邱發(fā)成，徐飛，全學(xué)軍，羅丹，代明星，吳京平（重慶理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶 400054）

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水力噴射空氣旋流器中射流霧化過程模擬及其機(jī)理

邱發(fā)成，徐飛，全學(xué)軍，羅丹，代明星，吳京平
（重慶理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶 400054）

摘要：水力噴射空氣旋流器（WSA）是一種新型高效的氣液傳質(zhì)反應(yīng)設(shè)備。采用雷諾應(yīng)力模型和VOF兩相流模型較好地模擬了WSA的氣相壓降特性、液相回流比和射流霧化過程，并討論分析了霧化過程的機(jī)理。模擬和實(shí)驗(yàn)研究表明，WSA的氣相壓降隨著進(jìn)口氣速的增加先后出現(xiàn)低壓降區(qū)、壓降突跳區(qū)、壓降過渡區(qū)和高壓降區(qū)4個(gè)特征區(qū)域，并給出了不同壓降區(qū)域之間轉(zhuǎn)折點(diǎn)氣速的計(jì)算方法。射流在這4個(gè)壓降區(qū)域里，分別表現(xiàn)為穩(wěn)態(tài)射流、變形與袋式破碎、袋式破碎與剪切霧化和剪切霧化與離心分離等流態(tài)。射流在壓降過渡區(qū)與高壓降區(qū)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)左右實(shí)現(xiàn)充分霧化并達(dá)到最大相間傳質(zhì)面積。研究結(jié)果為建立基于WSA壓降特性的射流霧化與流場(chǎng)調(diào)控方法提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水力噴射空氣旋流器；射流霧化；數(shù)值模擬；壓降特性

2015-07-01收到初稿，2015-09-23收到修改稿。

聯(lián)系人：全學(xué)軍。第一作者：邱發(fā)成（1991—），男，碩士研究生。

Received date: 2015-07-01.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China(21176273).

引　言

液體射流的分裂和霧化是一種在自然界和工程應(yīng)用中大量存在的流體流動(dòng)失穩(wěn)現(xiàn)象，并在航空航天、燃油噴射型內(nèi)燃機(jī)、噴霧干燥、農(nóng)藥噴灑等方面得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。然而，在化工領(lǐng)域的應(yīng)用研究還相對(duì)較少。實(shí)際上，液體射流在氣流場(chǎng)中的破碎霧化可使氣液兩相的接觸面積充分增大，同時(shí)也加快液滴表面的更新頻率，因此射流的氣動(dòng)霧化可以大大強(qiáng)化氣液間傳質(zhì)，是一種很好的氣液傳質(zhì)方式。水力噴射空氣旋流器(water-sparged aerocyclone，WSA)是一種新型高效的氣-液傳質(zhì)設(shè)備，它利用液相射流在氣相三維旋流場(chǎng)中的霧化，形成液體射流與氣體旋流耦合場(chǎng)，同時(shí)又利用旋流場(chǎng)的超重力場(chǎng)作用，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化氣液傳質(zhì)和反應(yīng)的過程[5-6]。WSA在用于廢水脫氨、濕法煙氣脫硫、含Cr（Ⅵ）廢水處理等氣液傳質(zhì)反應(yīng)方面取得了良好的效果[7-8]。WSA強(qiáng)化氣液相間傳質(zhì)的性能主要取決于其內(nèi)部液體射流的氣動(dòng)霧化狀態(tài)。因此，全面分析討論其內(nèi)部射流霧化的過程規(guī)律，對(duì)于設(shè)備內(nèi)部?jī)上嘧饔眠^程的調(diào)控具有十分重要的指導(dǎo)意義。為此，本文采用CFD數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，系統(tǒng)地分析討論了WSA內(nèi)射流霧化過程及其機(jī)理，為其傳質(zhì)過程的優(yōu)化調(diào)控提供理論依據(jù)。

1　幾何模型與數(shù)值模擬

1.1幾何模型

WSA幾何模型以前期研究所獲得的優(yōu)化結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)而建立，其具體尺寸參數(shù)如表1所示，WSA的主筒體側(cè)壁上按正方形排列方式開設(shè)射流噴孔，噴孔直徑為2 mm，噴孔共為6層，總數(shù)為96個(gè)。WSA的幾何模型如圖1所示，為了獲得結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格并節(jié)約計(jì)算資源，模擬時(shí)用邊長為1.772 mm的正方形代替直徑為2 mm的射流小孔。

