姜展翔，徐 蕾，向 東，楊 俠，郭 釗，楊 清

1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430073；2.武漢鑫瑞澤科技有限公司，湖北 武漢 430000

G-LISR不同氣相入口流速對流場特性的影響

姜展翔1，徐 蕾1，向 東1，楊 俠1，郭 釗1，楊 清2

1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430073；2.武漢鑫瑞澤科技有限公司，湖北 武漢 430000

為了提高氣液撞擊流反應(yīng)器（G-LISR）的混合性能，找到合適氣相入口速度的操作參數(shù)，采用ANSYS Workbench 中的Geometry模塊，基于歐拉-拉格朗日法建立G-LISR氣液兩相流動數(shù)學(xué)模型。在加速管對置距離為400 mm，液相入口速度為5 m/s，三種不同的氣相入口速度（10，15，20 m/s）條件下，用數(shù)值模擬軟件Fluent分析模擬出了不同氣相入口流速下反應(yīng)器內(nèi)流場的分布特征。模擬結(jié)果表明：隨著氣相入口初始流速的增大，反應(yīng)器內(nèi)湍流強(qiáng)度有所增加，在壓力波動最為劇烈的撞擊面中心點(diǎn)處，壓力急劇增大。增大氣相初始流速，將降低反應(yīng)器中的液滴的濃度分布，減少了液相在反應(yīng)器中的停留時間。從能量損耗和氣液兩相在反應(yīng)器中的混合效果來看，氣相初始流速不宜過大，10 m/s 為較佳。

氣液兩相撞擊流 撞擊流反應(yīng)器 氣相入口速度 數(shù)值模擬 流場特性

化工反應(yīng)器的傳質(zhì)及混合效果對反應(yīng)的質(zhì)量及效率影響重大[1-3]。撞擊流（Impinging Stream）是化學(xué)工程領(lǐng)域中一種強(qiáng)化傳質(zhì)、促進(jìn)混合的技術(shù)與方法，這一概念最早是由Elperin[4]于20世紀(jì)60年代提出的，其原理是兩股流體在撞擊的瞬間能夠產(chǎn)生極大的相間相對速度，并形成一個相對狹窄的高度湍動的區(qū)域，能夠極好的提高熱、質(zhì)傳遞效率[4-6]。

國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對氣液相撞擊流進(jìn)行了理論分析與實驗研究。顏杰等[7]依據(jù)撞擊流原理，設(shè)計了一款新型撞擊流濃縮器，通過實驗及模擬研究獲得了反應(yīng)器內(nèi)氣液兩相溫度、速度、濃度等的唯一變化規(guī)律。孫勤等[8]采用脈沖示蹤法，測定了氣液撞擊流過程中，液相的停留時間分布。國外學(xué)者Ogawa等[9]采用熱線實驗對反應(yīng)器內(nèi)部流場進(jìn)行測量，探究了氣液撞擊流中湍流強(qiáng)度影響撞擊面空間分布的規(guī)律。Hosseinalipour等[10]對一種撞擊流干燥器中單顆粒在過熱蒸汽中的運(yùn)動進(jìn)行了模擬研究，分析了顆粒的運(yùn)動軌跡和停留時間等參數(shù)。

隨著國內(nèi)外學(xué)者對撞擊流技術(shù)研究的深入，研究方向從單一形式的氣-固兩相撞擊流拓展到氣-液、液-液、液-固兩相撞擊流和氣-液-固多相撞擊流的研究，現(xiàn)在已被廣泛應(yīng)于脫硫脫硝[11]、干燥[12]、萃取[13]、結(jié)晶[14]、污水處理[15]、水煤漿氣化[16]、納米材料制備[17]等化工生產(chǎn)工藝中。本工作所研究的氣液相撞擊流反應(yīng)器（Gas-Liquid impinging stream reactor，G-LISR）是用于面向環(huán)保行業(yè)，廚房油煙廢氣的凈化處理裝置。為了提高G-LISR的混合性能，將通過商用數(shù)值軟件Fluent來模擬在不同的氣相速度下G-LISR內(nèi)流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，對結(jié)果進(jìn)行分析比較，選出最為適合氣相入口速度的操作參數(shù)。

