撞擊流反應(yīng)器撞擊面穩(wěn)定性研究進(jìn)展

張建偉，張一凡，閆宇航，馮穎，董鑫，馬繁榮

（沈陽化工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧沈陽110142）

撞擊流作為一種混合過程強(qiáng)化技術(shù)，因其極高的相間速度、極大的強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)特性，已經(jīng)成功應(yīng)用于眾多化工單元過程中[1]。越來越多的精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)使用撞擊流混合技術(shù)進(jìn)行超細(xì)粉體的制備[2-3]，混合效果和撞擊面穩(wěn)定性直接影響反應(yīng)生成物的粒徑大小，所以近些年關(guān)于撞擊流混合效果和撞擊面的穩(wěn)定性的研究成為重點(diǎn)[4]。兩股射流形成軸向速度最小的面同時(shí)也是湍流強(qiáng)度最大的區(qū)域，即撞擊流撞擊面，其產(chǎn)生的高度湍動(dòng)區(qū)形成大尺度的擬序結(jié)構(gòu)對(duì)能量耗散速度快[5-6]，能夠達(dá)到快速混合的效果。因此，探究撞擊流撞擊面穩(wěn)定性以及流動(dòng)結(jié)構(gòu)，是過程裝備改進(jìn)和新型反應(yīng)器創(chuàng)新的理論基礎(chǔ)。本文從軸對(duì)稱撞擊流和平面撞擊流的流動(dòng)狀態(tài)入手，對(duì)不同結(jié)構(gòu)與流速對(duì)撞擊流穩(wěn)定性的影響進(jìn)行綜述，分析了偏轉(zhuǎn)振蕩的產(chǎn)生條件以及偏移振蕩的變化規(guī)律。根據(jù)穩(wěn)定性對(duì)與外部激勵(lì)對(duì)撞擊流混合性能的影響，設(shè)計(jì)新型動(dòng)態(tài)流速撞擊流反應(yīng)設(shè)備并對(duì)其進(jìn)行展望。

1 撞擊面穩(wěn)定性

1.1 撞擊流裝置及其特點(diǎn)

不同種類的撞擊流裝置撞擊面的變化規(guī)律不同，表1介紹不同種類的撞擊流裝置以及其流動(dòng)特點(diǎn)以及影響撞擊面穩(wěn)定性的因素。

撞擊流的穩(wěn)定性宏觀表現(xiàn)為撞擊面的振蕩與偏移，在整個(gè)撞擊流反應(yīng)器內(nèi)，混合時(shí)間由宏觀混合主導(dǎo)，對(duì)撞擊流的穩(wěn)定性研究也多處于宏觀研究。

表1 撞擊流種類及影響撞擊面穩(wěn)定性介紹

1.2 撞擊面穩(wěn)定性測(cè)量手段

從撞擊流作為強(qiáng)化傳質(zhì)的裝置開始，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者就已經(jīng)注意到撞擊流內(nèi)流型的變化以及混合效果，起初Powell[8]為了簡(jiǎn)化計(jì)算過程，認(rèn)為撞擊流相當(dāng)于一個(gè)噴嘴撞擊位于L/2處的平板上，即關(guān)于撞擊面對(duì)稱的穩(wěn)定的鏡像射流。但是隨著測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，撞擊流流場(chǎng)的鏡面模型學(xué)說并不能解釋撞擊面的變化。由發(fā)現(xiàn)撞擊面變化到探究其規(guī)律，對(duì)撞擊面的穩(wěn)定性的研究有重要意義。表2列出了撞擊面穩(wěn)定性研究進(jìn)程。

