雙組分層水平對(duì)置撞擊流混合器流場(chǎng)特性研究

董 鑫， 周春云， 馮 穎， 張建偉

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

撞擊流(impinging streams，簡(jiǎn)稱IS)概念最早由白俄羅斯科學(xué)家Elperin[1]于1961年提出，由兩股或者多股流量相等的流體相向撞擊，產(chǎn)生一個(gè)高度湍動(dòng)的撞擊區(qū)域，撞擊區(qū)可以極大地促進(jìn)物料混合[2-3]，在萃取、干燥、吸收、氣化等[4-8]方面具有很大優(yōu)勢(shì).

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)和實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)撞擊流混合器內(nèi)流場(chǎng)特性進(jìn)行分析.韋漢春等[9]分析了改變兩噴嘴之間距離對(duì)撞擊流反應(yīng)器速度和湍流動(dòng)能的影響，通過(guò)速度場(chǎng)的變化規(guī)律得出了噴嘴與撞擊面的最優(yōu)距離.李光霽等[10]研究了不同噴嘴結(jié)構(gòu)、不同噴嘴直徑對(duì)撞擊流混合器速度場(chǎng)規(guī)律的影響，通過(guò)速度場(chǎng)的變化規(guī)律得到了混合效果較好的噴嘴結(jié)構(gòu).張珺等[11]利用高速攝影技術(shù)研究了不同噴嘴間距對(duì)開(kāi)放式三股對(duì)撞式撞擊流反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)特性的影響，結(jié)果表明入口雷諾數(shù)和兩噴嘴間距的改變，形成的撞擊面結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變.Ogawa等[12]利用熱線風(fēng)速儀研究?jī)晒缮淞鲗?duì)撞的流場(chǎng)，得到撞擊面空間分布規(guī)律.Rim等[13]使用數(shù)值模擬技術(shù)研究了射流撞擊平板時(shí)撞擊區(qū)的湍流行為，預(yù)測(cè)了流場(chǎng)的平均流動(dòng)特性.楊俠等[14]利用Fluent軟件研究了四噴嘴撞擊流反應(yīng)器和兩噴嘴撞擊流反應(yīng)器的流場(chǎng)特性，對(duì)比了兩種結(jié)構(gòu)在不同工況下的流場(chǎng)變化規(guī)律，結(jié)果顯示四噴嘴反應(yīng)器內(nèi)流體速度梯度、剪切力場(chǎng)均大于兩噴嘴反應(yīng)器.王端等[15]運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)研究了T型撞擊流反應(yīng)器湍流動(dòng)能和流場(chǎng)速度在改變?nèi)肟诹魉俦裙r下的變化規(guī)律，結(jié)果顯示入口流速比相同時(shí)，駐點(diǎn)處湍流強(qiáng)度較強(qiáng).羅燕等[16]以速度均方根差為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)研究了導(dǎo)流螺旋片對(duì)立式循環(huán)撞擊流混合器撞擊區(qū)混合效果的影響，結(jié)果表明不加螺旋片時(shí)混合效果好.張建偉等[17]以速度均方根差為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，使用數(shù)值模擬技術(shù)分析了不同噴嘴夾角下水平三向撞擊流混合器撞擊區(qū)的混合效果，結(jié)果表明當(dāng)夾角為α=60°時(shí)混合最優(yōu).

傳統(tǒng)的撞擊流混合器多是單層同軸對(duì)置結(jié)構(gòu)，只能進(jìn)行一次撞擊混合，本文在傳統(tǒng)的單層水平對(duì)置撞擊流混合器基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)雙層水平對(duì)置撞擊流混合器，物料在雙層反應(yīng)器發(fā)生兩次撞擊(混合)，提高混合效率.研究不同層間距下雙層撞擊流混合器速度場(chǎng)、湍流動(dòng)能、流場(chǎng)流線和流場(chǎng)壓力的分布規(guī)律，通過(guò)速度均方根差和壓力均方根差更準(zhǔn)確地比較不同層間距下混合器混合效果.通過(guò)研究雙層混合器撞擊區(qū)流場(chǎng)特性可以為化學(xué)反應(yīng)體系合成化工產(chǎn)品的微觀混合提供理論性指導(dǎo).

