二維噴嘴內(nèi)稠密氣固射流穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

楊璐明，劉昊坤，李偉鋒，劉海峰，王輔臣

（華東理工大學(xué)上海煤氣化工程技術(shù)研究中心，上海200237）

氣固兩相射流是一種既有工程應(yīng)用背景又有理論研究?jī)r(jià)值的流體運(yùn)動(dòng)形式，常見(jiàn)于各種工業(yè)設(shè)備與能源轉(zhuǎn)化過(guò)程中，如粉煤氣化爐[1]、粉煤燃燒器[2-3]、旋風(fēng)分離器[4]以及循環(huán)流化床脫硫塔[5]等。在氣固兩相流運(yùn)動(dòng)中，氣固射流的顆粒流動(dòng)特征是影響設(shè)備操作性能與穩(wěn)定性的重要因素，并且顆粒與流體之間的相互作用影響著輸運(yùn)中的傳熱、傳質(zhì)過(guò)程。因此，深入了解和認(rèn)識(shí)氣固兩相射流中的氣固相互作用與射流穩(wěn)定性對(duì)于相關(guān)工業(yè)設(shè)備的設(shè)計(jì)、操作、運(yùn)行以及優(yōu)化非常重要。

近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)噴嘴出口的稠密氣固射流不穩(wěn)定現(xiàn)象進(jìn)行了研究。M?bius[6]研究了自由下落顆粒流中的團(tuán)聚不穩(wěn)定現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)空氣的存在會(huì)導(dǎo)致更大顆粒團(tuán)的產(chǎn)生，但并不是顆粒團(tuán)形成的主要原因。顆粒團(tuán)的尺寸是由于噴嘴處顆粒的波動(dòng)大小決定的。Royer等[7]利用高速攝像儀研究了自由下落顆粒射流中的顆粒團(tuán)形成過(guò)程，發(fā)現(xiàn)顆粒團(tuán)主要是由于顆粒間微小的納米牛頓內(nèi)聚力導(dǎo)致的，這種內(nèi)聚力主要是由范德華力和液體橋力造成的。并測(cè)量了顆粒間力的大小，獲得了等效表面張力的大小。曹文廣等[8]采用高速攝像儀、粒子圖像測(cè)速儀和Fluent模擬等軟件對(duì)稠密顆粒兩相射流過(guò)程中顆粒彌散性能、運(yùn)動(dòng)特征等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)顆粒彌散特征量與顆粒表觀(guān)速度、射流距噴嘴距離的大小以及噴嘴角度有關(guān)。劉海峰等[9]對(duì)稠密同軸氣固射流的彌散模式進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其彌散模式與氣流速度有關(guān)。隨著氣速增加，氣固射流依次呈現(xiàn)出剪切彌散、波狀彌散和振蕩彌散三種彌散方式。在波狀彌散的模式下，第一個(gè)波的波長(zhǎng)及其位置隨射流速度的增加而減小，波的產(chǎn)生頻率隨顆粒射流的質(zhì)量流量和射流速度的增大而增大。振蕩彌散模式下，振蕩頻率隨射流速度的增加而線(xiàn)性增加，顆粒射流質(zhì)量流量和顆粒粒徑對(duì)振蕩頻率也有影響。方晨辰等[10]利用高速攝像儀對(duì)不同壁厚下氣固同軸射流中顆粒彌散現(xiàn)象進(jìn)行了研究，探討了不同環(huán)形氣速下顆粒流的波長(zhǎng)和振幅的變化。研究發(fā)現(xiàn)增加噴嘴中心通道壁厚會(huì)顯著削弱氣固剪切作用，抑制波狀彌散。呂慧等[11]采用高速攝像儀對(duì)中心氣流作用下的稠密環(huán)形氣固射流中的鼓泡結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)顆粒質(zhì)量流率和環(huán)形通道厚度是鼓泡形成的關(guān)鍵因素。并對(duì)鼓泡的尺寸、鼓泡增長(zhǎng)速率以及鼓泡頻率進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)鼓泡徑向增長(zhǎng)速率受表觀(guān)空氣速度的影響，同時(shí)氣相和顆粒相之間的徑向速度差也是造成鼓泡結(jié)構(gòu)形成的主要原因。施浙杭[12]采用實(shí)驗(yàn)和EDEM數(shù)值模擬對(duì)兩股稠密氣固射流撞擊的顆粒膜不穩(wěn)定性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)噴嘴內(nèi)氣固相互作用，會(huì)導(dǎo)致氣固射流發(fā)生擾動(dòng)，進(jìn)而引起撞擊不穩(wěn)定性，最終形成顆粒膜振蕩及波紋結(jié)構(gòu)。到目前為止，對(duì)于噴嘴內(nèi)氣固相互作用及射流不穩(wěn)定性的研究較少。

