成 慰，周 萍，馬 驥，夏中衛(wèi)，廖 舟

(1.中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙410083；2.中南大學(xué)流程工業(yè)節(jié)能技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙410083；3.株洲冶煉集團(tuán)股份有限公司，湖南長沙412004)

側(cè)吹氣流穿透深度及氣泡脫離頻率模型實(shí)驗(yàn)

成 慰1,2，周 萍1,2，馬 驥1,2，夏中衛(wèi)3，廖 舟3

(1.中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙410083；2.中南大學(xué)流程工業(yè)節(jié)能技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙410083；3.株洲冶煉集團(tuán)股份有限公司，湖南長沙412004)

通過建立側(cè)吹模型實(shí)驗(yàn)裝置，對側(cè)吹氣體的穿透行為和氣泡的脫離頻率特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。利用高速攝影儀記錄了氣體運(yùn)動過程,并運(yùn)用Matlab圖像處理方法對實(shí)驗(yàn)所得氣體穿透深度和氣泡脫離周期等信息實(shí)現(xiàn)了自動提取。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,通過量綱分析法得出了本實(shí)驗(yàn)側(cè)吹過程中氣體在不同液體溫度、氣體流量條件下的無量綱最大穿透深度的經(jīng)驗(yàn)公式,從而為討論不同條件下側(cè)吹氣液兩相間的反應(yīng)速率以及攪拌強(qiáng)度等問題提供參考依據(jù)。

浸入式側(cè)吹；氣體穿透深度；氣泡脫離頻率；量綱分析

側(cè)吹熔池熔煉廣泛應(yīng)用于鉛鋅冶煉、銻冶煉、吹氣煉銅等冶金工業(yè)領(lǐng)域[1],其側(cè)吹氣體穿透行為以及氣泡脫離頻率特性是影響冶金側(cè)吹工藝的重要因素。它不僅關(guān)系到側(cè)吹爐窯中氣液間的反應(yīng)效率,還決定著側(cè)吹爐窯的安全使用壽命[2]。目前研究者針對冶金側(cè)吹爐的相關(guān)模型實(shí)驗(yàn)主要研究氣泡直徑以及射流行為,如M.Jamialahmadi[3]、韓旭[4]等人發(fā)表過相關(guān)文章,而關(guān)于氣液兩相流中氣體穿透行為以及氣泡脫離頻率特性的研究較少。隨著信息技術(shù)的發(fā)展,對于模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)的提取方法已經(jīng)有了很大的突破,而高效準(zhǔn)確的Matlab圖像處理法[5]就是其中之一。

本文通過對側(cè)吹氣體穿透行為以及氣泡脫離特性的實(shí)驗(yàn)研究,運(yùn)用Matlab圖像處理法提取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),研究氣體流量、液面高度以及液體溫度對氣體穿透深度和氣泡脫離頻率的影響規(guī)律。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過量綱分析方法擬合了浸入式側(cè)吹過程中氣體無量綱最大穿透深度的經(jīng)驗(yàn)公式,從而為側(cè)吹熔煉爐的設(shè)計(jì)與研究提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

側(cè)吹水模型是參照某廠煙化爐爐體原型,依據(jù)相似三定律,按照幾何比例為1：8進(jìn)行設(shè)計(jì)。其模型結(jié)構(gòu)用有機(jī)玻璃制作,實(shí)驗(yàn)氣體選用N2,實(shí)驗(yàn)液體選取水。實(shí)驗(yàn)裝置(見圖1)包括：1)供氣部分。由N2氣罐(氣源)、壓力表、質(zhì)量流量計(jì)、閥門、加熱器、噴嘴組成。2)水模型系統(tǒng)。由容器水、恒溫器組成。3)攝像系統(tǒng)。由高速攝影儀、Na燈光源和計(jì)算機(jī)終端組成。實(shí)驗(yàn)裝置具體尺寸及參數(shù)范圍參見表1。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置連接示意

為了測量氣體在液體中的穿透行為和氣泡脫離特性，利用高速攝影儀拍攝氣體吹入液體過程，并連接至計(jì)算機(jī)終端,利用Matlab軟件進(jìn)行圖像處理,分析氣體的穿透深度和氣泡脫離頻率數(shù)據(jù)。

2 Matlab圖像處理方法

通過高速攝影儀拍攝了水模型中氣液兩相流動過程的數(shù)字圖像,并利用Matlab圖像處理方法提取氣體穿透行為和氣泡脫離特性參數(shù)。其關(guān)鍵是將圖像進(jìn)行二值化處理(如圖2所示),再通過Matlab編寫的程序?qū)⒍祷瘓D像轉(zhuǎn)化為標(biāo)簽矩陣,并對標(biāo)簽矩陣提取圖像特征函數(shù),從而得到氣體穿透行為和氣泡脫離頻率特性參數(shù)。表2和表3分別表示Matlab圖像處理方法所提取的穿透深度H和氣泡脫離頻率f。