從表2 中可以看出，主要的研究方法有HWA、LDV、PDA、PIV 等方式。不同的方法適用條件各不相同，孫志剛等[20]、李偉鋒等[21]運(yùn)用HWA 煙線法探究了氣相撞擊流穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)平面撞擊流的偏轉(zhuǎn)振蕩比較穩(wěn)定。所采用的HWA是一種接觸式測(cè)量技術(shù)，會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生輕微的影響，所以選擇密度小的流體作為介質(zhì)，多作用于不透明流氣體。Kostiuk 等[14]通過LDV 技術(shù)發(fā)現(xiàn)較小的流量差異對(duì)撞擊面兩側(cè)的對(duì)稱性破壞很大，在L=2D 的條件下，微小的噴嘴流量差異使撞擊面偏移0.15D。LDV 技術(shù)相比HWA 優(yōu)點(diǎn)在于非接觸式測(cè)量，對(duì)流場(chǎng)不產(chǎn)生影響，同時(shí)空間分辨率高，更適用于對(duì)撞擊面振幅的測(cè)量。而PDA 與LDV 的差別不大，能夠同時(shí)得到示蹤粒子的速度和粒徑，更適合兩相流的研究。PIV 稱為激光粒子成像技術(shù)，主要是對(duì)平面流場(chǎng)的整體測(cè)量，得到整個(gè)流場(chǎng)的瞬時(shí)速度矢量。與PDA、LDV 相比，測(cè)量精度稍差，更適合對(duì)流場(chǎng)的湍動(dòng)能以及湍流強(qiáng)度進(jìn)行研究，Lindstedt 等[19]就通過該技術(shù)發(fā)現(xiàn)速度矢量在撞擊面處的變化。PLIF 的技術(shù)發(fā)展更適用于撞擊流研究。PLIF 通過熒光強(qiáng)度與濃度的線性關(guān)系，不但能測(cè)得流場(chǎng)濃度、速度、壓力的定量信息，與其他測(cè)量技術(shù)相比，還可以測(cè)得流場(chǎng)的溫度信息，可應(yīng)用于撞擊流的傳熱的研究。在探究撞擊面穩(wěn)定性的同時(shí)，也能研究撞擊面對(duì)整個(gè)流場(chǎng)混合的影響。張建偉等[22]通過探究撞擊面駐點(diǎn)振蕩的規(guī)律發(fā)現(xiàn)駐點(diǎn)振蕩對(duì)混合和傳質(zhì)有促進(jìn)作用，同時(shí)偏移振蕩的振幅與噴嘴間距相關(guān)。流體可視化技術(shù)發(fā)展越來越快，對(duì)撞擊面振蕩的研究也從定性研究轉(zhuǎn)變成定量研究，從發(fā)現(xiàn)撞擊面振蕩到了解撞擊面的振蕩周期與影響因素，對(duì)整個(gè)流場(chǎng)分析以及開發(fā)新型撞擊流裝置具有重要意義[23]。

表2 撞擊面穩(wěn)定性研究進(jìn)程

2 軸對(duì)稱撞擊流反應(yīng)器振蕩規(guī)律

軸對(duì)稱撞擊流反應(yīng)器內(nèi)撞擊面振蕩可以分為兩類，即徑向偏轉(zhuǎn)振蕩和軸向偏移振蕩。在反應(yīng)器內(nèi)，隨著Re的增大，有3種流動(dòng)模式：分離流、振蕩模式、混沌流。Fonte 等[24]采用平面激光誘導(dǎo)熒光（planar laser induced fluorescence，PLIF）技術(shù)對(duì)流動(dòng)狀態(tài)和混合質(zhì)量進(jìn)行研究：當(dāng)Re＜104 時(shí)，兩股等動(dòng)量圓射流相互撞擊，在反應(yīng)器中心部位形成徑向的撞擊面，兩股流體保持相互分離；當(dāng)Re=104時(shí)，流動(dòng)處于傾向振蕩的臨界狀態(tài)；當(dāng)Re＞104時(shí)，李偉鋒等[20-21]研究發(fā)現(xiàn)流動(dòng)變?yōu)榫哂袕?qiáng)混合動(dòng)力學(xué)得到的自持混沌狀態(tài)，并且撞擊面發(fā)生偏轉(zhuǎn)振蕩。這種偏轉(zhuǎn)振蕩的閾值很小，一般150≤Re＜300，并且不同的反應(yīng)器幾何結(jié)構(gòu)都會(huì)產(chǎn)生影響。隨著雷諾數(shù)的不斷增加，逐漸從層流狀態(tài)轉(zhuǎn)化成湍流，從徑向偏轉(zhuǎn)振蕩變?yōu)檩S向偏移振蕩[22]。

2.1 徑向偏轉(zhuǎn)振蕩

對(duì)于軸對(duì)稱徑向偏轉(zhuǎn)振蕩來說，這種振蕩并不規(guī)則。圖1為軸對(duì)稱撞擊流的偏轉(zhuǎn)振蕩臨界值時(shí)濃度場(chǎng)[25]，從圖中可以明確看出當(dāng)雷諾數(shù)從103 變化到104時(shí)，撞擊面產(chǎn)生了變化；隨著雷諾數(shù)繼續(xù)增加，這種變化更加顯著，撞擊面呈S 形扭曲，如圖2。由高速相機(jī)垂直軸向拍攝，可以清晰看到撞擊面隨時(shí)間變化而擺動(dòng)。