1 流場的數(shù)值模擬

1.1 數(shù)學(xué)模型

氣液撞擊過程中，將氣相處理為連續(xù)相，直接采用時均納維-斯托克斯方程求解；液相的體積分?jǐn)?shù)很低，處理成離散相。離散相和連續(xù)相之間存在有動量、質(zhì)量和能量的相互作用，這些相互作用通過各相的控制方程中的相間傳輸模型進(jìn)行耦合。本文采用歐拉-拉格朗日方法[18-19]對氣液流場的相互作用進(jìn)行探討。

1.1.1 氣相控制方程

連續(xù)性方程：

式中角標(biāo)i，j表示坐標(biāo)方向；ρ表示氣體密度，kg/m3；Uj表示氣體速度，m/s。

動量守恒方程：

其中P為靜壓力，τij為應(yīng)力張力，fp為氣液兩相相間作用力。

研究發(fā)現(xiàn)[20-22]，氣液兩相流動中液粒與氣體的相互作用改變了氣體的剪切力，同時，液粒相流動中往往會對氣相產(chǎn)生阻力。通過比較幾種常用的湍流模型數(shù)值模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型在大多數(shù)情況下依舊能獲取到比較好的結(jié)果。因此，采用κ-ε模型，控制方程包括湍動能方程和耗散能方程。

式（5）（6）（7）中各常數(shù)的值如下：Cμ=0.09，C1=1.44，C2=1.92，σε=1.3，σk=1.0。

1.1.2 液相運(yùn)動方程

由于G-LISR內(nèi)液相占有體積分?jǐn)?shù)很小，因此液粒之間的互相作用可以忽略。反應(yīng)器內(nèi)液粒相受到的主要作用力是相間曳力，忽略其他作用力。采用離散相模型，建立液粒相運(yùn)動方程。

式中s為液粒的位移量，V、U為液粒速度，β為曳力系數(shù)。

濃度分布和停留時間的變化規(guī)律?？紤]氣液兩間的相互作用對流場產(chǎn)生的影響，兩相采用耦合計算。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 氣相入口速度對氣相流場特性的影響

（1）氣相壓力場結(jié)果與分析

為了觀測反應(yīng)器內(nèi)流場特性中壓力場的分布情況，取穩(wěn)定時刻（z=0）截面和y為0截面的壓力云圖，如圖3和圖4所示。

圖3 不同氣流速度下z=0截面靜壓力分布Fig.3 The distribution contours of static pressure in different initial gas flow rate at z=0

從z為0截面壓力云圖可以看出，壓力分布集中在撞擊區(qū)域，中心處壓力最高，并向周圍呈現(xiàn)遞減規(guī)律。撞擊過后徑向流速轉(zhuǎn)為軸向，會與壁面發(fā)生碰撞，在壁面附近呈現(xiàn)一定的壓力梯度。隨著流速的增加，中心處的壓力越高，加速管內(nèi)的壓力下降越快，梯度越明顯。

圖4 不同氣流速度下y=0截面靜壓力分布Fig.4 The distribution contours of static pressure in different initial gas flow rate at y=0

從y為0截面壓力云圖可以看出，撞擊面附近沿z軸方向存在一個明顯的壓力梯度，這是因為撞擊過后氣流流動方向改變，從而在軸向上運(yùn)動產(chǎn)生壓力梯度。同時，氣相撞擊反應(yīng)器壁面，在壁面沿著z軸方向會形成壓力損失。這種壓力損失會隨著氣流速度的減小而下降。

