擾流型噴槍頂吹管內特殊兩相流流型實驗

熊靚，王華，王仕博，楊濮亦，劉泛函

（昆明理工大學省部共建復雜有色金屬資源清潔利用國家重點實驗室，云南 昆明 650093）

擾流型噴槍頂吹管內特殊兩相流流型實驗

熊靚，王華，王仕博，楊濮亦，劉泛函

（昆明理工大學省部共建復雜有色金屬資源清潔利用國家重點實驗室，云南 昆明 650093）

主要對自主設計的漸縮管、漸擴漸縮管、螺旋管和四孔管進行水-空氣兩相流混合頂吹實驗，并得出了擾流型噴管的管內流型變化規律。實驗通過對可視化特殊噴管內的氣液兩相進行高速拍攝，并調節水與空氣兩相各自的體積流量，獲取不同噴管中出現的特殊流型照片及視頻。實驗結果表明:在表觀氣速和表觀液速變化時，除漸縮管外，其他特殊噴管的流型轉變均有一定規律性；漸擴漸縮管內截面半徑變化較大，易產生環狀-攪拌流，并有典型泡狀流出現，螺旋管由于軸向環流速度的影響，會產生大密度泡狀流并逐漸過渡到有旋流趨勢的環狀流型，特殊結構的四孔管中流型較穩定，短暫出現泡狀流、彈狀流后形成穩定環狀流。四孔管的設計最利于冶金熔爐中柴油-氮氣混合兩相流噴吹，形成的氣泡群中單個氣泡直徑較小，柴油被充分細化打散，渣層中的還原反應更充分，能有效提高柴油對渣層中磁性鐵的還原率。

頂吹；擾流型噴槍；兩相流；混合；流型

Key words:top-blowing；turbulent-spray gun；two-phase flow；mixing；flow pattern

在先進艾薩熔煉體系中，貧化電爐進一步分離銅锍和艾薩渣，使冰銅更多地從磁性鐵中精煉出來。隨著有色冶金行業中對提高能效的要求越來越高，對冶煉工藝的要求也越來越高。電爐噴槍是貧化電爐熔煉體系中的一個核心工藝，其主要功能是將氮氣和燃油輸送入熔融渣層參與反應，從而完成爐渣與冰銅的澄清分離[1]。噴槍中兩相流混合的程度，以及兩相流噴出后對渣層的攪拌效果，能直接影響熔煉效率。兩相流動介質的相界面分布情況[2]，即流型，影響著氣液兩相流的流動特性以及兩相流系統的運動特性[3-5]，對氣液兩相流流型識別的各類研究包括流型識別模擬[6]、格子Boltzmann方法計算[7]、通過算法計算流型轉變準則[8]等不僅是兩相流參數測量的一大研究方向，也是工業生產經濟運行的一個重要技術參數。近年來，除多通道兩相流研究、低重力水平管兩相流流型識別、兩相流熱通量和傳熱傳質通量系數以及兩相流霧化可視化識別流型的研究外[9-12]，微通道內的兩相流研究較多，也包括矩形窄縫通道內的間隙寬度的改變對氣液雙向逆流流型變化影響[13]以及微通道內兩相流流型、應用、傳質類綜述[14-15]等。

國內外有越來越多的研究傾向于優化噴槍和改進噴槍噴嘴結構，以期達到節約能耗的目的。從生產的角度出發，采用氧煤噴槍、旋流式氧煤噴槍以及高爐噴槍斜切[16-18]都有一定的節能效果；從研究的角度出發，T形結構通道內的環狀流兩相分離著重研究了表觀速度和表面張力對采出分率的影響[19-20]，基于傳熱及流動特性優化直立式埋入噴槍內部結構[22]，多組元噴射器的結構性能、實驗及模擬研究[22-24]，錐形、螺旋形水力噴射器以及特殊阻力噴頭設計對兩相流的影響[25-28]。

這些研究中大部分以機理和特性實驗研究為主，結合噴槍結構設計的論文相對較少。為了進一步研究兩相流噴槍結構的優化，本文結合噴槍設計以及流型識別，對各類特殊噴槍的兩相流頂吹實驗進行研究，以便深入了解噴槍結構的改變對液體攪拌的影響。