氣固射流通常是由和加壓料倉(cāng)連接的噴嘴產(chǎn)生的，因而料倉(cāng)內(nèi)的氣固流動(dòng)對(duì)射流不穩(wěn)定性有重要的影響。許多學(xué)者也對(duì)和噴嘴連接的料倉(cāng)內(nèi)顆粒流結(jié)拱、堵塞現(xiàn)象以及重力作用下豎直管道中的顆粒流不穩(wěn)定現(xiàn)象進(jìn)行了研究。To 等[13]、Kondic[14]以及Zuriguel 等[15-16]研究發(fā)現(xiàn)增大顆粒粒徑和料倉(cāng)出口尺寸能夠有效減少料倉(cāng)下料堵塞現(xiàn)象的發(fā)生；趙偉等[17-18]采用CPFD 方法模擬，驗(yàn)證了料倉(cāng)下料流率與料倉(cāng)出口直徑的2.5 次方相關(guān)；陸海峰[19]對(duì)料倉(cāng)壓力在0～1800kPa 范圍內(nèi)的煤粉下料流率進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)一定程度的料倉(cāng)壓力增加，可以改善料倉(cāng)內(nèi)氣固流態(tài)化作用，從而促進(jìn)煤粉下料。Raafat等[20]對(duì)重力作用下豎直管內(nèi)顆粒流進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)顆粒流速適當(dāng)，管道內(nèi)徑（D）與顆粒粒徑（d）的比值6≤D/d≤30 時(shí)，管道內(nèi)顆粒流會(huì)形成栓塞結(jié)構(gòu)。Bertho 等[21-22]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了小內(nèi)徑豎直玻璃管內(nèi)顆粒流的動(dòng)力學(xué)特性，研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變顆粒流速和管出口大小可以用來(lái)調(diào)控顆粒流動(dòng)模式。Alvarez 等[23]使用與Bertho 等[21-22]相似的 實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)一步對(duì)重力作用下豎直管道內(nèi)的顆粒團(tuán)-氣泡栓塞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)選用表面光滑或粗糙的玻璃微珠，顆粒粒徑為106～212μm，質(zhì)量流率控制在0.1～0.95g/s 時(shí)，豎直管內(nèi)會(huì)出現(xiàn)勻速運(yùn)動(dòng)的栓塞結(jié)構(gòu)；當(dāng)選用表面粗糙的玻璃微珠，顆粒粒徑為212～300μm，質(zhì)量流率控制在0.25～0.4g/s 時(shí)，豎直管內(nèi)出現(xiàn)以一定速度振蕩的栓塞結(jié)構(gòu)。Verbücheln 等[24]使用數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)：豎直管道內(nèi)栓塞結(jié)構(gòu)的形成與顆粒流質(zhì)量流率、顆粒粒徑以及管道的幾何參數(shù)有關(guān)。需要指出的是，上述大部分研究大都針對(duì)重力作用下顆粒流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象，對(duì)加壓條件下噴嘴內(nèi)氣固射流不穩(wěn)定性研究較少。

盡管先前的實(shí)驗(yàn)研究已初步揭示氣固射流不穩(wěn)定性源于噴嘴內(nèi)的氣固相互作用，但是現(xiàn)有的文獻(xiàn)還不足以揭示加壓條件下氣固射流不穩(wěn)定性的形成原因，其內(nèi)在形成機(jī)理還有待進(jìn)一步探討，因此非常有必要對(duì)噴嘴內(nèi)稠密氣固射流穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

本文以粉煤加壓氣化技術(shù)為研究背景，采用高速攝像儀、PV6D 型顆粒速度測(cè)量?jī)x、微型壓力傳感器和圖像處理軟件對(duì)二維噴嘴內(nèi)稠密氣固射流進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，考察了顆粒粒徑、料倉(cāng)壓力以及噴嘴收縮角等因素對(duì)射流流動(dòng)模式及穩(wěn)定性的影響，揭示了噴嘴內(nèi)的壓力分布和脈動(dòng)特征。本文旨在揭示稠密氣固射流不穩(wěn)定性及其形成機(jī)理，掌握調(diào)控稠密氣固射流穩(wěn)定性的方法，為工業(yè)中廣泛出現(xiàn)的稠密氣固射流提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