表1　模擬和實(shí)驗(yàn)用WSA的幾何尺寸參數(shù)Table 1　Geometric parameters of WSA in simulation and experiments

圖1　WSA的幾何模型Fig.1　WSA geometric model

1.2數(shù)學(xué)模型

由于WSA內(nèi)存在著復(fù)雜的氣液三維流動(dòng)，導(dǎo)致相界面強(qiáng)烈的運(yùn)動(dòng)變化，這種兩相流的模擬比較適合采用VOF模型[9-10]。由于湍流輸運(yùn)方向上有較強(qiáng)的各向異性，湍流模型宜采用RSM模型[11-15]。目前廣泛應(yīng)用的RSM模型是對(duì)雷諾平均N-S方程組(Reynolds _Averaged Navier-Stokes Equations，RANS)中的平均雷諾應(yīng)力項(xiàng)進(jìn)行?；玫降睦字Z應(yīng)力輸運(yùn)控制方程[16-17]，并通過求解雷諾應(yīng)力輸運(yùn)方程和耗散率方程使雷諾方程得以封閉。

1.3邊界條件

本工作采用ANSYS FLUENT15.0求解計(jì)算，模擬介質(zhì)為水和空氣。模擬計(jì)算初始化時(shí)，在WSA的底部空間設(shè)置高于底流口65 mm的水柱，以便起到液封的作用。流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算從進(jìn)口截面開始，液相進(jìn)口截面選擇WSA筒體表面上的96個(gè)射流噴孔，氣相進(jìn)口截面選擇矩形進(jìn)口，進(jìn)口的邊界類型選擇速度進(jìn)口(velocity-inlet)，垂直于進(jìn)口截面進(jìn)料，溢流口和底流口邊界設(shè)置為壓力出口(pressureoutlet)。采用的模擬算法是SIMPLE，由于涉及兩相間界面運(yùn)動(dòng)，采用瞬態(tài)計(jì)算，相關(guān)的參數(shù)如壓力離散格式為PRESTO!，壓力的松弛因子為0.3，動(dòng)量的松弛因子0.7，其他設(shè)置保持默認(rèn)。瞬態(tài)計(jì)算的時(shí)間步長為1×10-5，總的模擬時(shí)間約為2.5 s。

圖2　WSA的網(wǎng)格劃分與網(wǎng)格數(shù)對(duì)氣相壓降模擬結(jié)果的影響Fig.2　Meshing of　WSA and effects of grid numbers on simulation results of gas phase pressure drop

1.4網(wǎng)格劃分及無關(guān)性驗(yàn)證

計(jì)算模型的坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在WSA頂蓋的中心軸線上，向下為正。考慮到進(jìn)氣管與筒體連接處的尖銳程度，用GAMBIT 2.4.6分區(qū)生成網(wǎng)格的辦法，不同區(qū)域內(nèi)均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。當(dāng)模型的網(wǎng)格個(gè)數(shù)分別為601452、1345214、3251722時(shí)，以射流速度為1.38 m·s-1時(shí)為例，WSA的網(wǎng)格劃分和壓降的模擬結(jié)果如圖2所示，其值隨進(jìn)口氣速變化的曲線基本一致。因此，以下模擬計(jì)算所采用的網(wǎng)格數(shù)為601452個(gè)。

圖3　不同條件下WSA的氣相壓降與液相回流比的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.3　Comparison between simulated and experimental values of gas phase pressure drop and liquid phase reflux ratio of water-sparged aerocyclone reactor

2　模擬結(jié)果與討論

2.1WSA氣相壓降與液相回流比的模擬

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中最容易測(cè)定的參數(shù)是WSA的氣相壓降和液相回流比，即WSA的溢流口液相流量與液相進(jìn)口流量之比，在不同的射流速度和進(jìn)口氣速條件下，計(jì)算模擬值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比情況如圖3所示。由此可知，模擬值和實(shí)測(cè)值吻合較好，這說明所選擇的模擬模型和方法可以較好地模擬WSA內(nèi)部的流場(chǎng)特性。

