王宗勇， 陳 江， 趙家瑜

(沈陽化工大學能源與動力工程學院，遼寧沈陽 110142)

錯流射流也叫彎曲射流，是一種用于流體混合的技術(shù)方法，通過一股或多股射流進入到另一流體中，流體之間通過主體擴散、分子擴散和湍流擴散，達到物料混合的目的，適用于多物料、異密度的液-液、氣-氣及氣-液的快速混合體系.

New等［1］采用激光誘導熒光技術(shù)(LIF)研究了錯流射流橢圓形噴口的渦系和流場的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)導流型橢圓噴口的橫向射流具有的射流深度更大.Tian等［2］發(fā)展了一套三維LIF系統(tǒng)，并將其應用到未分層和分層橫流中的垂向圓浮射流的研究中，實驗結(jié)果表明，三維系統(tǒng)較其他測量技術(shù)能得到更多的實驗數(shù)據(jù)，并能對射流的流動和摻混過程有更深入的理解.Kelso等［3］采用流動熱線風速儀和顯示技術(shù)研究了錯流射流圓形噴口的渦系和流場發(fā)展，認為逆向旋轉(zhuǎn)渦對(CVP)主導了射流和橫流的混合過程.在國內(nèi)，韓會玲等［4］采用粒子圖像測速儀(PIV)對不同射流比時方管橫向射流的混合特性進行了研究.李煒等［5］采用粒子圖像測速儀(PIV)對錯流射流圓形噴口的射流中心軌跡和渦系結(jié)構(gòu)進行了研究.郭婷婷等［6］采用熱線風速儀對錯流射流圓形噴口的流場進行了研究，得到了射流角度對尾渦發(fā)展的影響規(guī)律.對于錯流射流的流動和渦系發(fā)展，存在許多的數(shù)值模擬研究報道，分別采用大渦方法［7］，雷諾平均方法［8］和直接數(shù)值模擬方法［9-10］對錯流射流的流動機理進行了研究.

本文提出一種結(jié)構(gòu)簡單的同心套管式錯流射流混合器，結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 同心環(huán)管射流混合器結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of the jet mixer

橫流流體在內(nèi)管和外管所形成的環(huán)形空間內(nèi)沿軸線方向流動，射流流體通過內(nèi)管管壁上周向及軸向布置的多個圓孔沿徑向垂直射入環(huán)形空間，通過與橫流流體的碰撞、卷吸等作用實現(xiàn)混合.該混合器中流體流動實際上是受限環(huán)形空間內(nèi)的錯流射流，關于該種流動特性的研究較少，對于環(huán)形空間錯流射流混合過程的認識還不是很透徹.為此，本文采用CFD 中的Fluent［11］軟件對單孔、雙孔環(huán)管錯流射流的流動特性進行數(shù)值模擬研究，為該種類型混合器的設計及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定的理論依據(jù).

1 數(shù)值模型

利用標準 k-ε 湍流模型［7，12-13］計算，其基本方程如下［12］:

式中:δij為克羅內(nèi)克爾符號，Sct為斯密特數(shù)，其定義為:δij=0(i≠j)或1(i=j);模型常數(shù)分別取值為:cμ=0.09，σk=1.00，σε=1.30，cε1=0.44，cε2=1.92.

1.1 建立模型

模型如圖2所示，研究的是同心環(huán)管，內(nèi)管上開有1個或2個射流圓孔，分別進行研究，射流孔開孔方向為環(huán)管徑向即初始射流方向與內(nèi)外管壁垂直.開2個孔情況下，2個孔位于環(huán)管同一周向位置，軸向間距為S.射流噴口直徑D=5 mm，管長20D，外管內(nèi)直徑為15D，內(nèi)管外直徑為5D.為便于流動特性的分析，在環(huán)管內(nèi)建立直角坐標系，y軸通過射流孔中心并指向環(huán)管半徑方向，x軸經(jīng)過y軸與內(nèi)管外壁交點并指向橫流流動方向，x軸與y軸的交點為坐標原點o，z軸通過原點o垂直于xoy平面，其指向符合右手螺旋定則.第一個射流出口到橫流入口的距離為2D，軸向孔間距 S=2D、4D、6D，射流流速比為Rv(射流流速v0與橫流流速ua之比).橫流流體和射流流體均為水，溫度均為298 K，動力黏度為 1.003 mPa·s，密度 998.2 kg/m3.