（2）氣相速度場結(jié)果與分析

為了觀測反應(yīng)器內(nèi)流場特性中速度場的分布情況，取穩(wěn)定時刻z為0截面和y為0截面的速度云圖，如圖5和6所示。從圖5速度云圖可以看出，氣相初始速度的不同對反應(yīng)器內(nèi)z為0截面上的速度分布范圍影響不大，但在相同位置上氣相的速度大小有所不同。撞擊面中心點(diǎn)處的速度最小，碰撞過后x軸方向速度轉(zhuǎn)為y軸方向并沿著y方向呈遞減趨勢。x-y軸將z為0平面劃分出為四個象限，在各個象限內(nèi)都形成中間流速低，外圍流速高的現(xiàn)象，這是因為當(dāng)y軸方向運(yùn)動的氣流碰撞到壁面時形成回流，會沿著y軸氣流方向到壁面到加速管方向的漩渦，增強(qiáng)了氣流于反應(yīng)器內(nèi)的擾動。隨著氣相初始流速的增加，這種擾動的范圍幾乎沒有改變但各區(qū)域的湍動能增大，撞擊面及壁面的能量損耗增大，氣相中攜帶的液粒停留時間減少，不利于G-LISR內(nèi)兩相的混合進(jìn)程。

圖5 不同氣相初始速度下z=0截面速度分布Fig.5 The distribution contours of velocity in different initial gas flow rate at z=0

從圖6可以看出，y為0截面上的速度分布呈現(xiàn)“蝶型”，這是由于壁面的限制，會在z軸方向和壁面之間形成漩渦。而這些漩渦會對周圍流體產(chǎn)生卷噬并向出口移動，這能夠提高G-LISR內(nèi)湍流強(qiáng)度，從而促進(jìn)相間混合。但隨著氣相初始流速的增大，大量氣相攜帶液粒碰撞壁面而粘附在壁面上，從而對混合不利。

圖6 不同氣相初始速度下y=0截面速度分布Fig.6 The distribution contours of velocity in different initial gas flow rate at y=0

2.2 氣相入口速度對液相流場特性的影響

（1）液粒軌跡分析

取穩(wěn)定時刻y為0截面和z為0截面氣相速度矢量圖進(jìn)行分析，如圖7不同截面速度矢量圖。

圖7 不同截面的速度矢量Fig.7 Velocity vectors at different section

從圖7可以看出，在y為0截面四個象限內(nèi)都出現(xiàn)貼近壁面處的速度會略大于遠(yuǎn)離壁面處的速度，這是由于壁面的限制在這些區(qū)域形成了漩渦，貼近壁面的漩渦外側(cè)速度較于漩渦內(nèi)側(cè)大，這就造成了在y為0平面各象限內(nèi)出現(xiàn)中部速度低于外側(cè)速度的現(xiàn)象；在z為0截面，氣相的流動非常復(fù)雜，會在壁面和z軸方向形成層層漩渦，這層層漩渦對周圍氣流產(chǎn)生卷噬，并隨著上升的氣流向出口移動，這就造成了在z為0平面內(nèi)，速度分布呈“蝶形”。液粒在氣流的帶動下，進(jìn)行運(yùn)動，通過對液粒運(yùn)動軌跡的捕捉，我們發(fā)現(xiàn)液粒的運(yùn)動軌跡與氣相流場具有一致性。

取不同氣相初始流速下液粒的運(yùn)動軌跡，如圖8所示。

圖8 不同氣相初始速度下液粒軌跡Fig.8 Particle trajectories at different initial gas flow rate

由圖8不同氣流速度下的液粒軌跡可以看出，撞擊后液粒速度由徑向轉(zhuǎn)為軸向，由于壁面邊界條件為“trap”所以當(dāng)氣流攜帶液粒碰撞壁面后會粘附在壁面上，而部分液粒則朝著z軸正負(fù)方向做無規(guī)則運(yùn)動，由于液粒的直徑很小，密度也不大，對氣流具有良好的跟隨性，所以氣相流場對液粒的運(yùn)動具有重要影響。從三種不同氣相初始流速的液粒軌跡圖不難發(fā)現(xiàn)，軌跡上液粒于當(dāng)前位置的停留時間不盡相同，會隨著氣相初始流速的增加停留時間減少，不同氣相流速下，液粒于軌跡上的停留時間呈反比關(guān)系。氣相流速由10 m/s增加至15 m/s時，液粒在軌跡上各處的停留時間為前者的0.83倍，而隨著氣相流速繼續(xù)增加至20 m/s，其停留時間繼續(xù)減少至10 m/s情況下的0.53倍。這說明氣相初始流速的增大不利于液粒在G-LISR內(nèi)的停留，即不利于氣液兩相的混合。

