凹壁面切向射流入射角度對液固兩相流動的影響

摘" " " 要：為研究凹壁面切向射流的入射角度對離散顆粒行為的影響，以立式圓筒體為主要結構，分析圓形壁面射流液固兩相流動。運用數值模擬對離散顆粒運動軌跡、顆粒分布、壓力、切向速度、停留時間等參數進行分析計算。結果表明：入射角度增加，離散顆粒擴散角收縮，β = 0°時離散顆粒擴散角為5.0°，β = 45°時擴散角僅為1.5°。隨著入射角度的增加，入口處靜壓力和顆粒切向速度分布變化不大，但粒徑小于0.4 mm顆粒的最大和最小停留時間明顯下降。該研究提供了液固兩相凹壁面切向射流中顆粒行為影響的基礎數據，為相關設備的結構設計提供參考。

關" 鍵" 詞：液固兩相；凹壁面切向射流；入射角度；離散顆粒；擴散

中圖分類號：O358" " " " " 文獻標識碼： A" "文章編號： 1004-0935（2024）04-0540-05

液固兩相旋流流動的研究方向主要是通過設計和優化設備的內部結構及其內部部件的尺寸實現更高的分離效率[1]。王志斌[2-3]等發現固體顆粒在分散相中的運動軌跡是隨機的，這歸因于固體顆粒的不均勻尺寸、旋風分離器不同結構參數的設置以及流體流動特性等因素。

張春財[4]等通過實驗研究了不同入射角度二維流場特性的影響，得到了不同入射角度下壓力和最大流速的分布規律。李少華[5]等使用粒子圖像測速法（PIV）測量內部霧化流場，并將入口更改為" " "4個30°、45°、-30°、-45°不同的角度來分析內部流場。曹麗英[6]等通過設置3種物料入射角度，得到當入射角為45°時，分離裝置的篩分效率最高。舒志濤[7]等研究了高速射流對物體的影響，分析了改變入射角度、入口布置和入口形狀設計對內部流場特性和傳熱性能的影響，發現入口的設計結構是改變流場特性的重要因素。梁高翔[8]等研究發現，噴孔傾角和供氣壓力的增加會影響氣流速度和旋轉特性。當噴孔傾角超過70°后，噴孔角度對速度的影響逐漸減弱。姚康鴻[9]等通過實驗探索了15°、20°和25°不同擴張角射流入口的霧化性能，詳細分析了錐角和粒徑對霧化性能的影響。實驗結果表明，霧化性能的變化受擴張角影響不明顯。杜慧娟[10]等探討了旋風分離器分離性能受入口收縮角的影響，發現隨著入口收縮角的增大，旋風分離器中的切向速度和作用在顆粒上的離心力也隨之增大。董瑞" 超[11]等發現分離器內最大切向速度隨著入口管彎曲角度的增加而增大。WASILEWSKI[12]等分析了入口管彎曲角度對旋風分離器的影響。他們發現彎曲角度對收集效率的影響很小，最大差異僅為3.1%。林家祥[13]等探討了油氣分離效率受入口角度的影響，得出速度越接近切向速度，分離效果越好的結論。WANG[14]等通過改變入射角度研究了旋風分離器的分離效率，得出了隨著入射角度由負到正的變化，分離效率先提高后降低的結論。綜上所述，入射角度對強化射流傳質傳熱性能有重要的影響，是設備結構設計的重要參數。

本團隊提出利用放置在立式圓筒體內壁面的各種入口結構，沿圓筒體內壁切向注入物料，實現凹壁面切向射流流動[15]。現有文獻顯示，目前對于圓筒體凹壁面切向射流的流動特性以及入射角度對離散顆粒行為影響研究較少。為此，本文針對液固兩相凹壁面切向射流流動，以入射角度為主要參數，分析圓筒體內液固兩相流動特性，彌補凹壁面切向射流研究的不足，為實際工程提供結構設計參數選擇的理論指導。

