撞擊流反應器內渦特性研究進展

張建偉，高偉峰，馮穎，張一凡，董鑫

（沈陽化工大學機械與動力工程學院，遼寧 沈陽 110142）

在石油化工、煤化工等過程工業中，時常伴有混合過程，提高混合效率一直是國內外學者的研究熱點[1]。撞擊流作為一種新型高效的過程強化技術[2-3]，被廣泛用于超細粉體的制備[4]、煤氣化[5]等工業生產中，有著優于傳統同類設備的性能。撞擊流反應器良好的混合特性與速度場、壓力場、渦量場等特性密切相關。近年來，關于流場渦結構特性成為研究熱點。基于此，本文對撞擊流混合性能、渦結構特點以及湍流流場的本征正交分解（POD）分析進行綜述，對優化撞擊流反應器結構、提高反應器混合效果奠定了理論基礎。

1 撞擊流反應器內結構與混合特性

撞擊流（impinging stream）是由蘇聯學者Elperin[6]最初提出構想，其原理如圖1 所示[7]。兩股均相或非均相流體通過噴嘴在反應器中心形成高湍動、高物相濃度的撞擊區，由此強化傳質傳熱。撞擊流反應器內流場分為三個區域：一是噴嘴到撞擊面之間的射流區；二是兩股相向流動的流體發生撞擊稱為撞擊區；三是撞擊后流體由軸向轉為徑向流動，稱為徑向射流區[7-9]。其中，撞擊區內流體的速度梯度大，撞擊駐點附近和徑向射流兩側形成了較大尺度的渦，渦核位置隨時間而發生移動，同時噴嘴附近產生渦量較大的渦。

圖1 撞擊流反應器流場區域[7]

在撞擊流反應器湍流流場內有大量不同尺度的渦旋，大渦旋具有脈動周期長、有效能量大的特點[10]。湍流的混合可分為宏觀混合、介觀混合和微觀混合3個尺度。在撞擊區，渦旋之間發生相互作用，較大尺度的渦分裂成小的渦旋，實現能量傳遞，同時達到宏觀混合。在宏觀混合中，以整個反應器為研究對象，為直觀反映混合效果，常用反應物轉化率[11]、離集指數Xs[12]、離析度（IOS）[13]等參數來表征反應器的混合效果。如圖2所示[14]的混合過程，流體初始進入反應器內混合尚不完全，如圖2(a)所示，此時IOS=0.3；隨著混合的持續進行IOS 進一步降低，混合效果進一步改善，如圖2(b)所示，此刻IOS=0.1；當IOS＜0.05時認為完全混合，如圖2(c)所示，整個過程流場逐漸趨于無序。宏觀混合初期，渦“生長”占主導地位，該過程渦的空間尺寸隨著流向距離的增加而增加，邊界處的流體“深入”到軸向射流內，由于軸向射流的能量輸入使渦的旋轉速度增加，促使渦核及附近流體運輸到渦邊界，從而實現混合。渦把較大的微團剪切成更小的微團，通過小微團界面之間的渦流擴散，直到達到Kolmogorov 尺度時稱為介觀混合[15]。在該尺度下，由于渦旋的運輸作用使微團改變其固有位置，不同組分的流體進行相互纏繞，從而達到混合目的。同時介觀混合尺度下渦的融合作用也不可忽略，渦的融合是渦內部流體對等組合的過程（渦核之間的融合、邊界與邊界融合），其內部流體密度發生變化，同時新形成的渦不斷卷吸周圍流體，整個流場的密度也因此趨于一致。微觀混合是發生短距離的分子擴散，使混合物料分子達到高度均一性的隨機分布。在分析微觀混合時，僅考慮渦旋內的分子擴散，實際上由于撞擊流內小渦旋內黏性切應力占主導地位，速度梯度大，離散作用不可忽略。圖2(a)為撞擊初期，此時兩股流體尚未充分混合，流場內的渦尺度較大；圖2(b)則是兩股流體撞擊一定時間后大尺度渦相互剪切、卷吸產生大量的小尺度渦，使混合效果得到初步改善；撞擊流反應器內的渦由于黏性作用，不斷發生剪切，使反應器內的流體更趨近于無序，如圖2(c)所示，此刻認為達到微觀混合[11,15]。

