張建偉，安豐元，董鑫，馮穎

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

引 言

在化學(xué)生產(chǎn)以及多種過程工業(yè)中，撞擊流是一種能顯著提高傳熱傳質(zhì)性能的技術(shù)[1]，對(duì)微觀混合效果有明顯的促進(jìn)作用[2]。與傳統(tǒng)方法相比，撞擊流反應(yīng)器混合效率更高[3-8]。因此探究撞擊流反應(yīng)器內(nèi)復(fù)雜流場(chǎng)特性對(duì)其應(yīng)用至關(guān)重要。

關(guān)于撞擊流反應(yīng)器流場(chǎng)特性的研究主要集中在探究不同入口條件和幾何結(jié)構(gòu)下的撞擊流反應(yīng)器流場(chǎng)特性[9-13]。杜敏等[14]利用高速數(shù)碼攝像系統(tǒng)對(duì)撞擊流液滴碰撞后續(xù)行為進(jìn)行研究，結(jié)果表明改變撞擊流反應(yīng)器的入口條件，會(huì)對(duì)撞擊流反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)以及流體液滴后續(xù)發(fā)展產(chǎn)生重要影響，液滴粒徑與進(jìn)口速度增大，液滴更容易破碎。屠功毅等[15]通過數(shù)值模擬對(duì)不同雷諾數(shù)及噴嘴間距下平面撞擊流進(jìn)行研究，研究表明流體速度和噴嘴間距主要決定平面撞擊流偏斜振蕩周期。Zhang 等[16]利用粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）研究了不同入口條件下三重射流撞擊流反應(yīng)器內(nèi)的湍流特性，研究發(fā)現(xiàn)，減小射流間距會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)流體出現(xiàn)強(qiáng)烈湍流，同時(shí)改變?nèi)肟诶字Z數(shù)也會(huì)對(duì)流場(chǎng)湍流效果以及混合效率產(chǎn)生影響。Tsaoulidis 等[17]利用高速成像技術(shù)對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的液-液分散進(jìn)行研究，研究發(fā)現(xiàn)入口條件的改變對(duì)撞擊流液滴的尺寸以及界面面積會(huì)產(chǎn)生重要影響，減小噴嘴直徑會(huì)使液滴尺寸更小，增大入口速度會(huì)使流場(chǎng)內(nèi)液滴更加分散。張建偉等[18]利用平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)（PLIF）對(duì)撞擊流反應(yīng)器內(nèi)液體混合時(shí)濃度場(chǎng)變化進(jìn)行研究，結(jié)果表明改變噴嘴間距會(huì)對(duì)完全混合時(shí)間產(chǎn)生影響，最佳噴嘴間距為L=3D。Zhang 等[19]通過平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)（PLIF）并運(yùn)用POD 方法對(duì)不同條件下撞擊流反應(yīng)器濃度場(chǎng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)非對(duì)稱流場(chǎng)的能量始終高于對(duì)稱流場(chǎng)。

動(dòng)態(tài)撞擊流反應(yīng)器是在其他條件相同的情況下，將噴嘴入口的穩(wěn)態(tài)輸入變?yōu)閯?dòng)態(tài)輸入，使噴嘴入口速度實(shí)現(xiàn)有規(guī)律的變化，從而達(dá)到對(duì)撞擊流反應(yīng)器中的流場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的目的[20]。近年來部分學(xué)者對(duì)動(dòng)態(tài)入口條件反應(yīng)器進(jìn)行研究。Liu 等[21]采用粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）對(duì)動(dòng)態(tài)入口條件反應(yīng)器流場(chǎng)特性進(jìn)行研究，得出動(dòng)態(tài)入口速度條件對(duì)增加流場(chǎng)湍動(dòng)效果起著重要作用。通過合理設(shè)計(jì)入口速度條件，可以使流場(chǎng)內(nèi)流體湍動(dòng)更劇烈并改善混合效果[22]。研究動(dòng)態(tài)撞擊流反應(yīng)器流動(dòng)特性的意義在于可以優(yōu)化傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)入口條件對(duì)稱撞擊流反應(yīng)器[23]。