圖2 圖像二值化處理前后照片

表2 無量綱氣體穿透深度H/D

表3 氣泡脫離頻率f/Hz

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)王紅一等人的研究[6]可知,本實(shí)驗(yàn)中修正弗勞德數(shù)Fr’lt;50(Fr’=ρgv2/ρ1gD),氣體流態(tài)的變化范圍處于氣體鼓泡流到過渡流之間。本文將從處于流態(tài)變化范圍內(nèi)的氣體穿透行為和氣泡脫離頻率進(jìn)行研究。

3.1 氣體穿透深度

3.1.1 氣體流量對于氣體穿透深度的影響

當(dāng)液體溫度、液面高度相同時,所吹入的N2在不同氣體流量條件下,無量綱平均穿透深度的變化情況如圖3所示。

圖3 氣體無量綱平均穿透深度在不同溫度下隨氣體流量的變化情況

當(dāng)氣體流量較小(如0.5 m3/h)時,氣體吹入液體后主要以單氣泡形式脫離噴嘴,如圖4(a)所示,此時氣體穿透深度主要受限于單氣泡的直徑大小。隨著氣體流量的增大,單氣泡之間會出現(xiàn)融合聚并現(xiàn)象,如圖4(b)所示，這一階段氣體的無量綱穿透深度與氣體流量呈非線性增加的關(guān)系。當(dāng)氣體流量由0.5 m3/h增加至1.875 m3/h時,其穿透深度增加約4D,無量綱穿透深度與氣體流量兩者增量之比約為3.0。隨著氣體流量繼續(xù)增加,氣泡間的融合聚并現(xiàn)象比較明顯,氣泡很少以單氣泡形式脫離,而是以大氣泡或氣團(tuán)形式上升,如圖4(c)所示,此時較大流量的氣體具有更強(qiáng)的慣性力，吹入液體后會產(chǎn)生更大的穿透深度，但無量綱穿透深度的增量與氣體流量的增量之比降低至1.0左右。

圖4 氣泡隨著氣體流量增加時所形成的3種形態(tài)

3.1.2 液體溫度對于氣體穿透深度的影響

在氣體流量等條件一定的情況下,液體溫度對于氣體穿透深度的影響如圖3與表2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)液體的溫度由20℃增加至70℃時,氣體的平均穿透深度增加2.3D。這主要是因?yàn)楫?dāng)液體溫度升高時,液體的粘度隨著其溫度的增加而減小,使得液體對氣體的粘性阻力減小，因而氣體在液體中的穿透深度會增加。同時由于氣體在氣液溫差的作用下會不斷受熱膨脹,氣泡直徑增加,也會使其在液體中的穿透深度增加。

3.1.3 液面高度對氣體穿透深度的影響

圖5表示當(dāng)氣流量為1.2 m3/h,液面高度分別為0.22 m和0.11 m時,其氣體穿透深度隨時間變化情況。由于在此氣體流量時氣泡間的融合聚并作用,使得氣體穿透深度隨時間變化表現(xiàn)為不穩(wěn)定,但氣體穿透深度始終保持在3.6～3.9 D的變化范圍內(nèi)。表4為兩種液面高度下氣體穿透深度平均值。

圖5 氣流量為1.2 m3/h時不同液面高度的穿透深度

表4 兩種液面高度下氣體穿透深度平均值H(Q=1.2 m3/h)

由表4可以看出,液面高度增加1倍時,氣體平均穿透深度相差0.4%。這主要是因?yàn)?實(shí)驗(yàn)的液面高度變化所造成的壓力變化只占大氣壓力的1/100左右,對穿透深度的影響并沒有起到主導(dǎo)作用,所以本實(shí)驗(yàn)中液面高度變化對氣體穿透深度的影響較小。

3.2 氣泡脫離頻率

3.2.1 氣體流量對氣泡脫離頻率的影響

氣泡脫離頻率在不同溫度下隨氣體流量的變化情況見圖6。

圖6 氣泡脫離頻率在不同溫度下隨氣體流量的變化情況

由圖6可看到,當(dāng)液體溫度相同時,隨著氣體流量的增加，氣泡脫離頻率呈非線性減小的趨勢，即氣泡脫離頻率的變化率不斷減小。如圖6與表4所示,在液體溫度相同時,當(dāng)氣體流量由0.5 m3/h增加至2.5 m3/h時,氣泡脫離頻率平均減小13 Hz,呈現(xiàn)非線性減小趨勢。這是因?yàn)楫?dāng)氣體流量較?。ㄈ?.5 m3/h）時,氣泡處于鼓泡流狀態(tài)，如圖4(a)所示。隨著氣體流量逐漸增大至1.2 m3/h時,氣泡呈現(xiàn)過渡流流態(tài)現(xiàn)象，如圖4(b)所示，此時上一個氣泡會因?yàn)橄乱粋€氣泡的卷吸融合作用而不能完脫離,導(dǎo)致氣泡脫離周期增大,氣泡脫離頻率減小。當(dāng)氣體流量繼續(xù)增加至2.5 m3/h時,氣泡過渡流流態(tài)現(xiàn)象變得非常明顯,如圖4(c),此時脫離周期在繼續(xù)增大,氣泡脫離頻率進(jìn)一步減小。