圖2 撞擊流反應器內混合過程[14]

眾多學者利用不同手段研究實驗參數對撞擊流反應器混合效果的影響，如Lyu 等[16]通過Xs反映T形通道的混合效果，發現大雷諾數對混合有較大影響。Zhang 等[17]發現T 形反應器中的吞噬流階段，隨Re的增大，混合效果也更為理想。表1為實驗參數對混合的影響結果匯總。

從表1可知，流速和流速比是影響混合的重要條件，增大流速可以增加流場的湍動程度，減小撞擊面兩側渦的脫落周期和撞擊駐點振蕩周期，進而加大對整個流場的擾動，從而加速流場的混合。減小流速比可有效改善流場內部的混合效果，尤其是等流速時，使撞擊面保持在反應器中部，通過撞擊面周期的偏轉和渦周期性的生成與脫落，使撞擊面兩側的流體充分接觸進而改善混合。除此之外，反應器的結構尺寸對流場的混合存在影響，噴嘴直徑越小，混合效果越好，L/D=3 時混合效果存在峰值。

表1 實驗參數對混合的影響

總之，在不同的混合尺度下，渦有助于整個流場的混合，可通過渦空間尺度增大的渦運輸作用、渦內部流體對等融合的渦融合作用、撞擊面兩側周期性的渦脫落作用和撞擊區域大尺度渦受剪切力破裂成小尺度渦的渦破裂作用4個方面解釋。

2 撞擊流流場渦特性

在湍流場中存在大量不同尺度的渦，且不同尺度的渦之間存在非線性作用力，這使得湍流流動狀態更復雜[24]。研究人員主要通過模擬和實驗的方法來探究渦結構的復雜性。渦結構特性常常受反應器的結構類型、物料相態和雷諾數的影響，因此，渦結構也呈現出不同的特點。

2.1 撞擊流渦特性實驗

為客觀真實地反映出流場內的渦特性，研究人員通過激光多普勒技術（LDV）、平面激光誘導熒光技術（PLIF）、粒子圖像技術（PIV）等實驗手段對渦形成的位置、渦系的轉變、脫落機理進行研究分析。Zhang 等[25]通過PLIF 研究發現非定常吞噬流中渦合并的振蕩現象顯著改善混合效果。大量研究人員對渦特性進行實驗研究，其研究成果見表2。

表2 渦特性實驗研究發展

三維LDV、PIV技術通過測量流場的速度信號分析渦的運動特性，其優勢為：對一點（或區域）的速度信號持續測量，方便研究渦體速度變化規律。PLIF 技術則是通過濃度信號角度測量流場內的渦特性，尤其適合描述渦對混合的影響以及渦體形態演變過程。通過實驗研究發現撞擊流反應器內最典型的渦是噴嘴兩側產生一對Dean 渦，該渦具有尺度大、對混合效果影響明顯等特點。其原理可以理解為：流體經過噴嘴后因發生撞擊使得流體改變原有的運動方向，形成逆壓梯度，撞擊區域壓力增加、流速降低，流體在離心力作用下轉為徑向擴散，再與反應器壁面撞擊后形成產生二次回流，形成渦對。由于Dean 渦對具有較大的尺度和較高的角速度，其渦核中心的壓力更小，通過卷吸渦邊界流體使其與渦核內部流體充分混合，該區域流場也更趨于無序。同時，流場中渦體之間會發生碰撞、相互卷吸，甚至渦系還會發生變化，渦結構特性更加復雜，也使得流場分析起來較為困難。為此，研究人員利用數值模擬手段進一步對渦特性進行分析。