圖1 稠密氣固射流實(shí)驗(yàn)流程圖及噴嘴結(jié)構(gòu)

稠密氣固射流實(shí)驗(yàn)流程圖及噴嘴結(jié)構(gòu)如圖1所示，實(shí)驗(yàn)在常溫下進(jìn)行，密閉儲(chǔ)料罐內(nèi)的玻璃微珠在鋼瓶中高壓空氣的推動(dòng)作用下在二維噴嘴中形成稠密氣固射流，通過(guò)調(diào)節(jié)儲(chǔ)料罐內(nèi)的空氣壓力可以改變噴嘴出口射流速度和質(zhì)量流量。為了方便拍攝噴嘴內(nèi)的氣固射流不穩(wěn)定模式及演變特征，本實(shí)驗(yàn)采用二維有機(jī)玻璃噴嘴。實(shí)驗(yàn)中儲(chǔ)料罐的料倉(cāng)錐角為30°，保持不變。二維噴嘴直管長(zhǎng)度為14cm，出口截面長(zhǎng)為8mm、寬為2mm，噴嘴收縮角α分別為30°、60°、90°和120°。顆粒為玻璃微珠，密度ρp=2490kg/m3，顆粒粒徑分別為Dp=78μm、185μm 和350μm，三種顆粒粒徑下玻璃微珠的安息角分別為26°、25°和22°。實(shí)驗(yàn)中，采用FASTCAM APXRS 型高速攝像儀，在1300W 的鹵素聚光燈的照射下，從正面對(duì)二維噴嘴內(nèi)氣固射流進(jìn)行拍攝，快門(mén)速度為3000fps，曝光時(shí)間為(1/61000)s，拍攝圖片分辨率為1024×1024pixels。采用圖像處理軟件Image J對(duì)拍攝圖片進(jìn)行處理和分析。

實(shí)驗(yàn)中采用微型壓力傳感器對(duì)噴嘴直管h1=1cm、h2=7cm、h3=13cm處的瞬時(shí)壓力Pi進(jìn)行壓力信號(hào)采集，其中h1、h2處壓力探頭選用量程為-10～100kPa，h3處壓力探頭選用量程為0～5kPa，精度均為0.5%，系統(tǒng)的采樣頻率設(shè)為5000Hz，采樣時(shí)間設(shè)為30s，全文中壓力均為表壓。

實(shí)驗(yàn)中采用PV6D型顆粒速度測(cè)量?jī)x對(duì)稠密氣固射流在噴嘴出口的截面平均速度（u0）進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)計(jì)算兩通道信號(hào)互相關(guān)函數(shù)來(lái)測(cè)量顆粒運(yùn)動(dòng)速度。實(shí)驗(yàn)所用探頭兩個(gè)采樣點(diǎn)間距離l=2.1mm，互相關(guān)函數(shù)曲線(xiàn)最大值處的延遲時(shí)間為τ，通過(guò)v=l/τ可得顆粒在這段距離內(nèi)的平均運(yùn)動(dòng)速度，實(shí)驗(yàn)中測(cè)量次數(shù)不小于20次，測(cè)量誤差小于5%。

定義噴嘴出口處氣固射流固含率為式(1)。

式中，u0為噴嘴出口截面平均速度，m/s；mp為噴嘴出口質(zhì)量流量，kg/s；通過(guò)對(duì)單位時(shí)間內(nèi)流出噴嘴的顆粒進(jìn)行收集和稱(chēng)重得到；ρp為顆粒密度，kg/m3；A為噴嘴出口截面積，m2，不同工況下稠密氣固射流的固含率可通過(guò)式(1)計(jì)算得到。實(shí)驗(yàn)中對(duì)不同顆粒粒徑射流速度以及固含率隨料倉(cāng)壓力的變化進(jìn)行了測(cè)量。圖2 為噴嘴收縮角α=30°，不同顆粒粒徑的氣固射流速度隨料倉(cāng)壓力的變化。結(jié)果表明：不同顆粒粒徑氣固射流速度均隨料倉(cāng)壓力的增大而增大，且同一壓力下，顆粒粒徑為78μm 氣固射流速度較小。這是因?yàn)閷?duì)于小粒徑顆粒，顆粒間間距小，顆粒碰撞頻率更高，導(dǎo)致顆粒碰撞耗散增強(qiáng)，使得顆粒速度較小。圖3為噴嘴收縮角α=30°，不同顆粒粒徑的氣固射流固含率隨射流速度的變化。結(jié)果表明：在相同氣固射流速度下，稠密氣固射流固含率隨顆粒粒徑的增大而減小。