研究軸對(duì)稱撞擊流徑向偏轉(zhuǎn)振蕩，從它的振蕩周期和頻率以及產(chǎn)生條件分析，所以引入對(duì)閾值內(nèi)的徑向偏轉(zhuǎn)振蕩周期進(jìn)行量綱分析，得到斯特勞哈爾數(shù)St如式(1)[26-27]。

圖1 軸對(duì)稱撞擊流的偏轉(zhuǎn)振蕩臨界值時(shí)濃度場(chǎng)

圖2 偏轉(zhuǎn)振蕩［25］

式中，f 為徑向偏轉(zhuǎn)振蕩的頻率；D 為噴嘴直徑；u0為噴嘴出口速度。表3 匯總了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)、不同Re下St以及其變化趨勢(shì)。

從 表3 中 對(duì) 比 李 偉 鋒 等[31]、Johnson 等[28-29]、Teixeira 等[30]的實(shí)驗(yàn)結(jié)論可以得出：從St 隨著Re 的增加而增加，但是不同裝置下的St 略有不同，同噴嘴間距下的圓形反應(yīng)器比方形反應(yīng)器的St 大，偏轉(zhuǎn)頻率更高，同時(shí)方形軸對(duì)稱撞擊流的徑向偏轉(zhuǎn)振蕩閾值小于圓形裝置。圓形反應(yīng)器內(nèi)St 隨著噴嘴間距的增加而降低，意味著頻率隨著噴嘴間距的增加而降低，而噴嘴間距越大，頻率變化隨Re 的增長(zhǎng)越不明顯，偏轉(zhuǎn)振蕩行為主要取決于混合室的幾何形狀和Re。隨著Re 進(jìn)一步的增加，徑向的偏轉(zhuǎn)振蕩消失，變?yōu)檩S向偏移振蕩。Li等[25]對(duì)撞擊面偏轉(zhuǎn)震動(dòng)的間歇因子I 進(jìn)行定義［式(2)］：間歇因子在Re=150 時(shí)最小，并隨著Re 的增加而增大，當(dāng)Re=1000時(shí)達(dá)到峰值。

式中，td為偏轉(zhuǎn)振蕩時(shí)間；t0為統(tǒng)計(jì)時(shí)間。

2.2 軸向偏移振蕩

對(duì)于撞擊面駐點(diǎn)振蕩研究方向來說，大多數(shù)都是固定噴嘴間距同時(shí)改變Re 或者出口流量的研究方法，圖3 為噴嘴直徑D 與噴嘴間距L 示意圖。張建偉等[22]采用PLIF 方法對(duì)水平液相撞擊流的軸向偏移進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)撞擊駐點(diǎn)并沒有穩(wěn)定的周期，并且振幅一般集中在0.1D～0.5D。Li等[25]對(duì)小雷諾數(shù)的撞擊流采用時(shí)間的均方根（root mean square，RMS）來表示軸向振蕩程度［式(3)］。

式中，t0為統(tǒng)計(jì)時(shí)間；xi為時(shí)間i 時(shí)撞擊面的位置。

在研究撞擊面駐點(diǎn)軸向振蕩時(shí)，為了方便發(fā)現(xiàn)規(guī)律，通常將其分為三種類型。

圖3 軸對(duì)稱撞擊流

（1）小噴嘴間距（L≤2D） 小噴嘴間距下的湍流對(duì)置撞擊實(shí)驗(yàn)中，撞擊面的位置不穩(wěn)定[32]，當(dāng)兩噴嘴動(dòng)量比為1時(shí)，撞擊駐點(diǎn)也會(huì)發(fā)生一定偏移。所以認(rèn)為，駐點(diǎn)位置并不能完全由動(dòng)量比確定。當(dāng)兩噴嘴動(dòng)量比接近時(shí)，有可能會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)撞擊駐點(diǎn)[33]。在L=2D時(shí)，湍流流場(chǎng)微小的出口流量偏差會(huì)造成撞擊面偏移達(dá)到0.15D[14]。隨著噴嘴間距的增加，撞擊面駐點(diǎn)偏移增加。因此可知，小噴嘴間距的撞擊面易受射流速度的微小變化而波動(dòng)，且徑向射流在不同撞擊面的速度分布具有自相似性，呈高斯分布。

