張建偉，張一凡，閆宇航，馮穎，董鑫，馬繁榮

（沈陽化工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，遼寧沈陽110142）

撞擊流作為一種混合過程強(qiáng)化技術(shù)，因其極高的相間速度、極大的強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)特性，已經(jīng)成功應(yīng)用于眾多化工單元過程中[1]。越來越多的精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)使用撞擊流混合技術(shù)進(jìn)行超細(xì)粉體的制備[2-3]，混合效果和撞擊面穩(wěn)定性直接影響反應(yīng)生成物的粒徑大小，所以近些年關(guān)于撞擊流混合效果和撞擊面的穩(wěn)定性的研究成為重點(diǎn)[4]。兩股射流形成軸向速度最小的面同時也是湍流強(qiáng)度最大的區(qū)域，即撞擊流撞擊面，其產(chǎn)生的高度湍動區(qū)形成大尺度的擬序結(jié)構(gòu)對能量耗散速度快[5-6]，能夠達(dá)到快速混合的效果。因此，探究撞擊流撞擊面穩(wěn)定性以及流動結(jié)構(gòu)，是過程裝備改進(jìn)和新型反應(yīng)器創(chuàng)新的理論基礎(chǔ)。本文從軸對稱撞擊流和平面撞擊流的流動狀態(tài)入手，對不同結(jié)構(gòu)與流速對撞擊流穩(wěn)定性的影響進(jìn)行綜述，分析了偏轉(zhuǎn)振蕩的產(chǎn)生條件以及偏移振蕩的變化規(guī)律。根據(jù)穩(wěn)定性對與外部激勵對撞擊流混合性能的影響，設(shè)計新型動態(tài)流速撞擊流反應(yīng)設(shè)備并對其進(jìn)行展望。

1 撞擊面穩(wěn)定性

1.1 撞擊流裝置及其特點(diǎn)

不同種類的撞擊流裝置撞擊面的變化規(guī)律不同，表1介紹不同種類的撞擊流裝置以及其流動特點(diǎn)以及影響撞擊面穩(wěn)定性的因素。

撞擊流的穩(wěn)定性宏觀表現(xiàn)為撞擊面的振蕩與偏移，在整個撞擊流反應(yīng)器內(nèi)，混合時間由宏觀混合主導(dǎo)，對撞擊流的穩(wěn)定性研究也多處于宏觀研究。

表1 撞擊流種類及影響撞擊面穩(wěn)定性介紹

1.2 撞擊面穩(wěn)定性測量手段

從撞擊流作為強(qiáng)化傳質(zhì)的裝置開始，國內(nèi)外眾多學(xué)者就已經(jīng)注意到撞擊流內(nèi)流型的變化以及混合效果，起初Powell[8]為了簡化計算過程，認(rèn)為撞擊流相當(dāng)于一個噴嘴撞擊位于L/2處的平板上，即關(guān)于撞擊面對稱的穩(wěn)定的鏡像射流。但是隨著測量技術(shù)的不斷發(fā)展，撞擊流流場的鏡面模型學(xué)說并不能解釋撞擊面的變化。由發(fā)現(xiàn)撞擊面變化到探究其規(guī)律，對撞擊面的穩(wěn)定性的研究有重要意義。表2列出了撞擊面穩(wěn)定性研究進(jìn)程。