1 實驗系統及方法

1.1 實驗設備與條件

實驗用頂吹噴管為Y形高透光有機玻璃管，內徑3.5mm，外徑5mm，主管與支管夾角為45°，通過試管架懸掛放置。特殊噴槍為玻璃制品，根據實驗需要分別設計了漸縮管、漸擴漸縮管、螺旋管和四孔管，如圖1所示。通過軟膠皮管連接到Y形玻璃管上形成完整的特殊頂吹噴槍，噴管連接方式如圖2所示。

圖1 特殊噴槍

圖2 噴管連接

實驗主體為多相流流動-傳熱耦合模擬仿真實驗平臺的小型水模型，采用8mm厚高透光有機玻璃制成，尺寸為60cm×40cm×30cm，噴槍垂直懸掛在水模型正上方。實驗用氣泵為HAILEA系列ACO-208型電磁式空氣壓縮泵，水泵為ATMAN系列At-203型潛水泵，流量計為LZB-3型玻璃轉子流量計，為保證拍攝時水模型內光源均勻，水模型后壁外側張貼白紙，采用功率1300W的新聞燈進行照明補償，并使用德國PCO.dimax高速攝像機記錄氣泡群噴吹瞬時照片及短周期運動視頻，最大分辨率為1920×1080像素，最大幀頻為10000幀/s，且1080×1000像素下攝像速度為4502幀/s，快門時間最短1.5μs，佳能5DMarkⅢ數碼單反相機同步拍攝氣泡更長時間的運動狀態并記錄特殊現象。環境溫度穩定在(20±2)℃，實驗在環境大氣壓下進行。

1.2 實驗與測量方法

特殊噴管頂吹兩相流實驗系統布置如圖3所示。氣相支路通過電磁空氣壓縮泵直接抽取，流經控制閥、氣體流量計、止回閥后進入實驗噴槍，單相止回閥能防止液體回流入氣路內損壞流量計和氣泵。液路中，采用單循環設計，儲水罐提供液路循環液相，罐體上方開口以處于環境大氣壓，液體流經控制閥、液泵、液體流量計、止回閥后進入實驗用水模型槽內，水模型側下方開口，回流液體經單向止回閥、液體流量計、控制閥后循環進入儲水罐，通過液體流量計和控制閥雙向作用，保持進出液體流量平衡，從而保持水模型中實驗水位基本不變。實驗中所使用到的流量計均為體積流量計，實驗后處理時根據噴管內徑截面換算成所需的表觀氣速νG及表觀液速νL。高速攝像儀拍攝時分辨率為816×600像素，快門時間設置為1ms，正面拍攝水模型內兩相流動狀況；數碼單反相機快門時間設置為0.5ms，最高分辨率為5760×3840像素，主要拍攝實驗臺整體布置、特殊噴管及特殊兩相流流動現象。

2 頂吹兩相流動典型流型

圖3 氣液兩相頂吹實驗系統

在表觀液速νL為1m/s和2m/s時，漸擴漸縮管、螺旋管、四孔管這3種特殊噴管分別有各自的典型代表流型。漸擴漸縮管主要有環狀-攪拌流和泡狀流兩種流型出現；螺旋管出現了密度較大的泡狀流過度到彈狀流直至環狀流的完整流型過度，在此基礎上各流型均有旋流的趨勢；四孔管由于側面開孔的特殊結構，氣液兩相流噴出時的垂直攪拌深度不大，氣泡群主要往水平四周運動，管內流型由泡狀流依次過度到環狀流。由于漸縮管入口內徑為3.5mm，出口內徑接近1mm，在低氣速且表觀液速νL為0.5m/s時，由于管口毛細作用，在液相完全充斥管內并達到一定高度的液柱形成出口壓力前，無法從漸縮管口噴出，且從漸縮管嘴噴出時會迅速形成多個直徑較大的氣泡，隨后氣泡上升，至液面處破裂時對液面的擾動程度也相當劇烈，形成具有一定時間周期的兩相流現象，且隨著νL和νG的改變，管內流型無太大變化。