2.2 撞擊流渦特性數值模擬

歐拉法和拉格朗日法是現階段流場研究的主流方法。拉格朗日方法適用于描述渦結構的產生、演化、消亡。在對渦結構模擬分析時，Haller[34]應用Lyapunov指數法，觀測到三維流動含拉格朗日性質的渦結構。楊越[35]根據渦面場方法，得出渦面場的等值面是由渦線所構成的渦面。同時，渦面場也適用研究高對稱流與壁流動[36]中的渦結構生成與演化過程。拉格朗日方法可以準確描述渦面在轉捩過程中的幾何變形與渦重聯，及其對阻力生成等重要物理過程[37-38]。由于歐拉法獲得的是瞬時場，不涉及時間序列，更適合描述渦的尺度與形態。因此，在分析渦特性時歐拉法被科研人員廣泛接受。典型的有基于渦矢量的渦線識別法；基于特征值的Q判據、Δ 判據、λ2判據、λci判據等識別方法。目前，有多種模擬研究手段對撞擊流反應器流場特性進行研究，如大渦模擬LES、改進直接數值模擬DSMC、格子Boltzmann 方法，研究人員根據研究對象的不同來選擇合適的研究方法，具體見表3。

表3 渦特性模擬研究進展

研究人員通過數值模擬的方式研究流場內的渦特性，得出渦的脫落機理。如圖4所示[44]為渦脫落的3 個部分，其中a 部分流體被吸入并不斷增長形成前脫落旋渦，一部分被輸送的流體b切斷了對流的剪切層環流的供應，而流體c以逆時針循環的方式供給新形成的渦流，且該渦流強度在一段時間內持續加強。并且用來表征渦脫落強度的量綱為1環流強度（Γω,max）隨Re的增大而增大。對流場進行模擬分析利于研究人員直觀了解渦的結構形式，進而方便分析流場與渦的特征。對湍流流場模擬分析時，得到了流場中典型的馬蹄形渦（圖4[40]），其特點是具有較大的尺度、在反應器的邊界產生、運動方向搖擺不定。

圖3 馬蹄形渦結構[40]

圖4 渦脫落機理[44]

2.3 不同種類撞擊流反應器的渦特性

近些年，研究人員發現渦的形成不僅與Re有關，還與反應器的種類、尺寸有很大的關聯度[45]。隨著研究的深入，發現Re對渦度的大小和渦的數量也有影響[46]。通過大量文獻總結出不同類型撞擊流反應器渦結構特性，并對其匯總，見表4。

從表4中可以看出，無論是T形反應器、受限撞擊流反應器還是微小型撞擊流反應器，渦結構特點有幾處共性：①對于湍流來說，隨著雷諾數的增加，撞擊區域變薄，流場的湍動能更大；②針對層流而言，不同結構的撞擊流反應器都有渦發生的臨界值，且臨界值和反應器幾何尺寸有關，隨著Re的增加流場上方出現渦，Re繼續增大，渦的尺度加大，整個過程混合效果逐漸加強。

表4 不同種類撞擊流反應器渦特性的研究進展

2.4 撞擊流反應器多相流渦特性

在撞擊流研究領域中，除液-液相之外，還有氣-液、氣-固等多相撞擊流反應器，研究者首先提出的是以氣體為連續相的撞擊流反應器[56]，液-液撞擊流反應器在20 世紀90 年代后才逐步成為研究熱點。郭棟等[57]對氣-液式撞擊流反應器的流場特性進行數值分析，研究表明由于進口速度的增大使駐點位置產生的渦更多，因此該位置的速度與壓強梯度更大，混合效果也得到顯著改善。Liu 等[58]對氣固兩相流中顆粒旋轉進行數值分析。氣體流動如圖5所示，研究顯示，射流的兩側形成方向相反的氣體旋渦并攜有固體顆粒，這使得顆粒沉積大大減少。撞擊區內的顆粒受相互碰撞和渦的共同作用，顆粒濃度隨氣體入口速度的增加而降低。蔣貴豐等[59]利用本征正交分解（POD）對氣固兩相撞擊流結構進行分析。結果顯示，撞擊流徑向流動形成一對反向旋轉的渦結構。加入固體顆粒后，導致軸向產生脈動結構，平動能向湍動能轉化，大尺度的渦也被破壞成小尺度的湍流結構，同時耗散作用增強。

在多相撞流反應器內，由于多相物性存在差異，相對密度大的粒子會發生沉積，撞擊區域兩側形成具有較大速度梯度反向旋轉的渦，反應器內的大尺度的、高角速度的渦通過卷積作用使發生沉積的粒子再次達到湍動區，強化多相間接觸，即提高粒子的接觸時間和有效碰撞概率；多相撞擊流反應器中存在粒子使原有流場分布規律發生改變，軸向射流部分呈脈動狀態，撞擊面兩側的渦變得更加無序，大尺度的渦破碎也導致規律性渦系結構消失，同時在撞擊駐點附近的渦數量增多，速度、壓力梯度變大，可以強化反應器內混合效果。