從表2 中可以看出，主要的研究方法有HWA、LDV、PDA、PIV 等方式。不同的方法適用條件各不相同，孫志剛等[20]、李偉鋒等[21]運(yùn)用HWA 煙線法探究了氣相撞擊流穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)平面撞擊流的偏轉(zhuǎn)振蕩比較穩(wěn)定。所采用的HWA是一種接觸式測量技術(shù)，會對流場產(chǎn)生輕微的影響，所以選擇密度小的流體作為介質(zhì)，多作用于不透明流氣體。Kostiuk 等[14]通過LDV 技術(shù)發(fā)現(xiàn)較小的流量差異對撞擊面兩側(cè)的對稱性破壞很大，在L=2D 的條件下，微小的噴嘴流量差異使撞擊面偏移0.15D。LDV 技術(shù)相比HWA 優(yōu)點(diǎn)在于非接觸式測量，對流場不產(chǎn)生影響，同時空間分辨率高，更適用于對撞擊面振幅的測量。而PDA 與LDV 的差別不大，能夠同時得到示蹤粒子的速度和粒徑，更適合兩相流的研究。PIV 稱為激光粒子成像技術(shù)，主要是對平面流場的整體測量，得到整個流場的瞬時速度矢量。與PDA、LDV 相比，測量精度稍差，更適合對流場的湍動能以及湍流強(qiáng)度進(jìn)行研究，Lindstedt 等[19]就通過該技術(shù)發(fā)現(xiàn)速度矢量在撞擊面處的變化。PLIF 的技術(shù)發(fā)展更適用于撞擊流研究。PLIF 通過熒光強(qiáng)度與濃度的線性關(guān)系，不但能測得流場濃度、速度、壓力的定量信息，與其他測量技術(shù)相比，還可以測得流場的溫度信息，可應(yīng)用于撞擊流的傳熱的研究。在探究撞擊面穩(wěn)定性的同時，也能研究撞擊面對整個流場混合的影響。張建偉等[22]通過探究撞擊面駐點(diǎn)振蕩的規(guī)律發(fā)現(xiàn)駐點(diǎn)振蕩對混合和傳質(zhì)有促進(jìn)作用，同時偏移振蕩的振幅與噴嘴間距相關(guān)。流體可視化技術(shù)發(fā)展越來越快，對撞擊面振蕩的研究也從定性研究轉(zhuǎn)變成定量研究，從發(fā)現(xiàn)撞擊面振蕩到了解撞擊面的振蕩周期與影響因素，對整個流場分析以及開發(fā)新型撞擊流裝置具有重要意義[23]。

表2 撞擊面穩(wěn)定性研究進(jìn)程

2 軸對稱撞擊流反應(yīng)器振蕩規(guī)律

軸對稱撞擊流反應(yīng)器內(nèi)撞擊面振蕩可以分為兩類，即徑向偏轉(zhuǎn)振蕩和軸向偏移振蕩。在反應(yīng)器內(nèi)，隨著Re的增大，有3種流動模式：分離流、振蕩模式、混沌流。Fonte 等[24]采用平面激光誘導(dǎo)熒光（planar laser induced fluorescence，PLIF）技術(shù)對流動狀態(tài)和混合質(zhì)量進(jìn)行研究：當(dāng)Re＜104 時，兩股等動量圓射流相互撞擊，在反應(yīng)器中心部位形成徑向的撞擊面，兩股流體保持相互分離；當(dāng)Re=104時，流動處于傾向振蕩的臨界狀態(tài)；當(dāng)Re＞104時，李偉鋒等[20-21]研究發(fā)現(xiàn)流動變?yōu)榫哂袕?qiáng)混合動力學(xué)得到的自持混沌狀態(tài)，并且撞擊面發(fā)生偏轉(zhuǎn)振蕩。這種偏轉(zhuǎn)振蕩的閾值很小，一般150≤Re＜300，并且不同的反應(yīng)器幾何結(jié)構(gòu)都會產(chǎn)生影響。隨著雷諾數(shù)的不斷增加，逐漸從層流狀態(tài)轉(zhuǎn)化成湍流，從徑向偏轉(zhuǎn)振蕩變?yōu)檩S向偏移振蕩[22]。

2.1 徑向偏轉(zhuǎn)振蕩

對于軸對稱徑向偏轉(zhuǎn)振蕩來說，這種振蕩并不規(guī)則。圖1為軸對稱撞擊流的偏轉(zhuǎn)振蕩臨界值時濃度場[25]，從圖中可以明確看出當(dāng)雷諾數(shù)從103 變化到104時，撞擊面產(chǎn)生了變化；隨著雷諾數(shù)繼續(xù)增加，這種變化更加顯著，撞擊面呈S 形扭曲，如圖2。由高速相機(jī)垂直軸向拍攝，可以清晰看到撞擊面隨時間變化而擺動。

研究軸對稱撞擊流徑向偏轉(zhuǎn)振蕩，從它的振蕩周期和頻率以及產(chǎn)生條件分析，所以引入對閾值內(nèi)的徑向偏轉(zhuǎn)振蕩周期進(jìn)行量綱分析，得到斯特勞哈爾數(shù)St如式(1)[26-27]。

