xué)基金項目(21476141)；遼寧省自然科學(xué)基金(20102179,201202174)；遼寧省教育廳2009年度高等學(xué)?？蒲许椖坑媱?2009S079);遼寧省百千萬人才工程人選項目(2009921092)

張建偉(1964-)，男(滿族)，遼寧義縣人，教授，博士，主要從事新型高效節(jié)能過程裝備的開發(fā)研究.

2095-2198(2015)03-0263-05

10.3969/j.issn.2095-2198.2015.03.015

TQ 052

A