動(dòng)態(tài)入口條件會(huì)對(duì)撞擊流反應(yīng)器的流場(chǎng)特性產(chǎn)生很大影響，因此可以通過設(shè)計(jì)不同形式入口射流對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行激勵(lì)與強(qiáng)化。劉嬌[24]通過數(shù)值模擬與可視化實(shí)驗(yàn)對(duì)動(dòng)態(tài)混合器的混合性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明動(dòng)態(tài)射流相比于傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)射流，可以使流場(chǎng)擾動(dòng)增加，更利于混合。穩(wěn)態(tài)對(duì)稱撞擊流反應(yīng)器雖然在撞擊區(qū)流體活躍程度很高，但在撞擊流反應(yīng)器內(nèi)仍然存在一些“死區(qū)”[25-26]，不利于物料的充分混合，而動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)可以增強(qiáng)整個(gè)流場(chǎng)的擾動(dòng)，加強(qiáng)流場(chǎng)內(nèi)流體的湍動(dòng)。因此，關(guān)于動(dòng)態(tài)撞擊流反應(yīng)器的流場(chǎng)特性方面還需要深入研究，相關(guān)研究對(duì)優(yōu)化流場(chǎng)速度分布和設(shè)計(jì)較強(qiáng)湍流特性的撞擊流反應(yīng)器有一定的參考價(jià)值。

本文針對(duì)不同階躍型入口條件下撞擊流反應(yīng)器，采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬方法對(duì)水平同軸動(dòng)態(tài)撞擊流反應(yīng)器的流場(chǎng)特性進(jìn)行分析。通過分析反應(yīng)器內(nèi)湍流強(qiáng)度、湍動(dòng)能、螺旋度等參數(shù)，來探究動(dòng)態(tài)入口條件對(duì)反應(yīng)器流動(dòng)特征的影響，并對(duì)比動(dòng)態(tài)撞擊流反應(yīng)器與穩(wěn)態(tài)撞擊流反應(yīng)器的流動(dòng)特征、湍流特性與能量水平。

1 動(dòng)態(tài)撞擊流反應(yīng)器流場(chǎng)數(shù)值模擬

1.1 流體運(yùn)動(dòng)方程

本文采用Realizablek-ε模型進(jìn)行數(shù)值模擬。Realizablek-ε模型增加了旋轉(zhuǎn)和曲率等相關(guān)內(nèi)容，對(duì)流體的正應(yīng)力進(jìn)行某種數(shù)學(xué)約束，適用于管道內(nèi)流動(dòng)、射流以及帶有分離的流動(dòng)等[22]。因此本研究所使用的物理模型適合運(yùn)用Realizablek-ε模型進(jìn)行求解計(jì)算，湍流動(dòng)能(k)和湍流耗散率(ε)輸運(yùn)方程如下：

1.2 物理模型

1.2.1 模型與邊界條件 反應(yīng)器的幾何模型由一個(gè)直徑130 mm、高500 mm 的圓柱筒體及兩個(gè)噴嘴構(gòu)成。噴嘴位于反應(yīng)器Y方向正中，出口位于反應(yīng)器上部，如圖1所示。

圖1 撞擊流反應(yīng)器示意圖Fig.1 Schematic diagram of the impinging stream mixer

在筆者前期的研究中，確定了水平對(duì)置撞擊流反應(yīng)器混合的最優(yōu)工況：噴嘴間距L=3D[27]，噴嘴直徑D為10 mm[28]，本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值模擬研究。噴嘴入口設(shè)置為速度入口（velocity-inlet）邊界條件，出口設(shè)置為外流（outflow）邊界條件，其余設(shè)置為固壁無滑移光滑的壁面（wall）邊界條件。采用SIMPLEC 算法求解流體壓力與速度耦合。壓力方程采用二階格式，動(dòng)量方程采用有界中心差分格式，能量方程采用二階迎風(fēng)格式。采用瞬態(tài)計(jì)算，瞬態(tài)公式采用有界二階隱式。時(shí)間步長為0.01 s。

1.2.2 網(wǎng)格劃分 為了探究網(wǎng)格數(shù)量對(duì)數(shù)值計(jì)算的影響，利用ICEM 模塊構(gòu)建330591，396521，559074，608371，788332，931245，1217361，1323737八組數(shù)量的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模型。保持其他條件相同的情況下，探究不同數(shù)量網(wǎng)格對(duì)撞擊駐點(diǎn)的速度的影響，如圖2所示。

圖2 不同網(wǎng)格數(shù)量下撞擊駐點(diǎn)速度Fig.2 The stagnation point speed under different number of grids