圖1 軸對稱撞擊流的偏轉(zhuǎn)振蕩臨界值時濃度場

圖2 偏轉(zhuǎn)振蕩［25］

式中，f 為徑向偏轉(zhuǎn)振蕩的頻率；D 為噴嘴直徑；u0為噴嘴出口速度。表3 匯總了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)、不同Re下St以及其變化趨勢。

從 表3 中 對 比 李 偉 鋒 等[31]、Johnson 等[28-29]、Teixeira 等[30]的實驗結(jié)論可以得出：從St 隨著Re 的增加而增加，但是不同裝置下的St 略有不同，同噴嘴間距下的圓形反應(yīng)器比方形反應(yīng)器的St 大，偏轉(zhuǎn)頻率更高，同時方形軸對稱撞擊流的徑向偏轉(zhuǎn)振蕩閾值小于圓形裝置。圓形反應(yīng)器內(nèi)St 隨著噴嘴間距的增加而降低，意味著頻率隨著噴嘴間距的增加而降低，而噴嘴間距越大，頻率變化隨Re 的增長越不明顯，偏轉(zhuǎn)振蕩行為主要取決于混合室的幾何形狀和Re。隨著Re 進(jìn)一步的增加，徑向的偏轉(zhuǎn)振蕩消失，變?yōu)檩S向偏移振蕩。Li等[25]對撞擊面偏轉(zhuǎn)震動的間歇因子I 進(jìn)行定義［式(2)］：間歇因子在Re=150 時最小，并隨著Re 的增加而增大，當(dāng)Re=1000時達(dá)到峰值。

式中，td為偏轉(zhuǎn)振蕩時間；t0為統(tǒng)計時間。

2.2 軸向偏移振蕩

對于撞擊面駐點(diǎn)振蕩研究方向來說，大多數(shù)都是固定噴嘴間距同時改變Re 或者出口流量的研究方法，圖3 為噴嘴直徑D 與噴嘴間距L 示意圖。張建偉等[22]采用PLIF 方法對水平液相撞擊流的軸向偏移進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)撞擊駐點(diǎn)并沒有穩(wěn)定的周期，并且振幅一般集中在0.1D～0.5D。Li等[25]對小雷諾數(shù)的撞擊流采用時間的均方根（root mean square，RMS）來表示軸向振蕩程度［式(3)］。

式中，t0為統(tǒng)計時間；xi為時間i 時撞擊面的位置。

在研究撞擊面駐點(diǎn)軸向振蕩時，為了方便發(fā)現(xiàn)規(guī)律，通常將其分為三種類型。

圖3 軸對稱撞擊流

（1）小噴嘴間距（L≤2D） 小噴嘴間距下的湍流對置撞擊實驗中，撞擊面的位置不穩(wěn)定[32]，當(dāng)兩噴嘴動量比為1時，撞擊駐點(diǎn)也會發(fā)生一定偏移。所以認(rèn)為，駐點(diǎn)位置并不能完全由動量比確定。當(dāng)兩噴嘴動量比接近時，有可能會出現(xiàn)兩個撞擊駐點(diǎn)[33]。在L=2D時，湍流流場微小的出口流量偏差會造成撞擊面偏移達(dá)到0.15D[14]。隨著噴嘴間距的增加，撞擊面駐點(diǎn)偏移增加。因此可知，小噴嘴間距的撞擊面易受射流速度的微小變化而波動，且徑向射流在不同撞擊面的速度分布具有自相似性，呈高斯分布。