1 模型建立

1.1 物理模型

雙組分層水平對(duì)置撞擊流混合器結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 撞擊流混合器結(jié)構(gòu)

混合器高400 mm，混合器圓筒內(nèi)徑為130 mm，上層噴嘴軸線距離混合器頂端170 mm，4個(gè)噴嘴采用上下兩組對(duì)置安裝，上下兩層噴嘴軸線之間的距離為層間距H，固定上層噴嘴，向下取層間距H=20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm、70 mm和80 mm，共7組工況，4個(gè)噴嘴直徑d=10 mm，取噴嘴對(duì)置間距L=3d=30 mm.

1.2 控制方程

控制方程選用Realizablek-ε模型[17].Realizablek-ε模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型均可用于多射流撞擊式噴嘴湍流流動(dòng)的數(shù)值模擬計(jì)算.Realizablek-ε模型與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的主要區(qū)別是采用了新的湍流黏度公式，這種模型滿足對(duì)雷諾應(yīng)力的約束條件，因此可以在雷諾應(yīng)力上保持與真實(shí)湍流一致，可以修正流體對(duì)置碰撞過(guò)程中彎曲、漩渦和旋轉(zhuǎn)的流線.為簡(jiǎn)化計(jì)算，做如下假設(shè)：(1) 模擬計(jì)算為穩(wěn)態(tài)；(2) 不考慮重力及溫度對(duì)流動(dòng)的流體黏度的影響.

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

(3)

穩(wěn)態(tài)能量輸運(yùn)方程k-ε模型可以表示為

(4)

(5)

式中：μeff=(μ+μt)是湍流有效黏度；S為平均應(yīng)變張量模量；Rε為應(yīng)變率項(xiàng)；αk、αε是逆有效普朗特系數(shù)；C1ε=1.42，C2ε=1.68.

1.3 邊界條件的設(shè)置

采用三維單精度分離解算器，壓力和速度耦合項(xiàng)采用SIMPLE算法，其余采用二階迎風(fēng)格式，4個(gè)流體入口邊界條件定義為速度入口(velocity-inlet)，出口邊界條件為自由出口(outflow)，其他未設(shè)置的面默認(rèn)為固壁無(wú)滑移光滑界面，液相工質(zhì)為水，層間距H=20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm、70 mm和80 mm共7組工況，4個(gè)噴嘴入口速度均為1.77 m/s.

1.4 網(wǎng)格的劃分與檢驗(yàn)

混合器采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分.為了模擬的準(zhǔn)確性，排除網(wǎng)格影響因素，在層間距H=60 mm這一工況下對(duì)網(wǎng)格數(shù)205 432、222 532、244 315、264 643和286 567進(jìn)行檢測(cè)，選取沿z軸層間距二次撞擊駐點(diǎn)的速度作為檢測(cè)值，結(jié)果如圖2所示.由圖2可以看出：網(wǎng)格達(dá)到244 351后速度保持穩(wěn)定，速度差小于2 %，為縮短計(jì)算時(shí)間，選用網(wǎng)格數(shù)為244 351.

圖2 不同網(wǎng)格數(shù)下z軸層間距中心點(diǎn)處速度

2 結(jié)果與討論

混合效果是衡量混合器性能的重要指標(biāo)，通過(guò)研究不同層間距下混合器內(nèi)速度場(chǎng)、湍流動(dòng)能、流場(chǎng)渦旋和流場(chǎng)壓力的分布規(guī)律，結(jié)合二次撞擊駐點(diǎn)沿軸向(x)方向速度均方根差σ和壓力均方根差σp判定混合器層間距間的混合效果.