從圖2 可以看出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量較少時(shí)（30 萬～60萬），對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響比較大。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到788332 后，計(jì)算數(shù)據(jù)趨于平穩(wěn)，數(shù)據(jù)前后差異小于3%，可以初步認(rèn)為對(duì)于本模型網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到80 萬以后，網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算精度影響不大。為了進(jìn)一步驗(yàn)證，取數(shù)量分別為788332，931245，1217361，1323737 的四種網(wǎng)格，得到不同網(wǎng)格數(shù)量對(duì)應(yīng)的撞擊軸線上各點(diǎn)速度分布，如圖3所示。

圖3 表明，撞擊軸線處流體的速度分布最大差異小于3%，因此對(duì)于本模型，可認(rèn)為當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到80萬個(gè)以后，網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算精度影響不大。因此為了減少模擬計(jì)算時(shí)間和保證計(jì)算精度，本文采用931245數(shù)量網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

圖3 不同網(wǎng)格數(shù)量下撞擊軸線速度分布Fig.3 The distribution of velocity of impact axis under different grid numbers

1.2.3 數(shù)值模擬工況條件 本文采用階躍型（step）入口速度條件對(duì)撞擊流反應(yīng)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)于階躍型速度入口條件，需要通過用戶自定義函數(shù)（user defined function，UDF）來進(jìn)行設(shè)置與編譯，然后導(dǎo)入仿真軟件進(jìn)行解釋和運(yùn)算。為了方便探究與討論，利用ω代表動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的周期進(jìn)程，ω=1為一個(gè)周期。動(dòng)態(tài)入口條件兩側(cè)入口速度不相等，并且速度大小在不停變化中，但在不同周期內(nèi)，左右兩側(cè)入口平均速率是相等的；與動(dòng)態(tài)入口條件相對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)入口條件速度值保持為平均速率（vaver）。本文設(shè)置四種不同入口平均速率以及三種不同入口速率差下的動(dòng)態(tài)入口條件，入口工況條件如表1所示，入口流型如圖4所示。

圖4 入口速度絕對(duì)值Fig.4 The absolute value of inlet velocity

表1 入口工況條件Table 1 Inlet condition

1.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

本實(shí)驗(yàn)采用二維高速粒子圖像測(cè)速（TR-PIV）技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，示蹤劑選用空心玻璃球（密度為1.05～1.15 g/cm3，粒徑為10～15 μm）。采用CCD攝像機(jī)進(jìn)行拍攝（圖像采集窗口大小為1440×1920）,采集頻率為15 Hz。采用兩個(gè)變頻器分別對(duì)兩個(gè)水泵進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使撞擊流反應(yīng)器的入口速度呈現(xiàn)階躍變化，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.5 The schematic diagram of experimental system

圖6為不同時(shí)刻動(dòng)態(tài)撞擊流反應(yīng)器內(nèi)XOY平面流體運(yùn)動(dòng)圖像，可以看出在加入動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)后，入口速度不斷變化，撞擊面不再穩(wěn)定于兩噴嘴中心處，而是在兩噴嘴之間移動(dòng)。由于撞擊面的不斷移動(dòng)，撞擊面上下兩側(cè)流體向入口速度小的方向偏移。高流速、高剪切的流體會(huì)從撞擊面延伸至噴嘴上下兩側(cè)近壁面處，可以有效增加低流速區(qū)的擾動(dòng)。

圖6 不同時(shí)刻下流場(chǎng)內(nèi)撞擊面移動(dòng)情況Fig.6 The movement of impact surface in flow field at different time

對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，將流體速度分解為水平方向分速度U，豎直方向分速度V。對(duì)ω=0.4時(shí)撞擊軸線U方向分速度進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算。如圖7所示，速度最低值位于撞擊中心，由于兩側(cè)入口動(dòng)量的不平衡，駐點(diǎn)向速度小的一側(cè)偏移，平均誤差12.4%，CFD模擬結(jié)果與PIV實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合。

圖7 ω=0.4時(shí)撞擊軸線U方向分速度絕對(duì)值的PIV和CFD結(jié)果Fig.7 The PIV and CFD results in the component of absolute velocity in U direction of impact axis at ω=0.4

為了研究撞擊軸線上流體旋轉(zhuǎn)情況與流動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算ω=0.4 時(shí)撞擊軸線的渦度絕對(duì)值，如圖8 所示。渦度絕對(duì)值沿著撞擊中心向兩側(cè)擴(kuò)展而逐漸減小，駐點(diǎn)處渦度達(dá)到最大值，說明流體受到較大剪切作用。由于反應(yīng)器內(nèi)兩側(cè)入口速度不同，峰值向速度小的一側(cè)偏移，平均誤差12.9%，CFD 模擬結(jié)果與PIV實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合。