（2）中噴嘴間距（2D＜L≤20D） 通過對進(jìn)口流量的改變對撞擊流頻率進(jìn)行調(diào)控，發(fā)現(xiàn)撞擊面振蕩頻率與調(diào)制頻率一致，但是振幅卻與調(diào)制頻率的增大而降低[34]。在同一噴嘴出口速度比下：大噴嘴間距下的偏移量比小噴嘴間距大[35]，當(dāng)噴嘴間距在2D～4D時，流場不穩(wěn)定，撞擊駐點(diǎn)在噴嘴的對稱中心附近振蕩。李偉鋒等[36]用氣體介質(zhì)研究撞擊流流場，當(dāng)氣速比不同時，稱為非對稱流場，這時的撞擊面駐點(diǎn)位置相對穩(wěn)定。當(dāng)流體介質(zhì)為液體時，撞擊面的振幅在L=3D 時達(dá)到峰值[37]。當(dāng)噴嘴間距在2D～8D 時，撞擊面駐點(diǎn)位置對出口速度變化敏感，同時，氣速比與撞擊面駐點(diǎn)的偏移呈非線性相關(guān)。當(dāng)噴嘴間距在10D 時，氣速比是影響撞擊駐點(diǎn)偏移的主要因素，并且氣速的絕對大小對撞擊面駐點(diǎn)影響不大。所以在研究中噴嘴間距的撞擊流時，不可忽略撞擊面的不穩(wěn)定性和偏移規(guī)律。

表3 不同結(jié)構(gòu)下的St與振蕩的Re閾值

（3）大噴嘴間距（L＞20D） 對稱撞擊中，將整個反應(yīng)器分區(qū)，一區(qū)為噴嘴附近，二區(qū)為撞擊面附近（約為3D）。因為噴嘴與對稱中心距離很遠(yuǎn)，從噴嘴射出的流體在碰撞之前已經(jīng)達(dá)到充分發(fā)展階段，因此在一區(qū)的流動為湍流圓射。隨著遠(yuǎn)離噴嘴，速度逐漸減弱，一區(qū)的湍動強(qiáng)度也在不斷減弱。當(dāng)流體撞擊時，在二區(qū)內(nèi)重新形成高度的湍動效果，形成明顯碰撞面需要很大的雷諾數(shù)[38-39]。Fonte等[40]在Re在50～104范圍內(nèi)，整個流場變?yōu)榫哂袕?qiáng)混合動力學(xué)的自持性混沌流狀態(tài)。Stan等[27]對徑向速度以及撞擊面的擴(kuò)展率進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其在大雷諾數(shù)下（Re＞5000）時，大噴嘴間距下的徑向射流擴(kuò)展率約為0.17，撞擊流徑向射流的擴(kuò)展率會隨著噴嘴間距的增加而增加。在動量相等時，撞擊流駐點(diǎn)位于噴嘴軸線中心，大噴嘴間距對撞擊流駐點(diǎn)偏移量影響甚微。

許建良等[41]對不同噴嘴下的軸向偏移量實驗數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行擬合，得到式(4)。

式中，Δx為撞擊面偏移量；a為氣速比。

對于偏移規(guī)律，眾多學(xué)者均從對稱性入手，對稱軸兩側(cè)的大尺度渦在射流的影響下不斷增大，大尺度渦很不穩(wěn)定，整個流場失去對稱性，從而導(dǎo)致兩側(cè)的動量不平衡，使撞擊面偏移[42]。Li 等[25]控制進(jìn)口射流流量形成周期性波動，觀察到軸對稱撞擊流的偏移振蕩成周期變化，證明通過控制進(jìn)口流量來調(diào)節(jié)撞擊面的穩(wěn)定性是可行的，尤其是在中噴嘴間距的條件下，出口射流速度與偏移量并不成線性相關(guān)，并且間距在2D～4D時兩側(cè)進(jìn)口流速不同的時候撞擊面更加穩(wěn)定。

2.3 徑向射流流動特征

撞擊流撞擊后產(chǎn)生的徑向方向上的射流被稱為徑向射流。其直接影響著撞擊流反應(yīng)的穩(wěn)定性與混合效果，因此總結(jié)徑向射流的速度特性對研究撞擊流穩(wěn)定性有重要意義。李偉峰等[32]采用煙線法對L=2D 自由撞擊流的湍流強(qiáng)度進(jìn)行測量，湍流強(qiáng)度是湍流脈動速度與平均速度的比值，并與自由射流做對比，發(fā)現(xiàn)徑向射流的湍流強(qiáng)度明顯大于自由射流，湍流強(qiáng)度越高對微觀混合的促進(jìn)效果越明顯。張建偉等[1]通過對徑向射流的速度經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式進(jìn)行總結(jié)，發(fā)現(xiàn)徑向射流速度受到出口速度、噴嘴直徑、噴嘴間距的影響，速度分布具有自相似性，呈高斯分布。蔣貴豐[5]對中噴嘴間距下不同雷諾數(shù)的氣體介質(zhì)撞擊流的徑向平均速度以及脈動速度進(jìn)行研究，高速湍流的徑向速度平均值約是出口速度的一半，并且撞擊面附近速度梯度大，量綱為1脈動速度最大值較小。隨著Re 的增加，撞擊流的宏觀穩(wěn)定性湍流強(qiáng)度增強(qiáng)，徑向射流脈動速度以及耗散率都有不同程度的增加。