2.2WSA的壓降特性及其特征值

如前所述，WSA的氣相壓降隨進(jìn)口氣速的變化過程與其中的射流狀態(tài)或兩相作用狀態(tài)密切相關(guān)。為了深入認(rèn)識(shí)WSA中的射流霧化過程及其機(jī)理，為設(shè)備操作過程的優(yōu)化調(diào)控提供理論依據(jù)，首先需要對(duì)如圖3（a）所示的WSA的氣相壓降變化過程做仔細(xì)的分析討論。如圖3（a）所示，WSA的氣相壓降隨進(jìn)口氣速的變化過程大致可以細(xì)化為低壓降區(qū)、壓降突跳區(qū)、壓降過渡區(qū)和高壓降區(qū)4個(gè)特征區(qū)域。顯然，這4個(gè)壓降特征區(qū)域應(yīng)該對(duì)應(yīng)著不同的射流狀態(tài)，各區(qū)域之間轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的進(jìn)口氣速標(biāo)志著射流狀態(tài)的轉(zhuǎn)化條件。為了比較準(zhǔn)確地找出壓降曲線上各個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的進(jìn)口氣速值，現(xiàn)以各個(gè)區(qū)域內(nèi)壓降穩(wěn)定變化段的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，得出表征各個(gè)壓降區(qū)域變化總趨勢(shì)的直線，各區(qū)域直線之間的交點(diǎn)定義為壓降區(qū)域之間的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。例如，以射流速度為1.38 m·s-1時(shí)，壓降曲線上各區(qū)域轉(zhuǎn)折點(diǎn)的獲得方法，如圖4所示。為討論清楚起見，現(xiàn)以u(píng)gl?j，ugj?t和ugt?h分別表示壓降曲線上壓降由低壓降區(qū)向壓降突跳區(qū)、壓降突跳區(qū)向壓降過渡區(qū)、壓降過渡區(qū)向高壓降區(qū)轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的進(jìn)口氣速。按照?qǐng)D4所示的方法，可求得圖3（a）中各射流條件下的壓降曲線上的各轉(zhuǎn)折點(diǎn)，如表2所示。

圖4　4個(gè)不同壓降區(qū)域之間轉(zhuǎn)折點(diǎn)的確定Fig. 4　Determination of turning points between two adjacent pressure drop areas

表2　不同射流速度下相鄰壓降區(qū)域間的轉(zhuǎn)折點(diǎn)Table 2　Turning point between two adjacent pressure drop areas under different jet velocity

2.3WSA中射流的霧化過程及其機(jī)理分析

圖5是對(duì)應(yīng)于圖3的各射流速度下，并以表2中各壓降區(qū)域的轉(zhuǎn)折點(diǎn)為依據(jù)劃分，得到的WSA處于不同壓降區(qū)域時(shí)其中的射流狀態(tài)與液相水的體積分率分布。由此可見，WSA中的射流在低壓降區(qū)處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)，此時(shí)WSA的液相回流比幾乎為零，如圖3(b)所示。這說明，當(dāng)進(jìn)口氣速ug＜ugl?j時(shí)，WSA中的氣體旋流場(chǎng)還較弱，不足以影響射流的宏觀狀態(tài)。當(dāng)射流處于壓降突跳區(qū)域時(shí)（ugl?j＜ug＜ugj?t），射流由開始發(fā)生偏轉(zhuǎn)、變形，逐漸轉(zhuǎn)化為膨脹、斷裂、破碎的狀態(tài)。并由圖3（b）可知，WSA在此階段的液相回流比急劇升高。這表明，射流在壓降突跳區(qū)域時(shí)，旋流場(chǎng)的強(qiáng)度已經(jīng)具備了破壞射流的能力。尤其是當(dāng)ug＜ugj?t時(shí)，射流表面由于表面波的作用使得大量的表面質(zhì)量被吹脫分離進(jìn)入氣相中，射流中部斷裂為一些液塊，此時(shí)射流應(yīng)該發(fā)生了袋式破碎[18]。當(dāng)射流處于壓降過渡區(qū)時(shí)（ugj?t＜ug＜ugt?h），射流處于破碎和霧化并存的狀態(tài)。這表明，此時(shí)的旋流場(chǎng)強(qiáng)度已較大，不僅可以使射流發(fā)生斷裂、破碎，還可以使破碎的液塊進(jìn)一步細(xì)化為一些液滴，也就是說射流此時(shí)發(fā)生了袋式破碎和剪切霧化[19-20]。當(dāng)射流處于高壓降區(qū)時(shí)（ug＞ugt?h），可以看出，當(dāng)射流剛從噴孔射出即被霧化為大量的液滴，并隨著進(jìn)口氣速的增大，霧化效果越顯著，WSA的空間和中心排氣管中液相的體積分率也較大。這表明，射流在強(qiáng)大的旋流場(chǎng)作用下發(fā)生了剪切霧化[19-20]。可以預(yù)測(cè)，在高壓降區(qū)域，WSA中的射流霧化狀態(tài)已由氣體旋流場(chǎng)完全控制，隨著進(jìn)口氣速增大射流被霧化越充分，但同時(shí)旋流場(chǎng)的離心分離作用也隨之增強(qiáng)，因此當(dāng)進(jìn)口氣速超過某一值時(shí)，空間中的霧滴就會(huì)因離心力而向邊沿分離，同時(shí)射流剛從噴孔中射出就被強(qiáng)大的氣體旋流場(chǎng)充分霧化，形成貼壁霧化的狀態(tài)，反而會(huì)減少相界面積。此時(shí)，液相回流比達(dá)到最大后再出現(xiàn)下降，如圖3(b)中較低射流速度下出現(xiàn)的情況。因此，從氣液相間傳質(zhì)角度看，在WSA的壓降過渡區(qū)和高壓降區(qū)域，射流發(fā)生剪切霧化與液滴離心分離并存，將存在一個(gè)使傳質(zhì)相界面積最大的進(jìn)口氣速范圍。