圖8 ω=0.4時(shí)撞擊軸線渦度絕對(duì)值PIV和CFD結(jié)果Fig.8 The PIV and CFD results of vorticity absolute value on impact axis at ω=0.4

2 結(jié)果討論與分析

2.1 動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)撞擊流反應(yīng)器流場(chǎng)特性對(duì)比

2.1.1 反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)特征對(duì)比 為了探究動(dòng)態(tài)入口條件對(duì)流場(chǎng)的影響，得到動(dòng)態(tài)條件與穩(wěn)態(tài)條件下撞擊軸線的速度分布，如圖9 所示。動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)條件下撞擊軸線上流體最低速度存在于撞擊中心，且流體速度都隨著撞擊中心的軸向延伸而逐漸增大。動(dòng)態(tài)條件下撞擊駐點(diǎn)偏移到入口速度較低的一側(cè)，且撞擊駐點(diǎn)的速度低于穩(wěn)態(tài)條件下的撞擊駐點(diǎn)速度約15%。原因是動(dòng)態(tài)條件下兩側(cè)入口存在速度差，導(dǎo)致駐點(diǎn)兩側(cè)流體流動(dòng)狀態(tài)不平衡，駐點(diǎn)處流體碰撞更加強(qiáng)烈。

圖9 穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)條件撞擊軸線速度絕對(duì)值Fig.9 The absolute velocity of impact axial under steady and dynamic conditions

相較于穩(wěn)態(tài)條件，動(dòng)態(tài)入口條件可以加強(qiáng)反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)擾動(dòng)，探究動(dòng)態(tài)入口條件與穩(wěn)態(tài)入口條件下流體的運(yùn)動(dòng)，得到動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)條件下XOY平面的流體軌跡圖，如圖10所示。在穩(wěn)態(tài)對(duì)稱撞擊流反應(yīng)器中，撞擊區(qū)流動(dòng)狀態(tài)是關(guān)于撞擊面對(duì)稱的，且傳質(zhì)主要發(fā)生在撞擊區(qū)，這就導(dǎo)致在整個(gè)撞擊流反應(yīng)器兩側(cè)存在流體流速較小、流動(dòng)狀態(tài)不佳的區(qū)域。穩(wěn)態(tài)條件下反應(yīng)器中撞擊面上下兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)成對(duì)存在的旋渦，旋渦在反應(yīng)器XOY平面幾何中心徑向分布，如圖10（a）所示。而當(dāng)入口條件為動(dòng)態(tài)的情況下，兩流體依然相向運(yùn)動(dòng)形成撞擊區(qū)，但是流場(chǎng)的流動(dòng)狀態(tài)不再關(guān)于撞擊面對(duì)稱，成對(duì)存在的旋渦向流體速度小的一側(cè)偏移并延伸至壁面，流場(chǎng)內(nèi)也出現(xiàn)更多旋渦，如圖10（b）所示。原因是動(dòng)態(tài)條件下撞擊面隨著入口條件的不均衡而在兩噴嘴之間周期性移動(dòng)。兩側(cè)入口輸入動(dòng)量不平衡，流場(chǎng)內(nèi)流體更加紊亂與無序，流體的卷吸會(huì)延伸至壁面，旋渦形成與破碎使能量的集聚與耗散的頻率更高，更加利于混合與相間傳遞。

圖10 穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)條件下反應(yīng)器內(nèi)流體軌跡Fig.10 The flow trajectory in reactor under steady and dynamic conditions

為了研究撞擊軸線上流體旋轉(zhuǎn)程度，對(duì)比分析動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)條件下撞擊軸線上流體螺旋度[29]，計(jì)算公式為：

如圖11所示，可以看出穩(wěn)態(tài)撞擊流反應(yīng)器撞擊軸線上的螺旋度值較小，只在撞擊面附近有小幅波動(dòng)，動(dòng)態(tài)條件下撞擊面處的流體螺旋度出現(xiàn)較大峰值，說明撞擊軸線上流體受到較大剪切作用力。圖12 所示為動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)條件下不同時(shí)刻撞擊軸線上螺旋度絕對(duì)值，可以看出，隨著周期變化動(dòng)態(tài)條件下撞擊軸線上螺旋度平均值均大于穩(wěn)態(tài)條件。原因是動(dòng)態(tài)撞擊流反應(yīng)器內(nèi)兩側(cè)流體始終處于動(dòng)量不平衡的狀態(tài)，流體受到強(qiáng)烈擠壓并在受到較大剪切作用后產(chǎn)生劇烈擾動(dòng)，流體微團(tuán)發(fā)生破碎。