3 平面撞擊流反應(yīng)器振蕩規(guī)律

對于平面撞擊流來說，最為常見的是T 形反應(yīng)器，隨著反應(yīng)器結(jié)構(gòu)種類的增加，發(fā)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的撞擊流反應(yīng)器內(nèi)部流動模式以及振蕩規(guī)律有所不同[43]，并且發(fā)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)振蕩的存在與結(jié)構(gòu)參數(shù)以及受限壁面有很大關(guān)系，因此了解結(jié)構(gòu)參數(shù)對平面撞擊流穩(wěn)定的影響具有重要意義。平面撞擊流內(nèi)流動模式隨著Re 的不斷增加逐漸從分離流、吞噬流到振蕩模式。圖4 為平面撞擊流噴嘴形式。

圖4 平面撞擊流噴嘴截面

3.1 半偏轉(zhuǎn)振蕩

屠功毅[42]在研究新型T形反應(yīng)器時發(fā)現(xiàn)平面撞擊流存在一種新的振蕩方式，新式T形反應(yīng)器具有更大的上層空間，H值更大，如圖5所示。這種振蕩主要發(fā)生在進(jìn)口噴嘴平面以下，稱為半偏轉(zhuǎn)振蕩。Santos 等[44]研究T 形反應(yīng)器時提到一種特殊的混沌流動狀態(tài)，Sultan 等[45-46]對T 形反應(yīng)器采用PLIF 方法進(jìn)行實驗研究，稱其為自持混沌流動狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)條件為L/h=6、L/d≥2、Re＞300（L為腔室寬度，h為噴嘴狹縫高度，d為腔室厚度）。但以上兩者均未發(fā)現(xiàn)半偏轉(zhuǎn)振蕩，因此認(rèn)為，不同的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)內(nèi)半偏轉(zhuǎn)振蕩不一定存在，并且半偏轉(zhuǎn)振蕩的Re 范圍應(yīng)處于與分離流與混沌流狀態(tài)之間。屠功毅[42]對半偏轉(zhuǎn)振蕩進(jìn)行模擬研究，發(fā)現(xiàn)在半偏轉(zhuǎn)周期速度與壓力的變化也呈周期變化，同時確定半偏轉(zhuǎn)振蕩出現(xiàn)在w/h≥8 和L/h≥6 的平面撞擊流反應(yīng)器內(nèi)，隨著反應(yīng)器深度增加，半偏轉(zhuǎn)振蕩逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠D(zhuǎn)振蕩。

圖5 新型T形撞擊流反應(yīng)器與傳統(tǒng)T形撞擊流反應(yīng)器

3.2 偏轉(zhuǎn)振蕩起止條件

相對于圓射流撞擊流來說，平面撞擊流偏轉(zhuǎn)振蕩周期更具有規(guī)律性。圖6為平面撞擊流的偏轉(zhuǎn)振蕩過程的一個完整周期，從圖中可以看出，兩股平面射流撞擊后相互錯開，并且方向周期性轉(zhuǎn)變，但是撞擊面的存在并不明顯。

將平面撞擊流內(nèi)振蕩周期進(jìn)行量綱分析，得到式(5)。

式中，f為振蕩頻率；h為噴嘴狹縫高度；u0為噴嘴出口速度。

屠功毅[42]對平面撞擊流的St進(jìn)行統(tǒng)計，變化范圍處于0.015～0.025 區(qū)間內(nèi)，并且主要集中在0.02左右，變化趨勢隨著Re 增加變化不大，Re≥58 時，發(fā)生偏轉(zhuǎn)振蕩。

