液體連續相撞擊流波動特性的研究進展

趙一峰，李福寶

(沈陽工業大學，遼寧 沈陽 111000)

撞擊流[1]最初是針對氣固體系提出的。在過程工業中，包括化學和石化工業，其中許多過程都是采用液相為連續相，并且這些過程基本上都涉及各種各樣的能量交換和化學反應。由于液體內部微觀粒子間有很強的相互作用系統，致使分子的運動被限制。因此，對于液體微觀混合，只有通過分子擴散才能達到良好的混合效果。對以液體為連續相的撞擊流的研究大致從20世紀50年代后期就已起步，但最初主要是從流體力學角度進行的。自90年代以來，發現其具有有效強化微觀混合的重要特性，對撞擊流領域的研究重點逐漸轉向液體連續相撞擊流(Liquid-continuous Impinging Streams，LIS)。研究LIS的波動特性對LIS的開發和應用具有極其重要的意義。

1 撞擊流性能與其連續相性質的關系

由于氣體分子和液體分子它們之間相互作用力不同，導致它們的物理性質有很大的不同。氣體連續相和液體連續相相比，液體的密度要比氣體的密度大三個數量級，而粘度要大上兩個數量級；從分子擴散的角度來說，氣體分子具有相當大的擴散能力，而液體分子只能在平衡位置附近作位移極其有限的振動。這些性質的不同可以影響到撞擊流的以下性能。

1.1 相間傳遞系數

氣體連續相撞擊流中相間傳遞過程主要是因為在兩向氣體來流相撞時撞擊面處相對速度大，瞬時動能很大，致使氣流中的顆粒滲透進入反向來流內，如此往復，進行震蕩運動。固體或液體可以作為液體連續相撞擊流的分散相。在LIS中，由于液體粘度大，相間傳遞不可能明顯強化。實際上，已有關于鹽溶解的數據[3]證實了LIS沒有明顯的強化傳遞作用。

1.2 兩流體間的相互作用

就撞擊的速度而言，雖然LIS通常比GIS低,但因二者的密度相差三個數量級，所以液體間的動量傳遞要比氣體強烈很多。這種高動量傳遞強度加上液體屬于凝聚體系流體間不可避免的發生劇烈的相互作用，從而使LIS具有明顯的波動特性。

2 液體連續相撞擊流的波動特性

LIS的波動特性包括壓力波動和強速度場。在LIS中，液體微團間進行強烈碰撞、擠壓和剪切進而產生強烈的壓力波動。這種波動證實了流場中流體微觀粒子受到了外力的作用，進而改變了原有的位置和運動軌跡。同時，產生的壓力波動會促進液相間能量的傳遞和轉換。另一方面，LIS場最重要的操作參數是撞擊速度。它決定了參與撞擊流體擁有的動能，進而決定了撞擊流場速度場的大小，對壓力波動有重大的影響。

3 研究進展

早在70年代，Sato[4]等人分別研究了直徑為65.8 mm、高122 mm的玻璃圓柱筒中空氣和水的流速，將流型分為四種，并會繪制了流型邊界圖，測試了柱內的壓力脈動，但只是通過示波器將波形拍攝下來，并沒有對數據進行記錄。此后，Dimenstein和NG[5]對此也進行了壓力波動測量，并且得到了波動的周期。Helwick[6]等人將通過將傳感器與微機相聯，得到了非常詳細的壓力波動數據。對于LIS撞擊流反應器內壓力波動信號的測量，國外Musmara[7]、Verloop[8]、Fan[9]、 Alzahrani[10]和Bi[11]等研究者通過精密壓力傳感器來測量和記錄無規則壓力波動信號，用統計方法來分析壓力信號波動特征以及在流化床中的傳播特征。

在國內，程振民等人[12]建立了一套壓力在線測量系統。得到的結論是：(1)壓力脈動信號的采集速度為97次/秒時即可滿足需要，本測量系統的采樣速度可達686次/s，遠遠高于這一標準。(2)滴流與脈沖流之間存在較強的周期性，該結果與滴流床的觀測結果相差無幾。

孫懷宇等[13]用小波變換方法對浸沒撞擊流反應器中測得的壓力波動信號進行分析。實驗結果顯示，波動能量集中在1 kHz以下的范圍內，通過統計分析能量的空間分布，發現波動強烈區域是關于軸及關于撞擊面對稱的。

王亭杰等[14]對沖擊射流的動壓特性進行了實驗研究。利用壓電傳感器測量了射流中湍流產生的動壓瞬時信號，并用計算機進行了記錄。在不同的流體壓力下，對射流中心軸向位置的壓力信號進行采樣。被測信號具有明顯的周期性特征。通過對動態壓力信號的FFT分析，發現動態壓力信號存在固有頻率。固有頻率隨噴嘴出口射流平均速度的增加而增大，這與理論分析相一致。可以認為射流中的湍流引起流體速度波動，從而產生動態壓力信號。固有頻率對應于湍流射流中的最小渦流尺度。渦流尺度越小，固有頻率越高。出口處的流體速度越高，湍流強度越強。高固有頻率的波動速度產生了強大的剪切力場，使流體快速混合，固體顆粒團聚得到有效的分散。

伍沅[3]在己獲專利基礎上對浸沒循環撞擊流反應器(Submerged Circulative Impinging StreamReactor，簡稱SCISR)[15]中的流場特性進行了深入的研究，得到以下結論:反應器內撞擊區域存在強烈的壓力波動;在一定的實驗條件下，壓力波動的主頻率在1 kHz以下，壓力波動的最大幅值可達到1.38 kPa。

張建偉[16-20]采用多種方法系統的研究了浸沒式循環撞擊流反應器的壓力波動特性。得出了以下結論：(1)混合器撞擊區域壓力波動信號的奇異譜基本呈單峰形。(2)壓力波動的能量值主要集中在1 kHz范圍內。(3)采用不同尺度分析時，波動信號的分析結構形式也會不同。

萬攀[21]等研究了斜槳型下的液體連續相撞擊流反應器，發現反應器內的壓力隨著槳葉轉速的增大而增大，但導流筒的間距對內部撞擊流體的最大速度沒有明顯的影響。

羅燕等[22]利用CFD模擬了液體連續相撞擊流反應器的混合過程，發現反應器內的壓力波動強度與槳葉的傾角和轉速有關。

4 結語

通過上述國內外的研究可知液體連續相撞擊流的波動特性具有重要的研究和應用價值。但由于目前裝置結構的限制，已實驗的撞擊速度還不夠寬，缺少更高撞擊速度下的數據。為了獲得更完整的定性規律，以利于進一步研究能量轉換的定量規律，獲得更高撞擊速度下的波動數據是必要的。

因此，液體連續相撞擊流的波動特性問題迄今還是一個需要繼續深入研究的論題。