（2）中噴嘴間距（2D＜L≤20D） 通過對(duì)進(jìn)口流量的改變對(duì)撞擊流頻率進(jìn)行調(diào)控，發(fā)現(xiàn)撞擊面振蕩頻率與調(diào)制頻率一致，但是振幅卻與調(diào)制頻率的增大而降低[34]。在同一噴嘴出口速度比下：大噴嘴間距下的偏移量比小噴嘴間距大[35]，當(dāng)噴嘴間距在2D～4D時(shí)，流場(chǎng)不穩(wěn)定，撞擊駐點(diǎn)在噴嘴的對(duì)稱中心附近振蕩。李偉鋒等[36]用氣體介質(zhì)研究撞擊流流場(chǎng)，當(dāng)氣速比不同時(shí)，稱為非對(duì)稱流場(chǎng)，這時(shí)的撞擊面駐點(diǎn)位置相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)流體介質(zhì)為液體時(shí)，撞擊面的振幅在L=3D 時(shí)達(dá)到峰值[37]。當(dāng)噴嘴間距在2D～8D 時(shí)，撞擊面駐點(diǎn)位置對(duì)出口速度變化敏感，同時(shí)，氣速比與撞擊面駐點(diǎn)的偏移呈非線性相關(guān)。當(dāng)噴嘴間距在10D 時(shí)，氣速比是影響撞擊駐點(diǎn)偏移的主要因素，并且氣速的絕對(duì)大小對(duì)撞擊面駐點(diǎn)影響不大。所以在研究中噴嘴間距的撞擊流時(shí)，不可忽略撞擊面的不穩(wěn)定性和偏移規(guī)律。

表3 不同結(jié)構(gòu)下的St與振蕩的Re閾值

（3）大噴嘴間距（L＞20D） 對(duì)稱撞擊中，將整個(gè)反應(yīng)器分區(qū)，一區(qū)為噴嘴附近，二區(qū)為撞擊面附近（約為3D）。因?yàn)閲娮炫c對(duì)稱中心距離很遠(yuǎn)，從噴嘴射出的流體在碰撞之前已經(jīng)達(dá)到充分發(fā)展階段，因此在一區(qū)的流動(dòng)為湍流圓射。隨著遠(yuǎn)離噴嘴，速度逐漸減弱，一區(qū)的湍動(dòng)強(qiáng)度也在不斷減弱。當(dāng)流體撞擊時(shí)，在二區(qū)內(nèi)重新形成高度的湍動(dòng)效果，形成明顯碰撞面需要很大的雷諾數(shù)[38-39]。Fonte等[40]在Re在50～104范圍內(nèi)，整個(gè)流場(chǎng)變?yōu)榫哂袕?qiáng)混合動(dòng)力學(xué)的自持性混沌流狀態(tài)。Stan等[27]對(duì)徑向速度以及撞擊面的擴(kuò)展率進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其在大雷諾數(shù)下（Re＞5000）時(shí)，大噴嘴間距下的徑向射流擴(kuò)展率約為0.17，撞擊流徑向射流的擴(kuò)展率會(huì)隨著噴嘴間距的增加而增加。在動(dòng)量相等時(shí)，撞擊流駐點(diǎn)位于噴嘴軸線中心，大噴嘴間距對(duì)撞擊流駐點(diǎn)偏移量影響甚微。

許建良等[41]對(duì)不同噴嘴下的軸向偏移量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行擬合，得到式(4)。

式中，Δx為撞擊面偏移量；a為氣速比。

對(duì)于偏移規(guī)律，眾多學(xué)者均從對(duì)稱性入手，對(duì)稱軸兩側(cè)的大尺度渦在射流的影響下不斷增大，大尺度渦很不穩(wěn)定，整個(gè)流場(chǎng)失去對(duì)稱性，從而導(dǎo)致兩側(cè)的動(dòng)量不平衡，使撞擊面偏移[42]。Li 等[25]控制進(jìn)口射流流量形成周期性波動(dòng)，觀察到軸對(duì)稱撞擊流的偏移振蕩成周期變化，證明通過控制進(jìn)口流量來調(diào)節(jié)撞擊面的穩(wěn)定性是可行的，尤其是在中噴嘴間距的條件下，出口射流速度與偏移量并不成線性相關(guān)，并且間距在2D～4D時(shí)兩側(cè)進(jìn)口流速不同的時(shí)候撞擊面更加穩(wěn)定。