不同的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)所發(fā)現(xiàn)的撞擊振蕩有所不同，屠功毅[42]研究發(fā)現(xiàn)發(fā)生偏轉(zhuǎn)振蕩的量綱為1噴嘴間距為8。不同的反應(yīng)器噴嘴高寬比對偏轉(zhuǎn)振蕩也有影響：對比Sultan 等[46]對T 形反應(yīng)器的研究發(fā)現(xiàn)w/h＜8 時會發(fā)生偏轉(zhuǎn)振蕩，但是與軸對稱撞擊流不同的是，當(dāng)Re 不斷增加，軸對稱撞擊流偏轉(zhuǎn)振蕩會消失，而平面撞擊流在大雷諾數(shù)（Re＞2000）下仍然會存在偏轉(zhuǎn)振蕩。

3.3 偏轉(zhuǎn)振蕩周期

研究偏轉(zhuǎn)周期，對比文獻(xiàn)[47-49]結(jié)論，發(fā)現(xiàn)不同出口速度下的偏轉(zhuǎn)周期相差很大，所以首先將偏轉(zhuǎn)周期進(jìn)行量綱為1處理［式(6)］。

式中，T為振蕩平均周期，s；U為出口流體速度，m/s。

大量學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，不同流體介質(zhì)的量綱為1周期相差不大，因此可以確定，不同的介質(zhì)對偏轉(zhuǎn)周期影響較小。對頻率影響較大的幾種因素包括：噴嘴間距、出口流體速度、邊界受限程度。

平面撞擊流偏轉(zhuǎn)振蕩周期T 與L/U 成正比關(guān)系，并與出口流體速度成反比，量綱為1 周期見式(7)。

而當(dāng)L＞20h時，量綱為1周期開始波動，平均振蕩周期不規(guī)律。當(dāng)邊界受限程度不斷增加，量綱為1周期呈增大趨勢[21]。

4 動態(tài)雙層撞擊流反應(yīng)器

在撞擊流混合反應(yīng)器中，整個流場的穩(wěn)定性時刻影響著撞擊流內(nèi)的混合效果，根據(jù)撞擊流偏移振蕩對混合的促進(jìn)效果以及外部激勵對流場的影響，設(shè)計一種新型的動態(tài)流量撞擊流反應(yīng)裝置，通過改善撞擊面的穩(wěn)定性來提升混合效果。

4.1 動態(tài)流量撞擊流反應(yīng)器設(shè)計原理

圖6 平面撞擊流的偏轉(zhuǎn)振蕩過程［42］

由于高速射流與周圍環(huán)境流場之間存在速度差，在不同流層之間存在分子的碰撞，宏觀體現(xiàn)為黏性應(yīng)力。在黏性力的作用下形成空間尺度、時間尺度都不甚相同的各種形式的渦旋，這些渦旋形態(tài)呈螺旋狀，中心軸線垂直于撞擊面。環(huán)境流體受渦旋的卷吸、剪切等作用，產(chǎn)生微元運(yùn)動形變，形成高湍動區(qū)，促進(jìn)了流體流動。當(dāng)撞擊流進(jìn)口流速變化而撞擊面產(chǎn)生位移時，宏觀渦旋之間由于湍流雷諾應(yīng)力的相互作用產(chǎn)生動量交換，從而強(qiáng)化了混合性能。Li等[50]對出口射流采用激勵振蕩，來增強(qiáng)軸對稱撞擊流的混合。對于不對稱流場來說，張建偉等[51]對軸對稱撞擊流不同出口動量比下的混合特性進(jìn)行研究，得到靜態(tài)的對稱撞擊混合效果優(yōu)于靜態(tài)不對稱撞擊。Tu等[52]研究了T形反應(yīng)器內(nèi)激勵頻率對混合器振蕩的影響，研究發(fā)現(xiàn)：激勵頻率增大，撞擊面振幅減小，當(dāng)激勵頻率超過10Hz 時，流場無相應(yīng)。同時Andreussi 等[53]采用模擬手段研究了脈沖射流對混合動力學(xué)的影響，兩側(cè)射流異向脈沖頻率越接近自持頻率，其混合動力學(xué)效果越好，導(dǎo)致大尺度渦周期性產(chǎn)生。劉雪晴等[54]研究的改進(jìn)型撞擊流反應(yīng)器，其單層噴嘴動態(tài)流量混合反應(yīng)區(qū)域接近于傳統(tǒng)反應(yīng)器的2倍，新型反應(yīng)器可以實現(xiàn)更大區(qū)域的混合。