2.1 漸擴漸縮管

由于設計管段特殊結構，氣液混合兩相流從上端進入管段后管徑迅速擴大，兩相流直接沖擊第一漸擴段下端，形成漏斗形液面，并在管橫截面上出現旋轉趨勢。當表觀液速νL為1m/s時，代表流型為環狀-攪拌流，為包裹著管內壁的環狀流，并在漸擴段至漸縮段處有輕微的攪拌流出現，表觀液速不變的情況下，表觀氣速由0.2m/s變化到1m/s時，出口前漸擴段從有氣泡析出直至較飽滿的環狀流出現，如圖4(a)所示。

當表觀液速為2m/s時，代表流型為典型的泡狀流型，且在低氣速時，泡狀流大多聚集在漸擴段下端，隨著表觀氣速的增加，泡狀流的密度增加至充滿整個管腔，如圖4(b)所示。

2.2 螺旋管

在垂直下降管的基礎上設計出螺旋結構，使氣液混合兩相流從上端進入管段后具有軸向環流速度，流型的出現規律與垂直下降管流型[30]類似。當表觀液速νL為1m/s時，代表流型表現為大密度的泡狀流，而隨著表觀氣速的增加，圖5(a)表明在噴管出口處，小氣泡逐漸合并成大的彈狀氣泡繼而形成大密度彈狀流。

在表觀液速較大時，管內主要以環狀流流型出現，由于液相體積分數較大，雖有彈狀氣泡出現，但氣泡形態均較細長，且在出口直管處能明顯看到由軸向環流速度帶來的旋轉環狀流現象[圖5(b)]，同時由數碼單反相機記錄到的視頻中顯示，從螺旋噴管噴出的兩相流氣泡群呈旋轉向下運動趨勢。

圖4 表觀氣速（νG）變化時漸擴漸縮管內流型

2.3 四孔管

四孔管結構是出于冶金行業熔煉需求設計，從噴管噴出的兩相流氣泡群具有較大的橫向攪拌半徑，同時縱向攪拌深度較小，以便滿足冶金行業渣層充分攪動但不影響下層沉降金屬的要求。

四孔管在垂直下降管基礎上設計成下方封口，側面開孔，氣液兩相流在管內流動時的垂直速度突變成管孔處的水平速度，具有一定的動力特性，形成橫向攪拌氣泡群。在表觀液速νL為1m/s時，管內流型為穩定環狀流，基本不隨表觀氣速的變化而變化。而當表觀氣速為2m/s時，管內規律出現泡狀流、彈狀流、環狀流（圖6）。

3 實驗結果與分析

3.1 流型轉變

通過大量的實驗數據及照片，在水-空氣兩相流動條件下，繪制不同的結構噴管內的流型轉變圖。圖7所示為漸擴漸縮管流行轉變圖，管內流型以泡狀流和環狀流為主，中間彈狀流和攪拌流極少出現，與垂直下降管流型轉變有明顯區別。

圖5 表觀氣速（νG）變化時螺旋管內流型

圖6 表觀氣速（νG）變化時四孔管內流型

圖7 漸擴漸縮管流型轉變圖

圖8 螺旋管流型轉變圖

螺旋管與垂直下降管流型變化基本相似，如圖8所示。螺旋管內形成的高密度泡狀流中單個氣泡形態較大，比較接近彈狀流。攪拌流過渡層較寬，這是由于螺旋管的軸向環流速度導致兩相流旋轉趨勢，從而形成不太穩定的環狀流伴隨攪拌流出現。

四孔管底部封閉，側面底部均勻開四孔，流型基本上相對穩定，在低液速時以環狀流為主，較高液速下泡狀流和彈狀流依次出現，但隨著表觀氣速的上升會很快過度到環狀流，如圖9所示，管內基本不出現攪拌流，且兩相流頂吹時四孔管底端晃動幅度很小。

圖9 四孔管流型轉變圖

3.2 特殊噴管管外氣泡群形態

不同形式的擾流型噴槍不僅在管內流型上有很大不同，而且兩相流噴出管外后的氣泡群形態也有很大差異。漸擴漸縮管由于管內截面半徑的變化影響，管口氣泡群大多為梨形形狀，氣泡大頭朝上，且大小分布不均；螺旋管兩相流氣泡群俯視狀態下呈逆時針旋轉，其中大氣泡為扁平形氣泡，小氣泡多為圓形；四孔管管外氣泡群形態十分特殊，從四方側孔線性噴出，垂直于噴管向水平方向噴射，在水平動力速度和浮力作用下弧線上升，如圖10所示，且噴管出口處單個氣泡直徑較小，在上升過程中有氣泡合并生長趨勢；漸縮管管口過細，單個氣泡生長到一定體積后才能脫離管口上浮，管外氣泡群多為大氣泡。