從氣液相間傳質(zhì)過程看，兩相傳質(zhì)面積最大時(shí)應(yīng)該也是WSA中液相空間體積分布最佳的狀態(tài)。圖6是模擬的不同射流速度下，進(jìn)口氣速處于壓降過渡區(qū)和高壓降區(qū)域轉(zhuǎn)折點(diǎn)附近時(shí)的液相空間體積分率分布。由此可知，在氣速越接近ugt?h時(shí)，液相體積分率分布較前后兩個(gè)氣速條件下的分布具有更均勻的空間分布狀態(tài)。下面將通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定相界面積進(jìn)一步證實(shí)以上推論。

3　傳質(zhì)面積的實(shí)驗(yàn)測(cè)定

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由WSA、液體貯槽、液體循環(huán)泵、風(fēng)機(jī)、篩板式氣液分離器及系統(tǒng)測(cè)試配套的流量計(jì)、U型壓差計(jì)等組成，如圖7所示。其中，WSA、貯液槽和氣液分離器均采用透明的有機(jī)玻璃制成，以便于實(shí)驗(yàn)觀察。實(shí)驗(yàn)測(cè)定的氣相壓降是旋流器進(jìn)氣口與中心排氣管溢流口之間的壓差。

圖5　不同射流速度下射流狀態(tài)與液相水的體積分率分布模擬Fig. 5　Simulation of liquid water volume fraction distribution and jet state at different jet velocities

根據(jù)上述分析和射流霧化模擬的結(jié)果，采用化學(xué)法[21]，實(shí)驗(yàn)測(cè)定了WSA在壓降過渡區(qū)和高壓降區(qū)域內(nèi)氣液相間傳質(zhì)面積隨進(jìn)口氣速的變化，其結(jié)果如圖8所示。由此可以看出，射流在WSA的壓降過渡區(qū)和高壓降區(qū)域霧化后，氣液相間比傳質(zhì)面積隨進(jìn)口氣速的增大的確出現(xiàn)了一個(gè)最大值，較好地證實(shí)了前面的討論分析結(jié)果。觀察圖8所示的曲線發(fā)現(xiàn)，在各個(gè)射流速度下，射流霧化后達(dá)到最大傳質(zhì)面積所對(duì)應(yīng)的進(jìn)口氣速非常接近表2中的ugt?h，即射流霧化并達(dá)到最大傳質(zhì)面積發(fā)生的氣速處于WSA的壓降過渡區(qū)和高壓降區(qū)之間的轉(zhuǎn)折點(diǎn)左右。

圖6　壓降過渡區(qū)和高壓降區(qū)域間轉(zhuǎn)折點(diǎn)附近空間體積分率分布Fig. 6　Distribution of liquid phase volume fraction near turning points between pressure drop transitional zone and high pressure drop zone