1" 數值模擬

1.1" 物理模型及網格劃分

本文研究的物理模型包括立式圓筒體與射流入口兩部分，如圖1所示。筒體高L0 = 800 mm，直徑D0 = 600 mm，射流入口設置在貼近圓筒體內壁面" z = L0/2水平面上，入口圓截面直徑D = 6 mm，入射角度β定義為射流軸線與水平面之間的夾角。

本文采用網格處理器Gambit軟件進行網格劃分，其中圓筒體部分采用六面體結構化網格，射流入口附近采用四面體非結構化網格并進行局域加密。經過網格無關性分析，利用網格數量為571 625進行數值模擬，如圖2所示，以節約計算資源并保證模擬結果的精確性。

1.2" 計算模型邊界條件設定

本研究利用Realizable k-ε模型對連續相進行數值模擬。該模型較適合計算旋流流動、流動分離和復雜二次流，尤其是能為圓柱形射流的發散比率提供準確的模擬結果[16]。連續相設置為不可壓縮流體水，入口設置為速度入口，入口湍流強度由公式（1）計算得出，湍動強度設置為4.8%。

圓筒體上下截面均設置為壓力出口，壁面為光滑無滑移壁面。采用SIMPLEC算法對壓力-速度耦合進行處理，壓力離散采用Standard。動量、湍流動能和湍流耗散率均采用二階迎風格式進行離散，收斂極限設置為10-5。

利用離散相模型（DPM）計算離散顆粒的運動行為，顆粒受力平衡公式如下：

對于離散相，選擇射流入口截面作為離散顆粒的注射源，壁面邊界條件設置為反射，圓筒體頂部和底部橫截面設置為逃逸。顆粒為固體實心球體，骨架密度為2 250 kg·m-3，粒徑范圍0.20～0.48 mm，顆粒直徑采用Rosin-Rammler分布函數。基于連續相和離散相的特點，本文對離散顆粒做如下假設：離散顆粒為剛性球體，沒有形狀或質量變化；顆粒與設備內壁彈性碰撞。

2" 結果與討論

為了研究入射角度對連續相及顆粒的影響，本文取Re = 14 400工況，研究入射角度β 為 0°、7.5°、15°、22.5°、30°、37.5°和45°條件下，射流入射角度對離散顆粒行為的影響。

2.1" 入射角度對離散顆粒運動軌跡的影響

為了研究入射角度對顆粒軌跡的影響，圖3（a）對β = 15°條件下離散顆粒運動軌跡分布進行分析。可以看出，由于存在入射角度，軌跡上邊界與水平面形成一定角度。沿筒體周向顆粒軌跡呈發散狀態，測得β=15°時擴散角為3.0°。圖3（b）為β=15°時下出口截面上顆粒分布，可以看出在入口θ = 30°出現顆粒，在θ 在 30°～261°范圍內顆粒呈現由多到少分布狀態，在θ在90°～180°范圍徑向擴展最大。

圖4對不同入射角度條件下，95%的顆粒展向擴散角和下出口截面上周向角分布范圍進行分析，結果表明，隨著入射角度的增加，離散顆粒周向行程縮短，展向擴散收縮，擴散角減小，在下截面出口分布更集中。

2.2" 壓力場分析

圖5分析了入射角度β=15°時射流入口截面上的壓力分布。可以看出，入口外側壓力高于入口內側，入口下側高于入口上側壓力。分析其原因在于，重相顆粒在離心力作用下向壁側靠攏，在重力作用下向下側靠攏，顆粒在靠近壁面的下部分布更多，導致壓力提高。

圖6對入射角度變化的入口截面上壓力的最大最小值進行比較，可以看出，隨著入射角度的增加，射流入口處最大靜壓力呈先增大后減小的趨勢。在入射角度從30°到37.5°時，最大靜壓力發生較大變化，相對降低了38.81%。隨著入射角度變化，入射角度β=7.5°～45°時最小靜壓力變化趨于穩定。當" β = 0°時，最大靜壓力和最小靜壓力相差較小，在" "β = 7.5°～45°時，兩者之間的差值較為穩定。