圖11 穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)條件下撞擊軸線螺旋度分布Fig.11 The distribution of helicity on impact axis under steady and dynamic conditions

圖12 穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)條件下不同時(shí)刻撞擊軸線平均螺旋度絕對(duì)值Fig.12 The absolute value of average helicity of impact axis at different times under steady and dynamic conditions

2.1.2 反應(yīng)器內(nèi)湍流特性對(duì)比 湍動(dòng)能的大小與分布很好地反映了流場(chǎng)的湍動(dòng)程度與混合效果。反應(yīng)器中不同的操作條件以及不同的流動(dòng)狀態(tài)會(huì)對(duì)流場(chǎng)中的湍動(dòng)能產(chǎn)生很大的影響[30]。為了對(duì)比動(dòng)態(tài)撞擊流反應(yīng)器與穩(wěn)態(tài)撞擊流反應(yīng)器的湍流特性，獲得動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)條件下XOZ平面湍動(dòng)能分布，如圖13 所示?？梢钥闯龇€(wěn)態(tài)條件與動(dòng)態(tài)條件下撞擊區(qū)存在較大湍動(dòng)能梯度。但動(dòng)態(tài)條件下撞擊區(qū)的湍動(dòng)能梯度分布更廣，湍動(dòng)能數(shù)值也要大于穩(wěn)態(tài)撞擊流反應(yīng)器。這是因?yàn)閯?dòng)態(tài)條件下反應(yīng)器左右入口速度在不斷變化，撞擊區(qū)的能量分布更廣，流體產(chǎn)生更強(qiáng)烈的脈動(dòng)與能量傳遞。

圖13 穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)條件下XOZ平面湍動(dòng)能等值線圖Fig.13 The isogram of turbulent kinetic energy at XOZ plane under steady and dynamic conditions

湍流黏度是湍流中由于速度脈動(dòng)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)阻力，本質(zhì)是渦擴(kuò)散，其反映的是流體的流動(dòng)狀態(tài)。流體處于湍流狀態(tài)時(shí)，由于隨機(jī)脈動(dòng)造成強(qiáng)烈渦團(tuán)擴(kuò)散，旋渦帶動(dòng)流體質(zhì)點(diǎn)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致強(qiáng)烈的動(dòng)量傳遞。圖14 所示為穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)條件下撞擊軸線湍流黏度隨周期變化。可以看出隨著周期變化，穩(wěn)態(tài)條件下撞擊軸線湍流黏度變化幅度很小，動(dòng)態(tài)條件下撞擊軸線湍流黏度平均大于穩(wěn)態(tài)條件下52.6%，并且具有周期性。原因?yàn)閯?dòng)態(tài)條件下撞擊軸線上產(chǎn)生了強(qiáng)烈的速度脈動(dòng)，當(dāng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)周期發(fā)生變化時(shí)，流場(chǎng)內(nèi)流體流動(dòng)會(huì)受到更大的阻力，撞擊區(qū)會(huì)出現(xiàn)更強(qiáng)烈的渦團(tuán)擴(kuò)散與動(dòng)量傳遞。

圖14 穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)條件下撞擊軸線平均湍流黏度Fig.14 The mean turbulent viscosity of impact axis under steady and dynamic conditions

2.1.3 反應(yīng)器內(nèi)能量水平對(duì)比 相比于穩(wěn)態(tài)入口條件，動(dòng)態(tài)入口條件能夠強(qiáng)化能量傳遞，為了進(jìn)一步分析動(dòng)態(tài)入口條件對(duì)流場(chǎng)的影響，得到穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)條件下2.5 周期內(nèi)撞擊軸線上的平均壓力，如圖15 所示。隨著周期變化，穩(wěn)態(tài)條件下撞擊軸線上平均壓力較小，動(dòng)態(tài)條件下撞擊軸線上的平均壓力較大并呈現(xiàn)周期性；在周期變化的瞬間，撞擊軸線會(huì)出現(xiàn)一瞬間負(fù)壓。原因是入口條件的周期性變化會(huì)給流場(chǎng)帶來巨大動(dòng)量，撞擊軸線上的流體在不斷變化的沖擊下產(chǎn)生高水平的壓力，而高水平的壓力會(huì)促進(jìn)流體的剪切與微團(tuán)的破碎，促進(jìn)流體的混合與動(dòng)量的交換。