2.3 徑向射流流動(dòng)特征

撞擊流撞擊后產(chǎn)生的徑向方向上的射流被稱為徑向射流。其直接影響著撞擊流反應(yīng)的穩(wěn)定性與混合效果，因此總結(jié)徑向射流的速度特性對(duì)研究撞擊流穩(wěn)定性有重要意義。李偉峰等[32]采用煙線法對(duì)L=2D 自由撞擊流的湍流強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，湍流強(qiáng)度是湍流脈動(dòng)速度與平均速度的比值，并與自由射流做對(duì)比，發(fā)現(xiàn)徑向射流的湍流強(qiáng)度明顯大于自由射流，湍流強(qiáng)度越高對(duì)微觀混合的促進(jìn)效果越明顯。張建偉等[1]通過對(duì)徑向射流的速度經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行總結(jié)，發(fā)現(xiàn)徑向射流速度受到出口速度、噴嘴直徑、噴嘴間距的影響，速度分布具有自相似性，呈高斯分布。蔣貴豐[5]對(duì)中噴嘴間距下不同雷諾數(shù)的氣體介質(zhì)撞擊流的徑向平均速度以及脈動(dòng)速度進(jìn)行研究，高速湍流的徑向速度平均值約是出口速度的一半，并且撞擊面附近速度梯度大，量綱為1脈動(dòng)速度最大值較小。隨著Re 的增加，撞擊流的宏觀穩(wěn)定性湍流強(qiáng)度增強(qiáng)，徑向射流脈動(dòng)速度以及耗散率都有不同程度的增加。

3 平面撞擊流反應(yīng)器振蕩規(guī)律

對(duì)于平面撞擊流來說，最為常見的是T 形反應(yīng)器，隨著反應(yīng)器結(jié)構(gòu)種類的增加，發(fā)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的撞擊流反應(yīng)器內(nèi)部流動(dòng)模式以及振蕩規(guī)律有所不同[43]，并且發(fā)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)振蕩的存在與結(jié)構(gòu)參數(shù)以及受限壁面有很大關(guān)系，因此了解結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)平面撞擊流穩(wěn)定的影響具有重要意義。平面撞擊流內(nèi)流動(dòng)模式隨著Re 的不斷增加逐漸從分離流、吞噬流到振蕩模式。圖4 為平面撞擊流噴嘴形式。

圖4 平面撞擊流噴嘴截面

3.1 半偏轉(zhuǎn)振蕩

屠功毅[42]在研究新型T形反應(yīng)器時(shí)發(fā)現(xiàn)平面撞擊流存在一種新的振蕩方式，新式T形反應(yīng)器具有更大的上層空間，H值更大，如圖5所示。這種振蕩主要發(fā)生在進(jìn)口噴嘴平面以下，稱為半偏轉(zhuǎn)振蕩。Santos 等[44]研究T 形反應(yīng)器時(shí)提到一種特殊的混沌流動(dòng)狀態(tài)，Sultan 等[45-46]對(duì)T 形反應(yīng)器采用PLIF 方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，稱其為自持混沌流動(dòng)狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)條件為L(zhǎng)/h=6、L/d≥2、Re＞300（L為腔室寬度，h為噴嘴狹縫高度，d為腔室厚度）。但以上兩者均未發(fā)現(xiàn)半偏轉(zhuǎn)振蕩，因此認(rèn)為，不同的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)內(nèi)半偏轉(zhuǎn)振蕩不一定存在，并且半偏轉(zhuǎn)振蕩的Re 范圍應(yīng)處于與分離流與混沌流狀態(tài)之間。屠功毅[42]對(duì)半偏轉(zhuǎn)振蕩進(jìn)行模擬研究，發(fā)現(xiàn)在半偏轉(zhuǎn)周期速度與壓力的變化也呈周期變化，同時(shí)確定半偏轉(zhuǎn)振蕩出現(xiàn)在w/h≥8 和L/h≥6 的平面撞擊流反應(yīng)器內(nèi)，隨著反應(yīng)器深度增加，半偏轉(zhuǎn)振蕩逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠D(zhuǎn)振蕩。

圖5 新型T形撞擊流反應(yīng)器與傳統(tǒng)T形撞擊流反應(yīng)器

3.2 偏轉(zhuǎn)振蕩起止條件

相對(duì)于圓射流撞擊流來說，平面撞擊流偏轉(zhuǎn)振蕩周期更具有規(guī)律性。圖6為平面撞擊流的偏轉(zhuǎn)振蕩過程的一個(gè)完整周期，從圖中可以看出，兩股平面射流撞擊后相互錯(cuò)開，并且方向周期性轉(zhuǎn)變，但是撞擊面的存在并不明顯。

將平面撞擊流內(nèi)振蕩周期進(jìn)行量綱分析，得到式(5)。

式中，f為振蕩頻率；h為噴嘴狹縫高度；u0為噴嘴出口速度。

屠功毅[42]對(duì)平面撞擊流的St進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，變化范圍處于0.015～0.025 區(qū)間內(nèi)，并且主要集中在0.02左右，變化趨勢(shì)隨著Re 增加變化不大，Re≥58 時(shí)，發(fā)生偏轉(zhuǎn)振蕩。