圖2 同心環(huán)管結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.2 The structure parameter of the concentric annular tubes

1.2 邊界條件和網(wǎng)格劃分

邊界條件為:

(1)橫流進口端面(x=-2D):u=ua(ua=0.05、0.1、0.2 m/s)，v=w=0.

(3)管壁處均為固壁，采用壁函數(shù)的模擬方式.

(4)射流出口:u=w=0，v=v0(v0=0.1、0.2、0.4 m/s).

模型網(wǎng)格劃分，首先在進口端面內(nèi)管和外管的2個底邊上各取120個節(jié)點，在進口端面上生成網(wǎng)格，間隔數(shù)30，面網(wǎng)格生成后進行體網(wǎng)格的劃分.在確保計算結(jié)果不受影響的條件下，在計算區(qū)域內(nèi)布置非均勻網(wǎng)格，射流孔上下游2D軸向長度、周向360°范圍內(nèi)網(wǎng)格布置較密，其余部分稍疏，稠密區(qū)域網(wǎng)格數(shù)為442 800個，稀疏區(qū)域網(wǎng)格數(shù)為111 600個，如圖3所示，這樣總共有554 400個網(wǎng)格，并且驗證了網(wǎng)格無關性.

圖3 計算網(wǎng)格示意圖Fig.3 The schematic diagram of computational grid

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 單孔射流的流動特性

2.1.1 射流流場

流速比是決定流場特性的一個重要參數(shù)［14］，圖4、圖5給出了射流流體與橫流流體在不同流速比Rv下通過射流孔中心的軸截面即xoy平面內(nèi)的速度等值線圖.圖4與圖5的橫流速度相同，均為0.1 m/s(Re=4 976)，而射流速度分別為0.4 m/s(Re=1 990)及0.2 m/s(Re=995).由圖4、圖5可見:不同的流速比下，橫向射流的穿透能力大不相同，隨著流速比的增加，其射流穿透深度增大;在受約束的橫向射流中射流的發(fā)展可分為3個區(qū):中心勢流區(qū)、最大變形區(qū)以及遠流場區(qū).中心勢流區(qū)在射流出口處射流中心，該區(qū)域內(nèi)的射流未受到橫流的影響，而在遠流場區(qū)，射流幾乎與橫流平行.圖6、圖7為對應的湍動能圖.

橫向流動環(huán)境中的射流或浮射流實驗［15-17］已經(jīng)觀察到存在由一對反向旋轉(zhuǎn)的渦對組成的內(nèi)部環(huán)流在垂直于射流軌跡的平面上.圖8(a)～(c)分別給出了Rv=4時，x/D=2、4、6同心環(huán)管橫截面速度云圖.由圖8可知橫截面上的速度最大值偏離軸對稱平面一定的距離.計算結(jié)果顯示:在射流出口附近，在流速比Rv一定的條件下，射流橫截面上速度最大值的偏離程度隨著x/D的增加而增加，但增長幅度越來越小，當x/D達到一定值后，射流橫斷面上速度最大值偏離軸對稱平面的距離將基本保持不變，這一現(xiàn)象也說明射流對于橫流的周向影響范圍隨著軸向距離的增加而增大.在進行同心環(huán)管射流混合器設計時，靠近軸向后端的射流孔在圓周方向可以設置得相對稀疏一些.