圖15 穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)條件下撞擊軸線平均壓力變化Fig.15 The variation of mean pressure on impact axis under steady and dynamic conditions

進(jìn)一步分析動(dòng)態(tài)撞擊流反應(yīng)器能量變化情況，測(cè)量駐點(diǎn)速度在2.5 周期內(nèi)的變化并對(duì)其進(jìn)行頻譜分析。如圖16所示，穩(wěn)態(tài)條件下只在低頻區(qū)有小幅波動(dòng)，動(dòng)態(tài)條件下在低頻區(qū)有較大波動(dòng)并出現(xiàn)一個(gè)較明顯的峰值。說明動(dòng)態(tài)條件下流場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生更加集中的能量，低頻區(qū)主要產(chǎn)生大渦[31]，因此動(dòng)態(tài)條件下流場(chǎng)產(chǎn)生的大渦強(qiáng)度更大。進(jìn)而說明大渦經(jīng)過破碎分解，向徑向輸送更多小渦，流場(chǎng)能量釋放得更完全。

圖16 穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)條件下駐點(diǎn)速度變化頻譜圖Fig.16 The spectrum diagram of the stagnation point velocity under steady and dynamic conditions

為了進(jìn)一步研究反應(yīng)器內(nèi)的流場(chǎng)能量水平，計(jì)算2.5周期內(nèi)撞擊駐點(diǎn)速度的功率譜，如圖17所示。從功率譜圖中可以看出，隨著頻率的增加，穩(wěn)態(tài)條件和動(dòng)態(tài)條件下的駐點(diǎn)速度功率都逐漸降低，不同頻率下，動(dòng)態(tài)條件下的流場(chǎng)功率都大于穩(wěn)態(tài)條件。說明加入動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)后，整個(gè)流場(chǎng)的能量水平提高，能量密度更加集中，高能量水平會(huì)促進(jìn)流場(chǎng)內(nèi)的微團(tuán)破碎與混合。

圖17 穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)條件下駐點(diǎn)速度功率譜圖Fig.17 The power spectrum of stagnation point velocity under steady and dynamic conditions

2.2 不同階躍射流下撞擊流反應(yīng)器流場(chǎng)特性

2.2.1 反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)特征 撞擊流反應(yīng)器內(nèi)兩股流體同軸相向流動(dòng)，在撞擊面處撞擊并轉(zhuǎn)為徑向運(yùn)動(dòng)，因此撞擊駐點(diǎn)處存在巨大動(dòng)量轉(zhuǎn)換與能量交換。分析不同工況下駐點(diǎn)平均速度，如圖18 所示。相同入口速率差下，隨著入口平均速率的增大，駐點(diǎn)速度逐漸增大。在入口平均速率為1.5 與1.75 m/s 時(shí)，隨著入口速率差的增大，駐點(diǎn)速度逐漸減小。原因是入口速率差越大，撞擊面處的流體受到的動(dòng)量不平衡越強(qiáng)烈。在入口平均速率為2 和2.25 m/s時(shí)，入口速率差為0.75 m/s 時(shí)駐點(diǎn)速度最低，說明在此工況條件下，流體撞擊后動(dòng)量轉(zhuǎn)換更劇烈，能量釋放更完全。

圖18 不同工況下駐點(diǎn)平均速度Fig.18 The average velocity of stagnation point under different conditions

為了探究流場(chǎng)內(nèi)流體流動(dòng)情況，分析不同工況下撞擊面的移動(dòng)速度，如圖19所示。相同入口平均速率下，隨著入口速率差的增大，撞擊面移動(dòng)速度變快。速率差為1 m/s 時(shí)撞擊面移動(dòng)速度平均大于速率差為0.75 m/s 時(shí)撞擊面移動(dòng)速度約35%；大于速率差為0.5 m/s 時(shí)撞擊面移動(dòng)速度約260%。相同周期下，撞擊面移動(dòng)速度越快，撞擊區(qū)在兩側(cè)的停留時(shí)間就越長，因此能有效解決兩側(cè)噴嘴上方流動(dòng)狀態(tài)緩滯的問題。