2.1 不同層間距下流場(chǎng)的速度分布

圖3為不同層間距下雙層水平對(duì)置撞擊流混合器在xoz平面上速度分布云圖.由圖3可知：兩股高速流體經(jīng)噴嘴射出，在軸向(x)方向首次撞擊產(chǎn)生撞擊駐點(diǎn)，在駐點(diǎn)處形成撞擊面，駐點(diǎn)處速度達(dá)到極小值，且與周圍區(qū)域形成很大的速度梯度，原因是兩噴嘴噴射等量的高速流體在駐點(diǎn)處劇烈撞擊，能量相互抵消消耗，速度急劇減小.在上下兩層駐點(diǎn)處產(chǎn)生的沿z軸方向的射流在兩層噴嘴層間距間發(fā)生二次撞擊，形成新的撞擊駐點(diǎn)和撞擊面.層間距H=20 mm、30 mm、50mm、60mm時(shí)，二次撞擊面流體的速度均勻穩(wěn)定的分布，層間距H=40 mm二次撞擊面流體存在速度梯度.首次撞擊時(shí)產(chǎn)生的沿z軸方向射流存在流向偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，對(duì)比7組工況可知，隨著層間距的增大，二次撞擊后形成的沿軸向(x)方向撞擊面擴(kuò)展量呈先增大后減小的趨勢(shì)，層間距H=40 mm、50 mm形成的撞擊面擴(kuò)展量較大，有利于能量得到釋放；二次撞擊面流體的速度逐漸減弱.當(dāng)層間距H=70 mm和H=80 mm時(shí)，由于距離過(guò)長(zhǎng)，撞擊前損失的動(dòng)能較大，兩股射流相遇時(shí)已無(wú)法形成有效的二次撞擊，而是在阻力的作用下改變運(yùn)動(dòng)方向，轉(zhuǎn)為沿軸向(x)方向流動(dòng).

圖4為不同層間距下沿z軸方向速度分布，二次撞擊駐點(diǎn)為坐標(biāo)(0)點(diǎn).由圖4可知：當(dāng)層間距H=30 mm～80 mm范圍時(shí)，z軸方向速度變化趨勢(shì)相似，速度均表現(xiàn)為在二次撞擊駐點(diǎn)處較小，在駐點(diǎn)上下方沿z軸正(負(fù))方向呈現(xiàn)先增大后減小的對(duì)稱分布，在上下兩層第一次撞擊駐點(diǎn)處存在小范圍的速度波動(dòng)；隨著層間距的增大，二次撞擊駐點(diǎn)的速度從0.7 m/s降低到0.1 m/s.層間距H=20 mm時(shí)速度在z軸呈無(wú)規(guī)律性分布，原因是層間距太小，上下兩股射流能互相影響到對(duì)方首次撞擊駐點(diǎn)位置，速度呈無(wú)規(guī)律分布.

圖3 不同層間距下xoz面速度分布云圖

圖4 不同層間距下速度沿z軸分布規(guī)律

混合理論認(rèn)為分子間相互剪切運(yùn)動(dòng)與微團(tuán)間的相對(duì)速度梯度呈正比關(guān)系，流體間的離散程度越高，混合效果越好，本研究引入速度均方根差σ衡量速度梯度[18]，即速度均方根差σ越大，混合效果越好.σ計(jì)算公式為

(7)

式中：va為平均速度；vi為第i個(gè)點(diǎn)的瞬時(shí)速度；n為總的采樣次數(shù).

(8)

流體的流速與va呈正比關(guān)系，加快流場(chǎng)的循環(huán)速度促使流體由低剪切區(qū)向高剪切區(qū)流動(dòng)，從而有效地加強(qiáng)混合.在二次撞擊駐點(diǎn)位置沿xoy面(0°，45°，90°，135°，180°，225°，360°)方向采集7組數(shù)據(jù)，每組均勻采集80個(gè)不同點(diǎn)的速度vi，計(jì)算所取點(diǎn)的速度均方根差σ(7組數(shù)據(jù)的平均值)和平均速度va(7組數(shù)據(jù)的平均值)，結(jié)果如表1所示.從表1可以看出：層間距H=20 mm增加到H=30 mm速度梯度增強(qiáng)了1.84倍，層間距H=30 mm增加到H=40 mm速度梯度增強(qiáng)了1.12倍；隨著層間距的增加，速度均方根差和平均速度呈先增大后降低的趨勢(shì)；層間距H=40 mm時(shí)速度均方根差和平均速度最大，混合效果最優(yōu).