不同的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)所發(fā)現(xiàn)的撞擊振蕩有所不同，屠功毅[42]研究發(fā)現(xiàn)發(fā)生偏轉(zhuǎn)振蕩的量綱為1噴嘴間距為8。不同的反應(yīng)器噴嘴高寬比對(duì)偏轉(zhuǎn)振蕩也有影響：對(duì)比Sultan 等[46]對(duì)T 形反應(yīng)器的研究發(fā)現(xiàn)w/h＜8 時(shí)會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)振蕩，但是與軸對(duì)稱撞擊流不同的是，當(dāng)Re 不斷增加，軸對(duì)稱撞擊流偏轉(zhuǎn)振蕩會(huì)消失，而平面撞擊流在大雷諾數(shù)（Re＞2000）下仍然會(huì)存在偏轉(zhuǎn)振蕩。

3.3 偏轉(zhuǎn)振蕩周期

研究偏轉(zhuǎn)周期，對(duì)比文獻(xiàn)[47-49]結(jié)論，發(fā)現(xiàn)不同出口速度下的偏轉(zhuǎn)周期相差很大，所以首先將偏轉(zhuǎn)周期進(jìn)行量綱為1處理［式(6)］。

式中，T為振蕩平均周期，s；U為出口流體速度，m/s。

大量學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，不同流體介質(zhì)的量綱為1周期相差不大，因此可以確定，不同的介質(zhì)對(duì)偏轉(zhuǎn)周期影響較小。對(duì)頻率影響較大的幾種因素包括：噴嘴間距、出口流體速度、邊界受限程度。

平面撞擊流偏轉(zhuǎn)振蕩周期T 與L/U 成正比關(guān)系，并與出口流體速度成反比，量綱為1 周期見式(7)。

而當(dāng)L＞20h時(shí)，量綱為1周期開始波動(dòng)，平均振蕩周期不規(guī)律。當(dāng)邊界受限程度不斷增加，量綱為1周期呈增大趨勢(shì)[21]。

4 動(dòng)態(tài)雙層撞擊流反應(yīng)器

在撞擊流混合反應(yīng)器中，整個(gè)流場(chǎng)的穩(wěn)定性時(shí)刻影響著撞擊流內(nèi)的混合效果，根據(jù)撞擊流偏移振蕩對(duì)混合的促進(jìn)效果以及外部激勵(lì)對(duì)流場(chǎng)的影響，設(shè)計(jì)一種新型的動(dòng)態(tài)流量撞擊流反應(yīng)裝置，通過改善撞擊面的穩(wěn)定性來提升混合效果。

4.1 動(dòng)態(tài)流量撞擊流反應(yīng)器設(shè)計(jì)原理

圖6 平面撞擊流的偏轉(zhuǎn)振蕩過程［42］

由于高速射流與周圍環(huán)境流場(chǎng)之間存在速度差，在不同流層之間存在分子的碰撞，宏觀體現(xiàn)為黏性應(yīng)力。在黏性力的作用下形成空間尺度、時(shí)間尺度都不甚相同的各種形式的渦旋，這些渦旋形態(tài)呈螺旋狀，中心軸線垂直于撞擊面。環(huán)境流體受渦旋的卷吸、剪切等作用，產(chǎn)生微元運(yùn)動(dòng)形變，形成高湍動(dòng)區(qū)，促進(jìn)了流體流動(dòng)。當(dāng)撞擊流進(jìn)口流速變化而撞擊面產(chǎn)生位移時(shí)，宏觀渦旋之間由于湍流雷諾應(yīng)力的相互作用產(chǎn)生動(dòng)量交換，從而強(qiáng)化了混合性能。Li等[50]對(duì)出口射流采用激勵(lì)振蕩，來增強(qiáng)軸對(duì)稱撞擊流的混合。對(duì)于不對(duì)稱流場(chǎng)來說，張建偉等[51]對(duì)軸對(duì)稱撞擊流不同出口動(dòng)量比下的混合特性進(jìn)行研究，得到靜態(tài)的對(duì)稱撞擊混合效果優(yōu)于靜態(tài)不對(duì)稱撞擊。Tu等[52]研究了T形反應(yīng)器內(nèi)激勵(lì)頻率對(duì)混合器振蕩的影響，研究發(fā)現(xiàn)：激勵(lì)頻率增大，撞擊面振幅減小，當(dāng)激勵(lì)頻率超過10Hz 時(shí)，流場(chǎng)無相應(yīng)。同時(shí)Andreussi 等[53]采用模擬手段研究了脈沖射流對(duì)混合動(dòng)力學(xué)的影響，兩側(cè)射流異向脈沖頻率越接近自持頻率，其混合動(dòng)力學(xué)效果越好，導(dǎo)致大尺度渦周期性產(chǎn)生。劉雪晴等[54]研究的改進(jìn)型撞擊流反應(yīng)器，其單層噴嘴動(dòng)態(tài)流量混合反應(yīng)區(qū)域接近于傳統(tǒng)反應(yīng)器的2倍，新型反應(yīng)器可以實(shí)現(xiàn)更大區(qū)域的混合。