3 湍流場的POD模態分析

在湍流流場中，存在不同尺度相干結構、非相干結構和平均流。通過POD 分析捕捉湍流流場的大尺度相干結構[60]，再利用低維動力系統，得到其動力學特性[61]。其優點為通過時間模式替換空間模式，使計算量大幅減少。在分析結果中，占主導地位的模態通常代表流場中較高能量的大尺度結構，其特征值可以表示出該階模態所含能量所占湍動能的比例，也可以是速度場在對應特征空間投影的平均能量[62]。根據Lamotte[63]、Mallor[64]等的研究，在撞擊流反應器內，前4階模態能量比較突出，并且隨階數的增加特征值迅速衰減，湍動能降低。實際流動可視為各界模態以一定權重比在時空域中的組合[65]。Saha 等[66]研究表明隨著模態階數的增加，含能比與變化率不斷降低，其能量比如圖6 所示[67]，高階模態對總動能的貢獻很低，對混合的影響效果很小。因此，在對流場進行POD 分析時，一般重點研究前4階模態。當前，針對射流領域對渦特性的研究主要集中在圓柱射流、平板射流、撞擊射流等形式，POD分析方法在該領域取得了豐碩成果。

圖6 前若干階本征模態函數的能量累積貢獻[67]

3.1 圓柱射流的POD分析

圓柱射流與撞擊流有很大的相似之處，射流在經過圓柱壁面后發生的尾跡擾動，與撞擊流的徑向射流區的流動方式接近。此外，流體在撞擊圓柱后形成的交變尾跡渦使圓柱發生振動。研究人員通過POD 方法對圓柱射流渦特性進行分析，其研究成果詳情見表5。

表5 圓柱射流的POD研究進展

圓柱繞流流場中的渦與撞擊流場的渦相似，同樣具有周期性，在初始射流失穩觸發的情況下，自由射流渦形成了對稱的二次渦結構；不同的是產生的渦周期和渦本身會發生自身撞擊。對撞擊流反應器而言，要優化反應器的結構充分利用二次渦，提高反應器的混合效率。

3.2 平板射流渦特性的POD分析

撞擊流最初被Powell[72]認為是一種鏡像模型，雖沒有關注到兩股相向撞擊流的相互作用，但平板射流部分類似撞擊流的鏡像模型，可通過鏡像模型對平板射流渦特性進行初步研究。使用POD 方法通過捕捉大尺度渦能量分析渦的運動特性、區分渦系結構、探究脫落頻率等。近年來平板射流的POD分析研究進展匯總見表6。

表6 平板射流的POD研究進展

如圖7 所示，1 階模態的渦能量明顯高于2 階模態，渦的尺度也更大。對于不同參數的平板射流而言，渦特征存在一定的共性：一是渦主要發生在噴嘴出口處；二是射流在撞擊平板時會形成一對同向渦。差異性主要體現在不同的Re、Ls/Ds、Hs/Ds的渦系結構和空間形態存在區別。

圖7 弦厚比Ls/Ds=1時，不同雷諾數所對應第1、2階模態[73]

3.3 撞擊流渦特性的POD分析

撞擊流的渦特性復雜多樣，主要受反應器的結構型式（如水平對置、雙層撞擊流反應器等）、研究工況（如Re、L/D）和物料相態（氣液、液液、氣固等）的影響。其中，張建偉等[79]首次采用POD方法對撞擊流混合器內渦量場進行實驗探究，結果如圖8所示，發現1階模態結構宏觀表現為撞擊面兩側大尺度地反向旋轉的一對渦結構，并確定了同種動量比下，L/D=3 時1 階模態能量占比最高，其結果如圖9所示。栗晶等[80]對氣固兩相撞擊流反應器進行POD 分析，發現顆粒的加入使原有的軸向射流中渦的流向尺度增大。

圖8 流場速度矢量圖[79]

圖9 不同L/D下流場能量的變化[79]