表1 速度均方根差和平均速度

引入σ=σ1+σ2[19]衡量雙層水平對(duì)置混合器整體的混合性能，σ1表示首次撞擊面的速度梯度，σ2為二次撞擊面速度梯度，傳統(tǒng)單層水平對(duì)置混合器只進(jìn)行一次撞擊混合，整體混合性能為σ1.雙層σ=σ1+σ2>單層σ1，雙層水平對(duì)置混合器整體的混合性能優(yōu)于單層水平對(duì)置混合器整體的混合性能.

2.2 不同層間距下流場(chǎng)的湍流動(dòng)能和流線分布

圖5為雙層水平對(duì)置撞擊流混合器在xoz面上湍流動(dòng)能的分布云圖和流場(chǎng)流線圖.圖6為不同層間距下沿z軸方向湍流動(dòng)能分布，二次撞擊駐點(diǎn)為坐標(biāo)(0)點(diǎn).高湍流動(dòng)能區(qū)域混合效果較好[20].

圖5 不同層間距下湍流動(dòng)能和流線在xoz面上分布情況

由圖5和圖6可以看出：層間距H=20 mm、30 mm、40 mm、50 mm和60 mm時(shí)，5組工況的高湍流動(dòng)能區(qū)域均集中分布在二次撞擊駐點(diǎn)附近，湍流動(dòng)能沿z軸呈單峰分布，曲線在駐點(diǎn)沿z軸正負(fù)迅速下降，形成了較大的湍流梯度，湍流動(dòng)能從二次撞擊駐點(diǎn)向周圍遞減.隨著層間距增大，二次撞擊駐點(diǎn)的湍動(dòng)能呈先增大后降低的趨勢(shì).層間距H=30 mm、40 mm時(shí)湍流動(dòng)能較大，H=30 mm相比于H=20 mm在二次撞擊駐點(diǎn)的湍流動(dòng)能值從0.08 m2/s2增加到0.17 m2/s2；H=50 mm相比于H=40 mm在二次撞擊駐點(diǎn)的湍流動(dòng)能值降低了0.05 m2/s2；層間距H=70 mm、80 mm時(shí)，湍流動(dòng)能在兩層噴嘴層間距之間均勻分散分布，可明顯看出層間距間的湍流動(dòng)能值衰減到0.06 m2/s2以下，較其他工況的湍流動(dòng)能減弱明顯，不利于物料混合.

圖6 不同層間距下湍流動(dòng)能沿z軸分布

流場(chǎng)流線表示流體的運(yùn)動(dòng)軌跡，在二次撞擊駐點(diǎn)處形成的沿軸向(x)方向的射流水平發(fā)展時(shí)，受到上下兩層軸向射流卷吸的影響，在其周圍區(qū)域形成大尺度渦旋結(jié)構(gòu).如圖5所示，兩層噴嘴層間距間渦旋集中分布在二次撞擊駐點(diǎn)周圍，層間距H=20 mm、60 mm、70 mm時(shí)在z軸左(右)形成了2個(gè)旋向相反的渦旋，層間距為H=30 mm、40 mm、50 mm時(shí)形成了4個(gè)旋向相反的渦旋環(huán)繞在二次撞擊駐點(diǎn)附近.渦旋會(huì)與周邊流體存在較大的渦量和壓力梯度，形成強(qiáng)烈的渦擴(kuò)散，反過(guò)來(lái)促進(jìn)流體混合，具有渦旋數(shù)量較多的流場(chǎng)更有利于能量的均勻耗散，增強(qiáng)混合效果[21].

2.3 不同層間距下流場(chǎng)的壓力分布

圖7為雙層水平對(duì)置撞擊流混合器在xoz面上壓力的分布云圖.圖8為不同層間距下沿z軸方向壓力分布.