4.2 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

結(jié)構(gòu)如圖7所示，所述反應(yīng)器的兩組進(jìn)料口為同軸對(duì)置。上下進(jìn)料噴嘴直徑D=12mm，進(jìn)料噴嘴層間距L層=48mm。3個(gè)出料口直徑D1=12mm，相互夾角120°，位于雙層進(jìn)料噴嘴中間。噴嘴間距L=3D=36mm，上下?lián)醢寰嚯x最近噴嘴為3D=36mm，上下?lián)醢彘L(zhǎng)度L擋與噴嘴間距L 相同，L擋=36mm。進(jìn)料口上下端設(shè)有弧形換熱擋板。反應(yīng)器內(nèi)有4個(gè)同口徑水平對(duì)置噴嘴同時(shí)供料。反應(yīng)器外部設(shè)置4個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥連接噴嘴，用于調(diào)節(jié)噴嘴流量，流量波動(dòng)可以使撞擊面發(fā)生偏移振蕩，使撞擊駐點(diǎn)可以在預(yù)定范圍內(nèi)大幅低頻振蕩形成動(dòng)態(tài)不對(duì)稱流場(chǎng)，使混合區(qū)域增加，同時(shí)徑向射流相互撞擊形成二次撞擊，強(qiáng)化混合效果。3 個(gè)中心出料口同時(shí)出料，在反應(yīng)器混合均勻度最高的區(qū)域進(jìn)行生成物的提取，避免高混合度物料與低混合度物料混合，降低提取物的混合度?；⌒螕Q熱擋板的特定形狀可以穩(wěn)定撞擊面的振蕩并且使偏轉(zhuǎn)振蕩的臨界雷諾數(shù)可調(diào)，適用于更多工況，提高反應(yīng)器內(nèi)的混合，同時(shí)將反應(yīng)產(chǎn)生的熱量帶走，并將反應(yīng)釜進(jìn)行區(qū)域劃分，使高混合度物料方便提取。在反應(yīng)釜下方開設(shè)循環(huán)出口，將低混合度液體進(jìn)行循環(huán)。

圖7 新型反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

該反應(yīng)器獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，克服了物料撞擊流反應(yīng)通道單一、撞擊面無序振蕩以及無序小渦流消耗能量、高混合度產(chǎn)物與低混合度產(chǎn)物混合降低最終產(chǎn)物的品質(zhì)等缺點(diǎn)，容易安裝，對(duì)物料黏度要求不高，同時(shí)可以進(jìn)行多種物料的混合，換熱板與中間出料口抑制副反應(yīng)形成的條件，也可進(jìn)行循環(huán)混合，方便操作。進(jìn)口的流量波動(dòng)可以控制撞擊面形成周期性偏移振蕩，改善了軸對(duì)稱撞擊流反應(yīng)器的混合效果。不同的流量波動(dòng)對(duì)撞擊面的振蕩影響不同，因此提出一種實(shí)驗(yàn)方案對(duì)不同偏移距離下的混合效果進(jìn)行研究，得出混合效果的最優(yōu)解。

4.3 新型反應(yīng)器混合特性與撞擊面穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

為了探究撞擊面駐點(diǎn)動(dòng)態(tài)偏移過程中撞擊面穩(wěn)定性與濃度場(chǎng)的相關(guān)性，同時(shí)對(duì)比靜態(tài)非對(duì)稱撞擊流的濃度場(chǎng)，設(shè)計(jì)以下實(shí)驗(yàn)。

圖8 PILF實(shí)驗(yàn)裝置

圖9 為Re=10000 時(shí)的預(yù)設(shè)流量圖，其余雷諾數(shù)下波形與之相同。其中圖9(a)、(c)為撞擊面從起始速度小一側(cè)偏移到起始速度大一側(cè)，即撞擊面從右側(cè)到左側(cè)的動(dòng)態(tài)過程；而圖9(b)、(d)則撞擊面從噴嘴速度小一側(cè)偏移到反應(yīng)器中心后又重新回到起始位置的過程，即撞擊面從右側(cè)到中間再返回右側(cè)的過程。