對于冶金行業實際生產理論上來說，四孔管的設計最利于冶金熔爐中柴油-氮氣混合兩相流噴吹入渣層，且形成的氣泡群中單個氣泡直徑較小，柴油被充分細化打散，十分利于渣層中的還原反應進行，能有效提高柴油對渣中磁性鐵的還原率。

圖10 擾流型噴管管內兩相流型與管外氣泡群對比

4 結 論

針對設計出的漸縮管、漸擴漸縮管、螺旋管和四孔管這4種不同結構特殊噴槍，經過大量的兩相流混合頂吹實驗及數據分析，在兩相流頂吹過程中，不同結構噴管內的流型轉變有著各自的轉變規律，具體結論如下所述。

（1）由于漸縮管出口管徑過小，液相堆積形成一定高度液柱后，與氣相一同從管口噴出，并伴隨著較大氣泡的產生，管內無典型流型出現。

（2）漸擴漸縮管結構特殊，混合頂吹兩相流在第一漸擴管段截面半徑突變，易形成對下部漸縮段的水力沖擊，出現漏斗形環狀流，管內流型多以環狀-攪拌流和典型泡狀流為主。

（3）氣液兩相流流經螺旋管時具有軸向環流速度，管內流型由高密度泡狀流過度到彈狀流時且管內易形成具有旋流趨勢的環狀流。

（4）底端封閉的四孔管，氣液兩相混合后只能從側面底孔中噴出，低液速時管內以典型環狀流為主，隨著表觀液速的提高，管內短暫出現泡狀流和彈狀流后形成穩定的環狀流。

（5）根據擾流型噴管管外氣泡群形態及運動軌跡特征，細密度的氣泡群呈弧線上升，四孔管的設計從理論上較利于冶金生產熔池中燃油燃燒效率的提高。

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Experiment study on the top-blowing special two-phase flow patterns in the pipe of turbulent-spray gun

XIONG Liang，WANG Hua，WANG Shibo，YANG Puyi，LIU Fanhan
（State Key Laboratory of Complex Nonferrous Metal Resources Clean Utilization，Kunming 650093，Yunnan，China）

This paper focused on the design of tapered tube，converging diverging tube，spiral tube and the four-hole tube for gas-liquid two-phase flow mixing top-blowing experiments. The variations of flow patterns in the pipe of turbulent-spray gun were obtained. The experiment investigated the high-speed photography through the two-phase mixture of gas-liquid in the visualized special nozzle，the adjustment of volume flow in each phase，and visualization of the special flow patterns in different nozzles. The experimental results showed that the following:the flow pattern transition changed regularly with the changes in superficial gas velocity and superficial liquid velocity in all tubes except for the tapered tube；With the great change in section radius in the converging diverging tube，annular-churn flow could be easily produced，and typical bubble flow could also exist；under the influences of the axial velocity，spiral tube could have a high density of bubble flow pattern and annular flow and slug flow for a short period of time，and then form steady annular flow；the design of four-hole pipe was beneficial to two-phase flow of diesel-nitrogen mixture in metallurgical furnaces，the single bubble formed in this type of tube was smaller in diameter，resulting sufficiently scattered diesel fuel，the reduction reaction of slag layer was therefore more efficient with higher，reaction rate of magnetic iron in diesel.

O 359+.1

A

1000-6613（2014）09-2309-06

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.09.013

2014-03-12；修改稿日期：2014-04-17。

云南省自然科學基金（2013FB020、KKSY201258156）及校企聯合基金（KKK0201352027）項目。

熊靚（1988—），女，碩士研究生，研究方向為多相流傳熱傳質。E-mail echo.xiongliang@163.com。聯系人：王仕博，講師，主要從事冶金過程模擬研究。E-mail 462736327@qq.com。