圖2 不同顆粒粒徑射流速度隨料倉(cāng)壓力變化

圖3 不同顆粒粒徑射流固含率隨射流速度的變化

2 結(jié)果與討論

2.1 噴嘴內(nèi)稠密氣固射流不穩(wěn)定模式

圖4 不同料倉(cāng)壓力下稠密氣固射流可視化圖像

圖4 為Dp=78μm，噴嘴收縮角α=30°時(shí)噴嘴內(nèi)稠密氣固射流在不同料倉(cāng)壓力下的可視化圖片。可以發(fā)現(xiàn)，隨著料倉(cāng)壓力的增加，氣固射流速度增大，固含率降低，氣固射流呈現(xiàn)不同的流動(dòng)模式：在重力作用下，射流從噴嘴收縮處流出后貼側(cè)壁面流動(dòng)；當(dāng)p=0.02MPa，u0=3.18m/s，xp=0.169 時(shí)，氣固射流為穩(wěn)定的流動(dòng)模式；當(dāng)p≥0.03MPa，u0≥4.82m/s，xp≤0.168時(shí)，從噴嘴收縮處開(kāi)始?xì)夤躺淞鞯闹行臅?huì)形成有規(guī)律的氣泡（bubble）結(jié)構(gòu)。從圖中可以看出，隨著流動(dòng)距離的增加，氣泡尺度增大并趨于穩(wěn)定；隨著料倉(cāng)壓力的增大，氣泡尺度增大。

圖5 為不同顆粒粒徑下稠密氣固射流在p=0.1MPa，噴嘴收縮角α=30°時(shí)不穩(wěn)定模式可視化圖像。可以發(fā)現(xiàn)稠密氣固射流表現(xiàn)出兩種顯著不同的流動(dòng)模式：當(dāng)顆粒粒徑較小時(shí)，氣固射流為氣泡型不穩(wěn)定模式；隨著顆粒粒徑增大，氣固射流仍表現(xiàn)為氣泡型流動(dòng)模式，與圖5(a)中氣泡相比，氣泡形狀變得不規(guī)則，并且氣泡向下流動(dòng)過(guò)程中會(huì)發(fā)生合并等演變過(guò)程；當(dāng)進(jìn)一步增大顆粒粒徑，氣固射流中出現(xiàn)較規(guī)則的顆粒團(tuán)（particle cluster）結(jié)構(gòu)。

圖5 不同顆粒粒徑下稠密氣固射流流動(dòng)模式可視化圖像

不同料倉(cāng)壓力下通過(guò)跟蹤多個(gè)氣泡隨流動(dòng)距離的演變過(guò)程，測(cè)量其在不同位置的縱向長(zhǎng)度Ly和橫向長(zhǎng)度Lx，求其平均值，可得到氣泡的縱寬比Ly/Lx，測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)方差在圖中用誤差棒表示。圖6為Dp=78μm，噴嘴收縮角α=30°的氣固射流中氣泡的縱寬比隨流動(dòng)距離的演變?？梢园l(fā)現(xiàn)，在不同的料倉(cāng)壓力下，氣泡的縱寬比基本隨流動(dòng)距離的增加而增大，且初始?xì)馀莸目v寬比在1～2 范圍內(nèi)，終態(tài)氣泡的縱寬比在3～5 范圍內(nèi)，說(shuō)明氣泡的形態(tài)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)發(fā)生拉伸等演變過(guò)程。