4.2 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

結(jié)構(gòu)如圖7所示，所述反應(yīng)器的兩組進(jìn)料口為同軸對置。上下進(jìn)料噴嘴直徑D=12mm，進(jìn)料噴嘴層間距L層=48mm。3個出料口直徑D1=12mm，相互夾角120°，位于雙層進(jìn)料噴嘴中間。噴嘴間距L=3D=36mm，上下?lián)醢寰嚯x最近噴嘴為3D=36mm，上下?lián)醢彘L度L擋與噴嘴間距L 相同，L擋=36mm。進(jìn)料口上下端設(shè)有弧形換熱擋板。反應(yīng)器內(nèi)有4個同口徑水平對置噴嘴同時供料。反應(yīng)器外部設(shè)置4個電動調(diào)節(jié)閥連接噴嘴，用于調(diào)節(jié)噴嘴流量，流量波動可以使撞擊面發(fā)生偏移振蕩，使撞擊駐點(diǎn)可以在預(yù)定范圍內(nèi)大幅低頻振蕩形成動態(tài)不對稱流場，使混合區(qū)域增加，同時徑向射流相互撞擊形成二次撞擊，強(qiáng)化混合效果。3 個中心出料口同時出料，在反應(yīng)器混合均勻度最高的區(qū)域進(jìn)行生成物的提取，避免高混合度物料與低混合度物料混合，降低提取物的混合度?；⌒螕Q熱擋板的特定形狀可以穩(wěn)定撞擊面的振蕩并且使偏轉(zhuǎn)振蕩的臨界雷諾數(shù)可調(diào)，適用于更多工況，提高反應(yīng)器內(nèi)的混合，同時將反應(yīng)產(chǎn)生的熱量帶走，并將反應(yīng)釜進(jìn)行區(qū)域劃分，使高混合度物料方便提取。在反應(yīng)釜下方開設(shè)循環(huán)出口，將低混合度液體進(jìn)行循環(huán)。

圖7 新型反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

該反應(yīng)器獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計，克服了物料撞擊流反應(yīng)通道單一、撞擊面無序振蕩以及無序小渦流消耗能量、高混合度產(chǎn)物與低混合度產(chǎn)物混合降低最終產(chǎn)物的品質(zhì)等缺點(diǎn)，容易安裝，對物料黏度要求不高，同時可以進(jìn)行多種物料的混合，換熱板與中間出料口抑制副反應(yīng)形成的條件，也可進(jìn)行循環(huán)混合，方便操作。進(jìn)口的流量波動可以控制撞擊面形成周期性偏移振蕩，改善了軸對稱撞擊流反應(yīng)器的混合效果。不同的流量波動對撞擊面的振蕩影響不同，因此提出一種實驗方案對不同偏移距離下的混合效果進(jìn)行研究，得出混合效果的最優(yōu)解。

4.3 新型反應(yīng)器混合特性與撞擊面穩(wěn)定性實驗

為了探究撞擊面駐點(diǎn)動態(tài)偏移過程中撞擊面穩(wěn)定性與濃度場的相關(guān)性，同時對比靜態(tài)非對稱撞擊流的濃度場，設(shè)計以下實驗。

圖8 PILF實驗裝置

圖9 為Re=10000 時的預(yù)設(shè)流量圖，其余雷諾數(shù)下波形與之相同。其中圖9(a)、(c)為撞擊面從起始速度小一側(cè)偏移到起始速度大一側(cè)，即撞擊面從右側(cè)到左側(cè)的動態(tài)過程；而圖9(b)、(d)則撞擊面從噴嘴速度小一側(cè)偏移到反應(yīng)器中心后又重新回到起始位置的過程，即撞擊面從右側(cè)到中間再返回右側(cè)的過程。