為進一步探究反應器結構形式對撞擊流反應器內流場渦結構的影響，張建偉等[10]對雙層撞擊流反應器進行研究。以上下噴嘴雷諾數之比K作為變量，在K=1 時混合效果最好，通過對稱流場發現，L/D=3 時1 階模態占比最高，占總能量的23.9%，其混合效果要優于不對稱場。對稱撞擊優于不對撞擊，原因是對稱射流撞擊后形成的徑向射流速度較大，對下層噴嘴形成的徑向射流速度發展產生促進，產生的渦旋較多，渦旋強度增大，提高混合效率。同時通過POD 方法對速度場進行分解，從能量的角度來表征渦的消散，大尺度渦有更高的強度和能量，在撞擊破裂成小尺度渦后強度和湍動能降低，但此時流場具有較高的脈動特性。隨后，小尺度渦由于流體的黏性作用而發生耗散。

通過對不同結構撞擊流裝置進行模態分析可知，改變反應器結構和噴嘴間距、進口流量都能使1 階模態能量增大，能量占比增加[81]，提高混合效果。

4 目前研究工作進展

對水平對置撞擊流反應器的渦結構進行模擬分析，分別得到徑向Q值（圖10）、渦量ω（圖11）。根據張建偉課題組[79]之前工作可推知，反應器的徑向速度對分布徑向Q值、渦量分布有著較大影響，并且趨勢相同呈雙峰分度。Q值在噴嘴邊緣達到最大，因出口邊緣流體的速度與噴嘴壁面垂直，極易產生渦，因此呈雙峰形式。由于流體噴嘴出口壁面處的剪切力大，進而產生渦強度較大，因此呈雙峰分布，受出口影響導致左峰高于右峰。Y在±30mm附近時，兩股流體在撞擊面撞擊后發生合流，再次出現較大強度的渦。圖12 為不同高度界面過中線沿X方向的分布曲線。從圖中可以看出在撞擊面兩側出現渦量峰值，且在Y=10mm 時渦量最大，沿Y軸向上渦量峰值逐漸減小，說明渦體的能量在持續衰落。但在Y=0mm 處出現大幅度衰落，因為該位置為兩股流體的射流區，兩股流體速度大，削弱了切向力，即產生的渦量也較小。

圖10 徑向Q值

圖11 徑向渦量

圖12 軸向渦量分布曲線

5 結語與展望

從撞擊流反應器的混合機理入手，通過對流場渦特性進行分析，總結出流場內渦的生成條件、影響渦量因素、渦的脫落周期等。再結合三種不同射流形式的POD 模態分析得到了流場內渦的演變規律以及對混合的影響。未來可以在以下幾個方向進一步對撞擊流反應器內的渦特性進行研究。

（1）通過優化反應器結構和改變外部條件來改變反應器內的微觀混合效果。如采用多層、多向流撞擊和加入超聲激勵等，都更有利于流場小尺度渦的形成，從而引發撞擊區域劇烈湍動，強化流場的傳質傳熱的效率。

（2）在對流場進行模擬分析時，可以對網格結構、數學模型等進行優化。反應器的網格質量關系到計算結果的精確度和準確性，良好的網格質量可以減少計算機的計算量同時具有較高的精度。在劃分網格時，結合大數據、智能算法等手段優化網格，可以提高網格的精度和質量，進而提高計算結果的精確度，保證模擬結果的可靠性。再結合PIV、PLIF、VIV等實驗方法來揭示流動混合機理。

（3）對于反應器內的渦結構的形成、長大、消失機理的理解還不夠深刻，限制了撞擊流技術的發展、應用和新型裝置的研發。對此可以嘗試通過非線性分析手段，完善撞擊流的湍流渦特性理論。

符號說明

D—— 噴嘴直徑，mm

D0—— 圓柱直徑，mm

Ds—— 弓形平板直徑，mm

Hs—— 弓形平板高度，mm

h—— 圓柱高度，mm

IOS —— 離析度

K—— 上下噴嘴雷諾數之比

L—— 噴嘴間距，mm

L0—— 行程長度，mm

Ls—— 弓形平板弦長，mm

Q—— 渦強度，s-2

Re—— 雷諾數

t—— 時間，s

Xs—— 離集指數

ω—— 渦量，s-1

Γω,max—— 量綱為1環流強度