圖7 不同層間距下壓力在xoz面上分布情況

由圖7可以看出：壓力梯度集中分布在首次撞擊駐點(diǎn)和二次撞擊駐點(diǎn)附近，沿z軸呈左右對(duì)稱分布，撞擊面上壓力峰值位于兩次撞擊駐點(diǎn)處，原因是流體在駐點(diǎn)處發(fā)生碰撞，速度方向會(huì)發(fā)生改變，速度變小，靜壓力增加.結(jié)合圖8分析，不同層間距下壓力曲線的整體分布趨勢(shì)大體一致，壓力曲線在首次撞擊駐點(diǎn)沿z軸呈迅速下降后平緩一段距離在二次撞擊駐點(diǎn)處緩慢上升后下降的變化趨勢(shì)，分析其原因在于壓力波動(dòng)存在一個(gè)區(qū)域，當(dāng)靠近撞擊區(qū)域時(shí)壓力波動(dòng)明顯且幅度大，而遠(yuǎn)離撞擊區(qū)域時(shí)壓力波動(dòng)較為平緩，在兩次駐點(diǎn)處壓力達(dá)到峰值，且與周圍流體形成了較大的壓力梯度，層間距H=40 mm時(shí)二次撞擊駐點(diǎn)壓力波動(dòng)幅度最大.二次撞擊駐點(diǎn)的峰值壓力隨著層間距距離增加而降低，層間距H=70 mm時(shí)二次駐點(diǎn)壓力波動(dòng)消失.

圖8 不同層間距下壓力沿z軸分布規(guī)律

流體流動(dòng)時(shí)分子間發(fā)生振動(dòng)，部分流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為振動(dòng)能，流團(tuán)振動(dòng)意味著壓力波動(dòng)，伍沅[22]利用瞬變壓力的均方根差來(lái)描述波動(dòng)強(qiáng)度，壓力均方根差(σp)越大，平均波幅越大，脈動(dòng)越強(qiáng)烈，混合效果越好.σp計(jì)算公式為

(9)

式中：pa為平均壓力；n為總的采樣次數(shù)；pj為第j個(gè)點(diǎn)的瞬時(shí)壓力.

(10)

在二次撞擊駐點(diǎn)位置沿xoy面(0°，45°，90°，135°，180°，225°，360°)方向采集7組數(shù)據(jù)，每組均勻采集80個(gè)不同點(diǎn)的壓力pj，計(jì)算所取點(diǎn)的壓力均方根差σp[14](7組數(shù)據(jù)的平均值)，如圖9所示.從圖9可以看出：隨著層間距的增加，σp呈先降低后增大再降低的趨勢(shì)，層間距H=40 mm時(shí)σp最大，混合效果最優(yōu).

圖9 不同層間距下xoy面上壓力均方根差

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)雙層水平對(duì)置撞擊流混合器流場(chǎng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析了混合器內(nèi)撞擊區(qū)速度場(chǎng)、湍流動(dòng)能、流場(chǎng)流線和流場(chǎng)壓力分布規(guī)律，利用速度均方根差和壓力均方根差考察撞擊區(qū)的混合效果，得到如下結(jié)論：

(1) 上下兩層流體在軸向發(fā)生一次撞擊后沿z軸方向發(fā)生二次撞擊，速度沿z軸正(負(fù))方向呈現(xiàn)先增大后減小的對(duì)稱分布.隨著層間距的增大，二次撞擊后形成的撞擊面擴(kuò)展量呈先增大后減小的趨勢(shì)，二次撞擊面流體的速度逐漸減弱；二次撞擊區(qū)的速度梯度和平均速度呈先增大后減小的趨勢(shì)規(guī)律，層間距H=40 mm時(shí)速度梯度和平均速度均為最大.

(2) 兩層噴嘴層間渦旋和高湍流動(dòng)能區(qū)域均集中分布在二次撞擊駐點(diǎn)附近，湍流動(dòng)能沿z軸呈單峰分布，湍流動(dòng)能從二次撞擊駐點(diǎn)向周圍遞減.隨著層間距增大，二次撞擊駐點(diǎn)的湍流動(dòng)能呈先增大后降低的趨勢(shì).

(3) 壓力梯度集中分布在首次撞擊駐點(diǎn)和二次撞擊駐點(diǎn)附近，撞擊面上壓力峰值位于兩次撞擊駐點(diǎn)處.隨著層間距的增大，壓力均方根差呈先降低后增大再降低的趨勢(shì)，層間距H=40 mm時(shí)壓力均方根差最大.