圖6 稠密氣固射流中氣泡縱寬比隨量綱為1流動(dòng)距離的演變

圖7 氣固射流中氣泡和顆粒團(tuán)產(chǎn)生頻率隨料倉(cāng)壓力的變化

通過(guò)統(tǒng)計(jì)1000 張連續(xù)圖片中噴嘴收縮角出口處氣泡和顆粒團(tuán)產(chǎn)生個(gè)數(shù)，可得到氣泡和顆粒團(tuán)產(chǎn)生頻率。圖7 為噴嘴收縮角α=30°，Dp=78μm 和185μm時(shí)稠密氣固射流中氣泡產(chǎn)生頻率和Dp=350μm時(shí)顆粒團(tuán)產(chǎn)生頻率隨料倉(cāng)壓力的變化?？梢园l(fā)現(xiàn)，不同顆粒粒徑下，氣泡和顆粒團(tuán)的產(chǎn)生頻率均隨料倉(cāng)壓力的增大而增大；且同一料倉(cāng)壓力下，Dp=185μm 氣固射流中氣泡產(chǎn)生頻率略大于Dp=78μm氣固射流中氣泡產(chǎn)生頻率，顆粒團(tuán)的產(chǎn)生頻率小于氣泡的產(chǎn)生頻率。顆粒團(tuán)產(chǎn)生頻率的誤差棒小于氣泡產(chǎn)生頻率的誤差棒，說(shuō)明顆粒團(tuán)的產(chǎn)生頻率較為穩(wěn)定。

為了探究噴嘴收縮角的改變對(duì)氣固射流不穩(wěn)定性的影響，分別對(duì)α=60°、90°以及120°下氣固射流進(jìn)行了可視化研究，結(jié)果表明改變噴嘴收縮角對(duì)射流不穩(wěn)定模式影響不大。圖8 為Dp=78μm 和Dp=350μm 時(shí)不同噴嘴收縮角氣泡和顆粒團(tuán)產(chǎn)生頻率隨料倉(cāng)壓力的變化。結(jié)果表明：相同噴嘴收縮角下顆粒團(tuán)的產(chǎn)生頻率均小于氣泡的產(chǎn)生頻率；改變噴嘴收縮角對(duì)氣固射流中氣泡和顆粒團(tuán)產(chǎn)生頻率有一定影響，當(dāng)α=60°時(shí)，氣泡和顆粒團(tuán)的產(chǎn)生頻率較大；當(dāng)α=90°，氣泡和顆粒團(tuán)產(chǎn)生頻率較小。這是由于噴嘴收縮角的存在會(huì)導(dǎo)致顆粒在錐部堆積，導(dǎo)致不同噴嘴收縮角下氣體滲透量不同，氣泡和顆粒團(tuán)產(chǎn)生頻率略有差別。

圖8 不同噴嘴收縮角下氣固射流中氣泡和顆粒團(tuán)產(chǎn)生頻率

2.2 稠密氣固射流壓力脈動(dòng)信號(hào)特征分析

為了進(jìn)一步探究噴嘴內(nèi)氣固射流不穩(wěn)定現(xiàn)象的形成原因，分別對(duì)顆粒粒徑為78μm、185μm 和350μm 的氣固射流在如圖1 所示的h1=1cm、h2=7cm、h3=13cm 處噴嘴內(nèi)瞬時(shí)壓力pi進(jìn)行了測(cè)量，圖9為Dp=78μm，不同料倉(cāng)壓力下h2=7cm處瞬時(shí)壓力隨時(shí)間的變化，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)p=0 和p=0.02MPa時(shí)，瞬時(shí)壓力隨時(shí)間基本不變，此時(shí)射流流動(dòng)穩(wěn)定，為穩(wěn)定流型，如圖4(a)、(b)所示；當(dāng)p≥0.03MPa時(shí)，瞬時(shí)壓力隨時(shí)間脈動(dòng)增強(qiáng)，射流中出現(xiàn)氣泡結(jié)構(gòu)，射流流動(dòng)不穩(wěn)定，如圖4(c)～(e)所示。

圖9 不同料倉(cāng)壓力下h2=7cm處瞬時(shí)壓力隨時(shí)間的變化

通過(guò)壓力信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差表征壓力波動(dòng)的平均幅度，計(jì)算公式如式(2)。

圖10 不同顆粒粒徑下h2=7cm壓力信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差

圖11 為Dp=185μm 和Dp=350μm 噴嘴內(nèi)量綱為1 壓力隨量綱為1 流動(dòng)距離的變化，結(jié)果表明：隨著料倉(cāng)壓力增大，噴嘴內(nèi)壓力從h1至h3壓差增大，顆粒在噴嘴內(nèi)向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中壓降增加，滲透進(jìn)顆粒流的氣體分率增加，將導(dǎo)致噴嘴內(nèi)氣固相互作用增強(qiáng)，進(jìn)而引起氣固射流不穩(wěn)定。