其中圖9(a)、(b)兩流量圖代表著總進(jìn)液量相同，圖9(a)流量的變化呈線性增長，圖9(b)流量呈折線型。圖9(c)、(d)兩圖的進(jìn)液量相同，圖9(c)流量變化由快到慢，圖9(d)先快后慢再變快，通過比較撞擊面從一側(cè)到另一側(cè)與從一側(cè)到中間再返回的徑向射流的擴(kuò)展率變化規(guī)律以及混合均勻度的變化，探究流形的運(yùn)動軌跡變化以及對混合的促進(jìn)影響。比較圖9(a)、(c)與圖9(b)、(d)兩組，探究相同運(yùn)動軌跡不同速度下撞擊面的變化情況與混合效果。對稱與不對稱流場的撞擊面擴(kuò)展率進(jìn)行對比研究，用擴(kuò)展率以及流體運(yùn)動軌跡解釋對稱撞擊下混合均勻度更好。行處理，用CCD 相機(jī)垂直拍攝采集平面，引入平面混合均勻度概念，用τ95表示混合時間，通過比較4 種流形下的徑向射流的增長率l*，來解釋不同流型對撞擊流場以及混合的影響，由此來得到動態(tài)撞擊流混合效果的最優(yōu)解。雙層噴嘴撞擊流的徑向射流并不是簡單的兩個單噴嘴徑向射流的疊加，它表示了最大的射流增長率。擴(kuò)展率越高，意味著更高的夾帶率，因此軸向和徑向射流與周圍流體的更好混合。測量方法是將多個瞬時流場速度矢量圖進(jìn)行平均，得到平均速度向量圖。按照平均速度向量圖與實際尺寸的映射關(guān)系計算徑向擴(kuò)展率。

5 結(jié)語與展望

對于撞擊流反應(yīng)器來說，流場的穩(wěn)定性不論是提高混合效率還是開發(fā)新型混合器都極為重要。本文綜述撞擊流反應(yīng)器的撞擊面穩(wěn)定性，總結(jié)了產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)振蕩和偏移振蕩的臨界條件以及影響因素。根據(jù)撞擊面對混合效果的影響，設(shè)計一種新型動態(tài)雙組撞擊流反應(yīng)器，可以通過調(diào)節(jié)進(jìn)口流量來控制反應(yīng)器內(nèi)流場振蕩，穩(wěn)定流場結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展運(yùn)動軌跡，增大混合區(qū)域。利用PIV、PLIF測試技術(shù)探究動態(tài)反應(yīng)器撞擊面流動特性及其對混合的作用機(jī)制。

圖9 d=10mm、起始Re=10000時4種流量波形圖

本文作者課題組設(shè)計新型反應(yīng)器過程中發(fā)現(xiàn)，雙層噴嘴的軸對稱撞擊流反應(yīng)器的層間距也是重要變量，目前對層間距多是數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)減少上下噴嘴間距可以促進(jìn)混合效果。然而缺少雙層噴嘴不同層間距所特有的流場特性以及混合效果研究。因此，需要對雙層撞擊流的流場特性進(jìn)一步研究，探究雙層撞擊流反應(yīng)器撞擊面的變化規(guī)律對混合效果的影響。

撞擊流課題也不僅限于對反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的研究，對于外加能量，如超聲、高壓、磁場等對其傳熱傳質(zhì)特性的影響的研究。一套完整的化工操作系統(tǒng)并不是靠某一設(shè)備或某一裝置獨(dú)立完成的，撞擊流課題也一樣?，F(xiàn)階段眾學(xué)者通過流體動力學(xué)CFD 模擬技術(shù)和相關(guān)實驗技術(shù)，如PIV、PLIF、POD、DMD 等對流動混合機(jī)理的研究，對于解釋撞擊區(qū)復(fù)雜無序的流動機(jī)理有待完善，限制了撞擊流技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用。對此需要加強(qiáng)計算流體動力學(xué)理論方法的研究，并且可以嘗試建立非線性理論體系或者通過開發(fā)必要的新型實驗技術(shù)及相關(guān)理論基礎(chǔ)，從而來完善撞擊流穩(wěn)定性理論，才能更好地利用撞擊流技術(shù)。