撞擊流混合器速度場現狀分析的研究進展

(沈陽化工大學 遼寧 沈陽 100142)

一、撞擊流技術基本原理

撞擊流(Impinging Streams，簡稱IS)概念于1961年由白俄羅斯的科學家Elperin 首先提出[1]，撞擊流技術的特點是可顯著強化氣固、氣液、氣氣以及液液系統的熱、質傳遞過程。20世紀70年代中期，以色列的Tamir及其研究團隊對其進行深入的研究[2]，證明撞擊流技術是強化相間傳遞尤其是控制外擴散的傳遞過程最有效的方法之一。撞擊流技術已成功地具體應用于Koppers-Totzek粉煤氣化爐[3]、靜態射流混合器[4]等設備中，撞擊流技術在化學工業等領域的具有廣闊的應用前景。

撞擊流的基本原理是，兩股或多股流體(包括均相或非均相流)沿同軸相向流動撞擊，在撞擊面形成一個高度湍動的撞擊區。由于慣性，一側流體(或流體+粒子)穿過撞擊面滲入反向流，在開始滲入的瞬間相對速度達到極大值；隨后在摩擦阻力作用下減速直到軸向速度衰減為0，又被反向加速撞擊面運動，并如此反復作減幅振蕩運動，直到因粒子間相互碰撞、速度降低等原因被排出系統為止。其結果使流體粒子(或流體+粒子)經歷相間相對速度極高的條件，并延長了在流體中停留時間，使得各相得到良好的混合。撞擊區高度湍動和較大的相間相對速度提供了極佳的傳遞條件，極大地促進了混合，尤其是微觀混合。撞擊原理示意圖如圖1所示：

圖1 撞擊流原理圖

二、撞擊流反應器的速度特性研究

2011年，MatteoIcardi等人使用微觀粒子圖像測速儀(MicroPIV)對微混合器設備的瞬時速度場進行了測量。MicroPIV是一個創新的實驗技術，實現了對微小混合器內部速度場、湍流強度的測量。通過利用PIV測量和數值模擬的方法分析不同流速下撞擊流反應器的內部流場，從而進一步了解反應器的主要混合機理。利用實驗與數值模擬相結合的方法詳細說明流場中湍流的流動及變化，并且其對入口邊界條件有顯著影響。

2012年，張建偉[5]等利用小波變換模極大值方法與分形理論相結合，對撞擊流混合器撞擊區的速度脈動信號進行多重分形分析。得到相應的速度脈動間歇性指數，說明撞擊流混合器內流體流動具有多重分形的特性。

2013年，張建偉[6]等根據實驗測得的速度時間序列，分析了浸沒循環撞擊流混合器的流場時均速度分布狀況，由流場速度大小和方向的規律，將流場劃分為中心區、射流區、過渡區和回流區四個區域。在此基礎上，根據混沌理論，對瞬時速度序列重構相空間，確定該混合器內的流場為混沌流場。

2014年，陳亮[7]等研究了撞擊流在于流體在撞擊區中高的相對速度和高速碰撞可以增強流體的湍流程度,提高傳質系數，從而促進“三傳”的過程。深入介紹了撞擊流在納米材料、結晶、煙氣脫硫、細胞破碎等領域的研究進展和工業應用狀態，并展望了撞擊流工業化的前景。

2015年，朱晨[8]等通過使流體在撞擊面上發生碰撞，產生強烈湍動，增強流體相間混合和傳遞的效果，為反應創造了很好的條件。研究了撞擊流反應器的理論研究和應用進展，并列舉出了幾種具體類型的撞擊流反應器的實例，論述了撞擊流技術的應用前景。

2016年，鄭平[9]等為了研究錐直型和矩形噴嘴對流場的影響，用Fluent軟件對四口對置式撞擊流反應器內部流場進行了三維數值模擬，得到入口截面上速度等值線圖和等壓圖Y方向上X-Y和Y-Z截面的速度分布云圖，然后使用tecplot后處理軟件提取數據,最后利用Origin軟件作出曲線圖并進行比較分析。結果表明:在入口截面上，錐直型噴嘴反應器速度大于矩形噴嘴反應器速度，流動更加穩定；Y軸縱向上，錐直型噴嘴反應器內部流體、動能轉化壓能更加完全;錐直型噴嘴反應器壓力脈動小，流束更加集中，保障了流體擁有足夠能量撞擊。為對置式撞擊流的工業化設計提供了理論依據。

2017年，魯錄義等采用數值模擬的方法研究對置噴嘴撞擊流，分析了撞擊流流場結構，創建了7種不同管徑比的幾何模型，分別為1/3、1/5、1/7、1/10、1/12、1/15、1/20，同時也考察了氣流雷諾數對穩態和非穩態撞擊流穩定性的影響。研究結果表明，撞擊流的穩定性與撞擊流的幾何模型及入口雷諾數有關，撞擊流流場可分為入口區，撞擊區,出口區及漩渦區。對于非穩態工況下，在入口氣流雷諾數一定情況下，管徑比大于1/10的模型都能形成穩定的撞擊流，管徑比小于1/10的模型中撞擊流形成一段時間后都會失效。當管徑比一定時，隨著雷諾數的增大，撞擊流持續時間在減小，變化形式依據不同管徑比而不同。

2018年，黃彬等為了探索撞擊流內液滴碰撞后續發展行為，設計搭建了由激光點光源和高速數碼攝像機構成的高速數碼攝像系統及氣液兩相撞擊流實驗平臺。利用高速數碼攝像系統記錄下同軸對置氣液兩相撞擊流中液滴碰撞導致的融合聚結或二次霧化過程，通過處理記錄下的液滴運動過程圖像，分析了進口液滴粒徑、速度、黏度以及液滴碰撞角度等對撞擊流中液滴碰撞結果的影響規律。

近年來，關于撞擊流設備速度特性的研究取得了很多重要的成果，從最初對撞擊流設備的速度信號的直接分析和表象判斷，進展到對其流場信號的深層次非線性分析及其對現有撞擊流設備結構的日益改進，這些進步都使得人們將撞擊流技術運用到實際的理論基礎和操作經驗得以豐富。

三、前景展望

撞擊流反應器已經應用于混合、燃燒等化工單元操作中，對其內部流場的研究方法也有非線性分析、實驗測量、數值模擬等多種手段。本文中對撞擊流反應器內的湍流場的描述以及分析，為接下來深入闡述撞擊流流場內部的湍流機理和混合效果分析奠定了基礎。通過對撞擊流反應器內流場的基礎研究，為將來撞擊流技術應用于不同領域夯實了基礎。