圖11 噴嘴內(nèi)量綱為1壓力隨量綱為1流動(dòng)距離的變化

圖12 所示為h3=13cm 處p=0.1MPa 條件下Dp=185μm 和Dp=350μm 的氣固射流壓力脈動(dòng)的傅里葉頻譜分析結(jié)果。圖7 中結(jié)果表明氣泡產(chǎn)生頻率在500～600Hz 范圍內(nèi)，而圖12 中壓力脈動(dòng)的主頻率分布在300Hz左右較廣范圍之內(nèi)，這種差別主要是由于氣泡在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)發(fā)生合并等演變過(guò)程導(dǎo)致的。顆粒團(tuán)產(chǎn)生頻率在240～300Hz 范圍內(nèi)，壓力脈動(dòng)的主頻率在200Hz左右較廣范圍內(nèi)，兩者基本吻合。結(jié)果表明加壓料倉(cāng)產(chǎn)生的稠密氣固射流壓力脈動(dòng)主要是由于氣固射流中氣泡及顆粒團(tuán)的產(chǎn)生及演變導(dǎo)致的。

圖12 p=0.1MPa時(shí)h3=13cm處壓力脈動(dòng)的傅里葉頻譜分析圖

3 討論

實(shí)驗(yàn)中，在顆粒粒徑較小時(shí)，氣固射流流動(dòng)模式受料倉(cāng)壓力影響。當(dāng)料倉(cāng)壓力較小時(shí)，氣固速度差較小，氣固射流流動(dòng)穩(wěn)定，如圖4(a)、(b)所示。當(dāng)增大料倉(cāng)壓力后，由于噴嘴收縮角處壁面的作用，匯聚在收縮角處的顆粒具有了較大的橫向速度，顆粒間碰撞概率增加，能量的耗散增強(qiáng)，引起顆粒流整體的速度降低。而對(duì)于氣體，收縮角處截面積的減小導(dǎo)致氣體速度的提高，因此，收縮角處氣體和顆粒的速度差增大，氣體會(huì)滲入到顆粒間，氣固相互作用增強(qiáng)，形成氣泡型的不穩(wěn)定流動(dòng)模式。改變顆粒粒徑會(huì)引起氣固射流不穩(wěn)定模式改變，這是因?yàn)殡S著顆粒粒徑的增大，顆粒間氣體滲透量增大，氣固射流固含率降低，氣固間相互作用增強(qiáng)，表現(xiàn)為顆粒團(tuán)的不穩(wěn)定流動(dòng)模式。

現(xiàn)有文獻(xiàn)中大多針對(duì)噴嘴出口的射流不穩(wěn)定性進(jìn)行研究，僅有的對(duì)豎直管道內(nèi)射流的研究為重力作用下顆粒流的不穩(wěn)定性，對(duì)加壓條件下噴嘴內(nèi)氣固射流不穩(wěn)定性的研究則更為稀少。Bertho 等[21-22]發(fā)現(xiàn)重力作用下Dp=175μm 的顆粒在管道內(nèi)徑為3mm豎直管內(nèi)流動(dòng)會(huì)形成均勻的顆粒團(tuán)-氣泡的栓塞結(jié)構(gòu)。研究表明栓塞結(jié)構(gòu)內(nèi)壓力隨流動(dòng)距離線(xiàn)性增加，產(chǎn)生的逆壓力梯度與栓塞的重量平衡，導(dǎo)致栓塞勻速運(yùn)動(dòng)。Alvarez等[23]進(jìn)一步對(duì)重力作用下豎直管道內(nèi)的顆粒團(tuán)-氣泡栓塞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)：通過(guò)改變顆粒粒徑、顆粒表面粗糙度以及顆粒流質(zhì)量流率，能夠產(chǎn)生勻速運(yùn)動(dòng)或以一定速度振蕩的栓塞結(jié)構(gòu)。Raafat 等[20]提出栓塞結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生主要是由于顆粒間摩擦力以及顆粒團(tuán)和氣泡間相互作用力導(dǎo)致的。本文對(duì)加壓條件下噴嘴內(nèi)氣固射流進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)改變顆粒粒徑以及料倉(cāng)壓力，氣固射流表現(xiàn)出兩種不同的流動(dòng)模式：氣泡型不穩(wěn)定流動(dòng)模式或氣固射流中出現(xiàn)較規(guī)則的顆粒團(tuán)結(jié)構(gòu)。目前文獻(xiàn)中鮮有對(duì)氣泡型不穩(wěn)定流動(dòng)模式的探索和研究。本文揭示了上述兩種不同模式的產(chǎn)生機(jī)理：改變顆粒粒徑會(huì)導(dǎo)致顆粒間氣體滲透量的不同，導(dǎo)致氣固射流固含率的改變，氣固間相互作用力產(chǎn)生變化，因而出現(xiàn)不同的射流模式。這與Raafat 等[20]提出的重力作用下顆粒流中栓塞結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理有所不同。實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中多為加壓系統(tǒng)，本文研究為工業(yè)中廣泛出現(xiàn)的稠密氣固射流提供了理論依據(jù)。