（2）液粒濃度分析

液粒相在流場中的濃度分布表征液粒在G-LISR內(nèi)的分散特性。因而探討液滴濃度分布對明確液粒于反應(yīng)器中的流場分布起到關(guān)鍵作用。不同氣相初始速度下液粒相在反應(yīng)器內(nèi)y為0和z為0截面的濃度分布如圖9和圖10。

圖9 不同氣流速度下y=0截面液滴濃度分布Fig.9 The distribution contours of liquid particle concentration in different gas flow rate at y=0

通過不同截面液粒相于反應(yīng)器的濃度分布云圖可以看出，液粒濃度集中于撞擊區(qū)，從y為0截面來看，氣相初始速度越小，液粒在反應(yīng)器中的分布越均勻。隨著氣相初始速度的增大，液粒于反應(yīng)器中的濃度大小縮小了一個數(shù)量級，當(dāng)初始速度由15 m/s減小到10 m/s時，反應(yīng)器中液粒濃度增大至原來的3.3倍；當(dāng)初始速度由20 m/s減小到10 m/s時，反應(yīng)器中液粒濃度增大至原來的4.4倍。從z為0截面來看，氣相速度的增大，液粒相湍流強(qiáng)度增強(qiáng)，濃度的分布范圍略有增加，但分布變得不均勻，且反應(yīng)器中液粒的濃度有所下降。當(dāng)初始速度由10 m/s增大到15 m/s時，濃度減小至原來的0.3倍；當(dāng)初始速度由15 m/s增大到20 m/s時，濃度縮小至原來的0.66倍。因此，氣相初始速度的增加使湍動能增強(qiáng)，但液粒的濃度反而下降，所以氣相流速不宜取太大。

圖10 不同氣流速度下z=0截面液滴濃度分布Fig.10 The distribution contours of liquid particle concentration in different gas flow rate at z=0

（3）液粒停留時間分析

液粒的平均停留時間是其運(yùn)動的重要特征量，也是表征氣液兩相混合效率的重要指標(biāo)。取追蹤液粒的停留時間的平均值，探討不同氣相初始流速對液體粒停留時間的影響，如圖11所示。

從圖 11不同氣流速度下液粒停留時間中可以看出，氣流速度大小對液粒的停留時間有一定的影響，液粒平均停留時間與氣流速度呈相反趨勢。當(dāng)氣相初始流速為 10 m/s時，液粒平均停留時間為0.81 s，氣相初始流速為15 m/s時，液粒平均停留時間為0.67 s，氣相初始流速為20 m/s時，液粒平均停留時間為0.42 s。

圖11 不同氣流速度下液粒停留時間Fig.11 The residence time of the liquid particle at different gas flow rates

3 結(jié) 論

通過在不同氣相入口速度G-LISR內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬，對其流場特性進(jìn)行分析對比，可以得出以下幾個結(jié)論：

a）隨著氣相入口流速的增大，中心處的壓力越高，加速管內(nèi)的壓力下降越快，梯度越明顯，在壁面沿著z軸方向會形成壓力損失，這種壓力損失會隨著氣流速度的減小而下降。

b）隨著氣相入口流速的增大，氣流擾動的范圍幾乎沒有改變，而各區(qū)域的湍動能增大，撞擊面及壁面的能量損耗增大，氣相中攜帶的液粒停留時間減少。由于壁面的限制，y=0截面上的速度分布呈現(xiàn)“蝶型”，在z軸方向和壁面之間形成漩渦，而這些漩渦會對周圍流體產(chǎn)生卷噬并向出口移動，這能夠提高G-LISR內(nèi)湍流強(qiáng)度，從而促進(jìn)相間混合，但隨著氣相入口流速的增大，大量氣相攜帶液粒碰撞壁面而粘附在壁面上，不利于G-LISR內(nèi)兩相的混合進(jìn)程。