圖19 不同工況下撞擊面移動(dòng)速度Fig.19 The movement speed of impact surface under different conditions

2.2.2 反應(yīng)器內(nèi)湍流特性 為了研究動(dòng)態(tài)條件下流場(chǎng)的湍流特性，對(duì)不同階躍工況下撞擊軸線上的湍流強(qiáng)度進(jìn)行分析，如圖20所示。不同工況下撞擊軸線上的湍流強(qiáng)度都呈現(xiàn)為單峰分布，撞擊面上流體湍流強(qiáng)度達(dá)到最大值，由于存在入口速率差，湍流強(qiáng)度峰值偏向入口速度小的一側(cè)。相同入口速率差下，隨著入口平均速率的增大，湍流強(qiáng)度峰值逐漸增大。隨著入口速率差的增大，撞擊軸線上湍流強(qiáng)度峰值逐漸增大。說明增大入口速率差與入口平均速率能夠增強(qiáng)撞擊軸線上流體的湍動(dòng)。

圖20 不同工況下撞擊軸線湍流強(qiáng)度Fig.20 The turbulence intensity of impact axis under different conditions

為了進(jìn)一步探究動(dòng)態(tài)條件下撞擊流反應(yīng)器內(nèi)的湍流特性，分析一個(gè)周期內(nèi)不同階躍入口條件下XOZ平面的平均湍動(dòng)能，如圖21所示?？梢钥闯鱿嗤肟谒俾什钕?，隨著入口平均速率的增大，平均湍動(dòng)能逐漸減小；相同入口平均速率下，隨著入口速率差的增大，平均湍動(dòng)能逐漸減小。

圖21 一個(gè)周期內(nèi)XOZ平面平均湍動(dòng)能Fig.21 The mean turbulent kinetic energy on XOZ plane in one cycle

3 結(jié) 論

為了探究階躍型入口速度對(duì)撞擊流反應(yīng)器流場(chǎng)特性的影響，本文運(yùn)用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬方法對(duì)不同入口速度條件下動(dòng)態(tài)撞擊流反應(yīng)器流場(chǎng)特征進(jìn)行研究。通過分析流場(chǎng)的流動(dòng)特征參數(shù)，并與穩(wěn)態(tài)撞擊流反應(yīng)器的流場(chǎng)特性進(jìn)行對(duì)比，得到以下結(jié)論：

（1）動(dòng)態(tài)撞擊流反應(yīng)器內(nèi)撞擊面隨著入口速度周期變化在左右兩噴嘴之間不斷移動(dòng)，撞擊區(qū)能夠延伸至噴嘴上下壁面處。相同周期下，撞擊面移動(dòng)速度越快，撞擊區(qū)在兩側(cè)停留時(shí)間就越長，因此能有效增加反應(yīng)器內(nèi)部分流動(dòng)狀態(tài)不佳區(qū)域的擾動(dòng)，有利于混合。

（2）動(dòng)態(tài)撞擊流反應(yīng)器內(nèi)，增大入口速率差以及入口平均速率，能夠顯著加強(qiáng)反應(yīng)器內(nèi)軸向流體的湍動(dòng)，并使徑向上流體劇烈擾動(dòng)。與穩(wěn)態(tài)條件相比，動(dòng)態(tài)入口條件下的流場(chǎng)湍動(dòng)能以及速度脈動(dòng)均高于穩(wěn)態(tài)入口條件，流場(chǎng)更為“活躍”。

（3）在保持入口平均速率相同的情況下，相比于穩(wěn)態(tài)，動(dòng)態(tài)撞擊流反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)產(chǎn)生更大的能量，反應(yīng)器內(nèi)軸向能夠產(chǎn)生強(qiáng)度更大的大渦，軸向的大渦為徑向輸送更多的小渦，在渦的形成與破碎的過程中，加劇了流場(chǎng)的擾動(dòng)，為周圍的流體釋放了更多的能量，有利于混合以及傳熱傳質(zhì)。

符 號(hào) 說 明

I——湍流強(qiáng)度

k——湍動(dòng)能，m2/s2

S——流體連續(xù)性方程源項(xiàng)

t——時(shí)間，s

u——流體矢量速度，m/s

v——入口速度，m/s

x,y——坐標(biāo)變量

ε——湍流耗散率，m2/s3

μ——?jiǎng)恿︷ざ?，Pa·s

ρ——密度，kg/m3