其中圖9(a)、(b)兩流量圖代表著總進(jìn)液量相同，圖9(a)流量的變化呈線性增長(zhǎng)，圖9(b)流量呈折線型。圖9(c)、(d)兩圖的進(jìn)液量相同，圖9(c)流量變化由快到慢，圖9(d)先快后慢再變快，通過比較撞擊面從一側(cè)到另一側(cè)與從一側(cè)到中間再返回的徑向射流的擴(kuò)展率變化規(guī)律以及混合均勻度的變化，探究流形的運(yùn)動(dòng)軌跡變化以及對(duì)混合的促進(jìn)影響。比較圖9(a)、(c)與圖9(b)、(d)兩組，探究相同運(yùn)動(dòng)軌跡不同速度下撞擊面的變化情況與混合效果。對(duì)稱與不對(duì)稱流場(chǎng)的撞擊面擴(kuò)展率進(jìn)行對(duì)比研究，用擴(kuò)展率以及流體運(yùn)動(dòng)軌跡解釋對(duì)稱撞擊下混合均勻度更好。行處理，用CCD 相機(jī)垂直拍攝采集平面，引入平面混合均勻度概念，用τ95表示混合時(shí)間，通過比較4 種流形下的徑向射流的增長(zhǎng)率l*，來解釋不同流型對(duì)撞擊流場(chǎng)以及混合的影響，由此來得到動(dòng)態(tài)撞擊流混合效果的最優(yōu)解。雙層噴嘴撞擊流的徑向射流并不是簡(jiǎn)單的兩個(gè)單噴嘴徑向射流的疊加，它表示了最大的射流增長(zhǎng)率。擴(kuò)展率越高，意味著更高的夾帶率，因此軸向和徑向射流與周圍流體的更好混合。測(cè)量方法是將多個(gè)瞬時(shí)流場(chǎng)速度矢量圖進(jìn)行平均，得到平均速度向量圖。按照平均速度向量圖與實(shí)際尺寸的映射關(guān)系計(jì)算徑向擴(kuò)展率。

5 結(jié)語與展望

對(duì)于撞擊流反應(yīng)器來說，流場(chǎng)的穩(wěn)定性不論是提高混合效率還是開發(fā)新型混合器都極為重要。本文綜述撞擊流反應(yīng)器的撞擊面穩(wěn)定性，總結(jié)了產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)振蕩和偏移振蕩的臨界條件以及影響因素。根據(jù)撞擊面對(duì)混合效果的影響，設(shè)計(jì)一種新型動(dòng)態(tài)雙組撞擊流反應(yīng)器，可以通過調(diào)節(jié)進(jìn)口流量來控制反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)振蕩，穩(wěn)定流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)軌跡，增大混合區(qū)域。利用PIV、PLIF測(cè)試技術(shù)探究動(dòng)態(tài)反應(yīng)器撞擊面流動(dòng)特性及其對(duì)混合的作用機(jī)制。

圖9 d=10mm、起始Re=10000時(shí)4種流量波形圖

本文作者課題組設(shè)計(jì)新型反應(yīng)器過程中發(fā)現(xiàn)，雙層噴嘴的軸對(duì)稱撞擊流反應(yīng)器的層間距也是重要變量，目前對(duì)層間距多是數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)減少上下噴嘴間距可以促進(jìn)混合效果。然而缺少雙層噴嘴不同層間距所特有的流場(chǎng)特性以及混合效果研究。因此，需要對(duì)雙層撞擊流的流場(chǎng)特性進(jìn)一步研究，探究雙層撞擊流反應(yīng)器撞擊面的變化規(guī)律對(duì)混合效果的影響。

撞擊流課題也不僅限于對(duì)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的研究，對(duì)于外加能量，如超聲、高壓、磁場(chǎng)等對(duì)其傳熱傳質(zhì)特性的影響的研究。一套完整的化工操作系統(tǒng)并不是靠某一設(shè)備或某一裝置獨(dú)立完成的，撞擊流課題也一樣。現(xiàn)階段眾學(xué)者通過流體動(dòng)力學(xué)CFD 模擬技術(shù)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，如PIV、PLIF、POD、DMD 等對(duì)流動(dòng)混合機(jī)理的研究，對(duì)于解釋撞擊區(qū)復(fù)雜無序的流動(dòng)機(jī)理有待完善，限制了撞擊流技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用。對(duì)此需要加強(qiáng)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)理論方法的研究，并且可以嘗試建立非線性理論體系或者通過開發(fā)必要的新型實(shí)驗(yàn)技術(shù)及相關(guān)理論基礎(chǔ)，從而來完善撞擊流穩(wěn)定性理論，才能更好地利用撞擊流技術(shù)。