3.2.2 液體溫度對氣泡脫離頻率的影響

在氣體流量等條件一定的情況下，液體溫度對于氣泡脫離頻率的影響如圖4與表3所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)液體的溫度由20℃增加至70℃時,氣泡脫離頻率減小約25%。這主要是因?yàn)楫?dāng)液體溫度較小時，液體運(yùn)動粘度較大。隨著液體溫度升高到時，液體運(yùn)動粘度減小，表面張力減弱，根據(jù)M.Jamialahmadi等人的研究表明[3],此時氣泡生成直徑會增大,而較大體積的氣泡會使得氣泡間更容易出現(xiàn)融合現(xiàn)象，因而氣泡脫離周期增大,氣泡脫離頻率減小。同時,氣體由于受熱膨脹，單個氣泡生成周期變大,這也會使得氣泡脫離頻率減小。

4 無量綱穿透深度經(jīng)驗(yàn)公式的擬合

有研究表明[7-8],氣體的穿透深度與氣體動量通量M、噴嘴直徑D、液體密度ρl、重力加速度g、以及液體粘度η相關(guān),并通過量綱分析法求解得：

式中：Fr’=ρgv2/ρlgD，F(xiàn)r’=M/ρlgD3。本實(shí)驗(yàn)中，噴管直徑為d=0.005 m,ρl=998.2 kg/m3,ρg=1.16 kg/m3。將這些已知數(shù)據(jù)代入式(1),并結(jié)合圖3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn),經(jīng)過換算后擬合代入式(1),得到本實(shí)驗(yàn)氣體無量綱穿透深度數(shù)學(xué)表達(dá)式,如式(2)所示,其中K=3.751,b=0.287, c=0.063。

根據(jù)擬合評價指標(biāo)顯示，均方差MSE=0.108,確定系數(shù)R2=0.950 24,擬合結(jié)果較好。從擬合評價指標(biāo)來看,式(2)可以較好地反映氣體穿透深度與修正弗勞德數(shù)、液體粘度系數(shù)等條件之間的關(guān)系。故本實(shí)驗(yàn)中氣體在不同溫度、氣體流量等條件下的氣體無量綱穿透深度可用式(2)計(jì)算。

5 結(jié)論

本文通過水模型實(shí)驗(yàn),分析了氣體流量、液面高度以及液體溫度對氣體穿透深度和氣泡脫離頻率的影響規(guī)律,如下：1)當(dāng)氣體流量由0.5 m3/h增加至2.5 m3/h時,氣體穿透深度平均增加5 D左右,氣體的無量綱穿透深度與氣體流量呈非線性增加的關(guān)系；當(dāng)液體溫度由20℃增加至70℃時，氣體穿透深度平均增加1.85 D;實(shí)驗(yàn)中液面高度對氣體穿透深度影響不大。2)氣泡脫離頻率隨氣體流量增大而呈非線性減小趨勢,當(dāng)氣體流量由0.5 m3/h增加至2.5 m3/h時,氣泡脫離頻率平均減小13 Hz；當(dāng)液體溫度由20℃增加至70℃時,氣泡脫離頻率平均減小約25%。3)建立了本實(shí)驗(yàn)中氣體無量綱穿透深度與修正弗勞德數(shù)、液體粘度系數(shù)等條件之間關(guān)系式：H/D=3.751 Fr’0.287(ρlD1.5/η)0.347。

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The Experimental Study on the Penetration Behavior and Bubble Departure Frequency of Side-Blowing

CHENG Wei1,2,ZHOU Ping1,2,MA Ji1,2,XIA Zhongwei3,LIAO Zhou3

(1.School of Energy Scienceamp;Engineering,Central South University,Changsha,Hunan 410083,China; 2.Hunan Key Laboratory of Energy Conservation in Process Industry,Changsha,Hunan 410083,China; 3.Zhuzhou Smelter Group Co.,Ltd.,Zhuzhou,Hunan 412004,China)

The experiment of the penetration depth and the departure frequency of the bubbles by using the imaging method and image processing method for the Immersion Side-Blowing model is performed.The dimensionless empirical formula for bubble penetration depth is obtained at different liquid temperature and gas flow rate through the dimensional analysis,providing a reference to discuss the different characteristics,mixing intensity,the reaction rate of the gas-liquid flow and stirring intensity.

Immersion side-blown;Hydraulic model;Air penetration depth;Bubble departure frequency;Dimensional analysis

TF801.3

B

1004-4345(2014)05-0017-04

2014-07-23

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃“863”資助項(xiàng)目(2011AA061003)。

成 慰(1991—),男,碩士研究生,主要從事熱工過程與設(shè)備的數(shù)值仿真研究。

周 萍(1965—),女,教授,主要從事熱工過程與設(shè)備的數(shù)值仿真研究。