4 結(jié)論

采用高速攝像儀和微型壓力傳感器對(duì)二維噴嘴內(nèi)稠密氣固射流流動(dòng)模式及穩(wěn)定性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了二維噴嘴的稠密氣固射流中氣泡和顆粒團(tuán)等不穩(wěn)定流動(dòng)模式，分析了氣固射流不穩(wěn)定性的形成原因，考察了氣固射流壓力脈動(dòng)與射流中氣泡和顆粒團(tuán)運(yùn)動(dòng)行為的關(guān)系，得出以下主要結(jié)論。

（1）對(duì)于顆粒粒徑較小的稠密氣固射流，在重力作用下以及當(dāng)p=0.02MPa，u0=3.18m/s，xp=0.169時(shí)，氣固射流為穩(wěn)定的流動(dòng)模式；當(dāng)p≥0.03MPa，u0≥4.82m/s，xp≤0.168 時(shí)出現(xiàn)氣泡結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定流動(dòng)模式，且氣泡尺度和氣泡產(chǎn)生頻率隨料倉(cāng)壓力的增大而增大。

（2）隨著顆粒粒徑的增大，顆粒間氣體滲透量增大，氣固射流固含率降低，氣固間相互作用增強(qiáng)，噴嘴內(nèi)稠密氣固射流表現(xiàn)為顆粒團(tuán)的不穩(wěn)定模式；改變噴嘴收縮角對(duì)射流不穩(wěn)定模式影響不大，僅對(duì)氣泡和顆粒團(tuán)的產(chǎn)生頻率有一定影響。

（3）稠密氣固射流不穩(wěn)定性形成原因：隨著料倉(cāng)壓力增大，顆粒在噴嘴內(nèi)向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中壓降增加，射流速度增大，射流固含率降低，滲透進(jìn)顆粒流的氣體分率增加，將導(dǎo)致噴嘴內(nèi)氣固相互作用增強(qiáng)，進(jìn)而引起氣固射流不穩(wěn)定。結(jié)果表明加壓料倉(cāng)產(chǎn)生的稠密氣固射流壓力脈動(dòng)主要是由于氣固射流中氣泡及顆粒團(tuán)的產(chǎn)生及演變導(dǎo)致的。

限于篇幅，本文僅對(duì)流動(dòng)性很好的玻璃微珠在二維噴嘴的不穩(wěn)定流動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)研究。在將來(lái)的研究中，可繼續(xù)探索采用不同物性的顆粒在三維噴嘴中的流動(dòng)進(jìn)行研究，使研究結(jié)果對(duì)工業(yè)應(yīng)用更具普適性和直接指導(dǎo)意義。

符號(hào)說(shuō)明

A—— 噴嘴出口截面積，m2

Dp—— 顆粒粒徑，μm

f—— 氣泡和顆粒團(tuán)產(chǎn)生頻率，Hz

Lx—— 氣泡橫向長(zhǎng)度，mm

Ly—— 氣泡縱向長(zhǎng)度，mm

mp—— 噴嘴出口質(zhì)量流量，kg/s

p—— 料倉(cāng)壓力，MPa

p0—— 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，MPa

pi—— 噴嘴內(nèi)瞬時(shí)壓力，kPa

pn—— 噴嘴內(nèi)平均壓力，kPa

Std—— 壓力信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差，kPa

u0—— 稠密氣固射流速度，m/s

xp—— 固含率

α—— 噴嘴收縮角，(°)

ρp—— 顆粒密度，kg/m3

下角標(biāo)

p—— 顆粒