4　結(jié)　論

采用雷諾應(yīng)力模型和VOF兩相流模型能夠較好地模擬水力噴射空氣旋流器的氣相壓降特性和液相回流比。模擬和實(shí)驗(yàn)表明，WSA的氣相壓降隨著進(jìn)口氣速的增加先后出現(xiàn)低壓降區(qū)、壓降突跳區(qū)、壓降過渡區(qū)和高壓降區(qū)4個(gè)特征區(qū)域。射流在這4個(gè)壓降區(qū)域里，分別表現(xiàn)為穩(wěn)態(tài)射流、變形與袋式破碎、袋式破碎與剪切霧化和剪切霧化等流態(tài)。相鄰壓降區(qū)域之間的轉(zhuǎn)折點(diǎn)可以通過各個(gè)壓降區(qū)域的穩(wěn)定數(shù)據(jù)線性回歸后求出。射流霧化發(fā)生在WSA的壓降過渡區(qū)與高壓降區(qū)域，并隨著進(jìn)口氣速增大到某一值時(shí)射流霧化達(dá)到最佳狀態(tài)。射流充分霧化并獲得最大相間傳質(zhì)面積的進(jìn)口氣速處于WSA的壓降過渡區(qū)和高壓降區(qū)之間的轉(zhuǎn)折點(diǎn)附近。研究結(jié)果為建立基于WSA壓降特性的射流霧化與流場(chǎng)調(diào)控方法提供了理論依據(jù)。

圖7　實(shí)驗(yàn)流程與WSA裝置Fig. 7　WSA configuration and flow diagram of experimental setup1—U type manometers；2—rotameters；3—valve；4—air pump；5—porous section；6—water-sparged；7—water tank；8—perforated plate gas-liquid separator;9—sample point; 10—circulating pump

圖8　WSA的壓降過渡區(qū)和高壓降區(qū)射流霧化比傳質(zhì)面積隨進(jìn)口氣速的變化Fig.8　Change of specific surface area of mass transfer with gas inlet velocity in pressure drop transitional area and high pressure drop area of WSA

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創(chuàng)設(shè)語言環(huán)境對(duì)于學(xué)習(xí)一種新的語言來說非常重要，創(chuàng)設(shè)良好的語言環(huán)境對(duì)語言的學(xué)習(xí)是良好的外界刺激，學(xué)生在接受刺激的同時(shí)，也是正在感悟語言帶來的作用，使學(xué)生在自然地環(huán)境中接觸到知識(shí)，掌握知識(shí)。創(chuàng)設(shè)英語語言環(huán)境的方法有很多。

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Numerical simulation and mechanism of jet atomization in water-sparged aerocyclone

QIU Facheng，XU Fei，QUAN Xuejun，LUO Dan，DAI Mingxing，WU Jingping
(College of Chemistry and Chemical Engineering，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China)

Abstract:Water-sparged aerocyclone (WSA) is a new type of high efficient gas-liquid mass transfer reaction equipment. The gas phase pressure drop characteristics，liquid phase reflux ratio and jet atomization process in the WSA were better simulated using the Reynolds stress model (RSM) and the multiphase flow model of volume of fluid (VOF). The mechanism of jet atomization process in the WSA was also discussed in detail. Both simulation and experiment results illustrated that the gas phase pressure drop of WSA will go through a low pressure drop zone，a pressure drop jump zone，a pressure drop transitional zone and a high pressure drop zone with the increase of gas inlet velocity. The determination method of a turning point between two adjacent pressure drop areas was given. The water jet presents steady jet，deformation and bag-like breakup，bag-like breakup and shear atomization，shear atomization and liquid drop centrifugation，respectively，in the above-mentioned pressure drop areas. The water jet in the WSA was fully atomized and the mass transfer interface between gas and liquid phases was maximized when the gas phase inlet velocity reached the turning point between the pressure drop transitional area and the high pressure drop area. The results could be used as a theoretic basis for establishing a adjusting method for jet atomization and flow field in the WSA.

Key words:water-sparged aerocyclone；jet atomization；numerical simulation；pressure drop characteristics

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151032

中圖分類號(hào)：TQ 028

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：0438—1157（2016）04—1269—08

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21176273)。

Corresponding author:Prof. QUAN Xuejun，hengjunq@cqut.edu.cn