c）氣相流速由10 m/s增加至15 m/s時，液粒在軌跡上各處的停留時間為前者的0.83倍，而隨著氣相流速繼續(xù)增加至20 m/s，其停留時間繼續(xù)減少至10 m/s情況下的0.53倍。因此，氣相初始流速的增大不利于液粒在G-LISR內(nèi)的停留，不利于氣液兩相的混合。

d）當(dāng)初始速度由10 m/s增大到15 m/s時，濃度減小至原來的0.3倍；當(dāng)初始速度由15 m/s增大到20 m/s時，濃度縮小至原來的0.66倍。因此，氣相初始速度的增加使湍動能增強(qiáng)，但液粒的濃度反而下降，所以氣相流速不宜取太大。

e）當(dāng)氣相初始流速為10 m/s時，液粒平均停留時間為0.81 s，氣相初始流速為15 m/s時，液粒平均停留時間為0.67 s，氣相初始流速為20 m/s時，液粒平均停留時間為0.42 s。

以上研究可以發(fā)現(xiàn)，隨著氣相入口流速的增大，反應(yīng)器內(nèi)湍流強(qiáng)度有所增加，壓力波動最劇烈的撞擊面中心點(diǎn)處的壓力也急劇增大；同時增大氣相初始流速，降低了液粒于反應(yīng)器中的濃度分布，減少了液粒相在反應(yīng)器中的停留時間。從能量損耗和氣液兩相在反應(yīng)器中的混合效果來看，氣相初始流速不宜過大，10 m/s最佳。

符號說明

dp—— 液粒直徑，μmSac—— 加速管有效長度，mm

fp—— 氣液兩相相間作用力，Nβ—— 曳力系數(shù)

P—— 靜壓力，Nρ—— 氣體密度，kg/m3

Uj—— 氣相氣體速度，m/sρa(bǔ)—— 氣相密度，kg/m3

ua—— 加速管出口處液粒速度，m/sρp—— 液相密度，kg/m3

up1—— 氣相速度，m/sτij—— 應(yīng)力張力，N

S—— 液粒的位移量

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Influence of Different Gas Phase-inlet Flow Rate on Flow Field Characteristics of G-LIST

Jiang Zhanxiang1, Xu lei1, Xiang Dong1, Yang Xia1, Guo Zhao1, Yang Qing2
1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430073, China;2. Wuhan Xinrui Ze Technology Company Limited, Wuhan 430000, China

In order to improve the gas-liquid impinging stream reactor (G-LISR) mixing performance and find the operating parameters of the appropriate gas inlet flow rate, a mathematical model of G-LISR Gas-Liquid two-phase flow which based on the Euler-Lagrangian method was established by using the Geometry module in ANSYS Workbench. The numerical simulation software Fluent analysis was used to simulate the distribution characteristics of flow field in the reactor under the conditions of different distance of 400 mm between the two opposed accelerating tubes, liquid inlet rate of 5m/s and three different gas inlet speed (10, 15, 20 m/s). The simulation results showed that with the increase of the initial velocity of the gas inlet, the turbulence intensity in G-LISR increased and the pressure increased sharply with the fluctuation at the center of the collision surface. With the increase of the initial gas-inlet velocity, both the concentration distribution of liquid particles and the liquid phase residence time in the reactor will be reduced. From the perspective of energy loss and gas-liquid two-phase mixing effect, the initial gas inlet flow rate should not be too large and 10 m/s was better.

gas-liquid impinging stream; impinging stream reactor; gas inlet flow rate; numerical analysis;flow field characteristics

O359+.1

A

1001—7631 ( 2017 ) 03—0227—09

10.11730/j.issn.1001-7631.2017.03.0227.09

2017-04-27;

2017-06-13。

姜展翔（1991—），男，碩士研究生；楊 俠（1978—），男，教授，通訊聯(lián)系人。E-mail:3095068802@qq.com。

國家自然科學(xué)基金（51276131）。