2.3" 切向速度分析

切向速度是研究液固分離的一項關鍵參數，切向速度產生的離心力是凹壁面切向射流對液固分離的基本前提。β=15°時切向速度隨時間分布如圖7所示。顆粒在入口位置時，其切向速度達到最大值。隨后，顆粒受離心力的作用逐漸脫離射流區域，速度迅速下降。在停留時間為0.2 s時刻，顆粒速度出現突變，其原因在于顆粒與壁面碰撞產生切向速度變化。在0.5 s時刻以后，顆粒切向速度接近0，說明顆粒沿筒壁向下滾動和滑動，幾乎無切向位移。

對顆粒最大和最小切向速度受入射角度影響進行比較，結果如圖8所示。由圖8可以看出，射流入射角度對顆粒切向速度的影響較小。β = 0°時切向速度峰值持續時間最長，β= 45°時切向速度峰值持續時間最短。

2.4" 停留時間分析

在不同射流入射角度下，不同粒徑的顆粒表現出不同的運動規律。研究發現，粒子粒徑與其在筒內停留時間成負相關關系。圖9展示了入射角度對不同粒徑顆粒停留時間的影響。

結果表明，當" 22.5° lt; β lt; 45°時，停留時間對粒徑的敏感性較低；而當0° lt; β lt; 22.5°時，小粒徑顆粒的停留時間顯著增加，尤其是dp = 0.25 mm的顆粒導致流場受到干擾，能量損失加劇。此外，小粒徑顆粒在筒內有一定的滯后效應，部分顆粒不會與內壁面發生碰撞；大粒徑顆粒dp gt; 0.4 mm則在筒內快速分離，并且最先從筒體下出口逃逸。結果表明，隨著入射角度的增加，對小顆粒停留時間的影響越來越顯著，而對大顆粒停留時間幾乎沒有影響。

3" 結 論

本文利用數值模擬對離散顆粒軌跡、粒徑分布、壓力場、切向速度等參數進行分析，研究了凹壁面切向射流不同入射角度對離散顆粒行為的影響，具體結論如下：

1）入射角度對顆粒擴散角的影響較為顯著。離散顆粒擴散角隨入射角度增大而逐漸收縮，而且周向行程逐漸縮短。當β=0°時，離散顆粒擴散角最大，周向行程最長。

2）入射角度增加對入口截面上靜壓分布和顆粒切向速度影響較小。

3）隨著入射角度的增加，對小顆粒停留時間的影響更明顯，對大顆粒dp gt; 0.4 mm停留時間影響" 較小。

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Effect of Incidence Angle of Tangential Jets on

Liquid-solid Two-phase Flow at Concave Wall Surfaces

TIAN Zhiguo， GE Zhongyi， LIU Siyuan， JIANG Can， ZHANG Jing

（School of Mechanical and Power Engineering， Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang Liaoning 110142， China）

Abstract： In order to study the effect of inlet angle of concave-wall jet on the behavior of discrete particles， the liquid-solid two-phase flow of circular wall jet was analyzed with a vertical cylinder as the main structure. Numerical simulation was applied to analyze the discrete particle trajectory， particle distribution， pressure， tangential velocity and residence time. The results showed that the diffusion angle of the discrete particles shrank with the increase of the jet inlet angle， which was 5.0° for β = 0° and only 1.5° for β = 45°. The distribution of inlet static pressure and the particle tangential velocity were less change with the increase of jet inlet angle， but the maximum and minimum residence time of particles with particle size less than 0.4 mm decreased significantly. This study can provide basic data on the effect of particle behavior in liquid-solid two-phase concave-wall jet， and can be referenced by the structural design of related equipment.

Key words： Liquid-solid two-phase; Concave-wall jet; Jet inlet angle; Discrete particles; Diffusion