圖4 Rv=4軸截面速度等值線圖Fig.4 Rv=4 the velocity contour of section

圖5 Rv=2軸截面速度等值線圖Fig.5 Rv=2 the velocity contour of section

圖6 Rv=4軸截面湍動能圖Fig.7 Rv=4 the turbulent kinetic energy of section

圖7 Rv=2軸截面湍動能圖Fig.7 Rv=2 the turbulent kinetic energy of section

圖8 Rv=4時橫截面速度云圖Fig.8 Rv=4 the velocity contour of cross section

2.1.2 射流軌跡線

在進行射流與橫流的紊流流動特性研究中，射流軌跡是最重要的特征之一.本文的射流軌跡定義為在通過射流孔中心和環(huán)形管道軸線的對稱平面內(nèi)，不同橫截面上最大速度中心點的軌跡.圖9給出了不同流速比Rv的射流軌跡.由圖9可見，射流與橫流速度比對射流的穿透深度有很大影響，如在x/D=1時，Rv=1的射流穿透深度y=1.3D;Rv=4的射流穿透深度y=3.5D，后者的射流穿透深度是前者的2.7倍.因此，在射流噴口直徑和形狀固定的情況下為獲得更大的射流穿透深度，必須要提高射流速度比Rv.通過在變量中引入流速比Rv，可將各種射流比的射流軌跡線統(tǒng)一表示成:

該成果與根據(jù)理論分析得到的(y/D)∝(x/D)1/3一致，與文獻［18］給出的實驗成果y/D=(x/D)0.36吻合良好.圖 10 給出了射流比Rv=2不變的情況下，同時擴大或縮小射流速度和橫流速度時的射流中心軌跡，可以看出射流速度和橫流速度成比例增大或縮小對中心軌跡影響很小.

圖9 不同射流速度比下的射流中心軌Fig.9 The jet center track of the different jet velocity ratio

圖10 同流速比下不同流速的射流中心軌跡Fig.10 The jet center track of the same jet velocity ratio

2.2 雙孔射流的流動特性

環(huán)管的內(nèi)管設置多個射流孔可使橫流流體與射流流體的接觸面積顯著增大，同時各射流流動區(qū)域流體流動相互影響，若射流孔方位設置合理可進一步改善橫流體的混合效果.為此針對軸向雙孔之間的流動特性及相互影響做初步探索，關于周向多孔的流動特性尚需進一步研究.

圖11為流速比Rv=2、孔間距S=4D時橫流中雙孔射流中心平面上的速度等值線圖.由圖11可見，當多孔射流進入橫流中時，會形成三個區(qū):未合并區(qū)、過渡區(qū)和已合并區(qū).在未合并區(qū)內(nèi)，射流的現(xiàn)象與單個射流類似，由于第一個射流對后面射流的遮擋和卷吸作用，后面的射流比前一個射流有更小的彎曲度，從而導出對于相同的射流速度，后一個射流的速度等值線圖高度明顯高于第一個射流，說明第二射流的射流深度要大于第一個射流;在過渡區(qū)，射流與橫流之間有強烈的混合，其運動情況比較復雜;在已合并區(qū)，射流已完全合并，從而形成一個新的射流.為了分析射流孔間距對流動特性的影響，圖12及圖13分別顯示了流速比Rv=2，孔間距S=2D、6D時的雙孔射流中心平面上的速度等值線圖.對比圖11～圖13可以看出，雖然雙孔射流的流速比相同，但由于前一射流孔的徑向流動區(qū)域?qū)笠簧淞骺椎恼趽踝饔?，后一射流孔的流體穿透深度明顯增加，這種增加程度隨著雙孔間距的增大而減少.

圖11 S=4D速度等值線圖Fig.11 S=4D velocity contour map

圖12 S=2D速度等值線圖Fig.12 S=2D velocity contour map

圖13 S=6D速度等值線圖Fig.13 S=6D velocity contour map

3 結(jié)論

(1)射流與橫流流體的流速比Rv是影響橫向射流流場的重要因素，流速比Rv越大，射流的初始動量越大，射流越不容易彎曲，對流場的影響范圍也越大.

(2)射流比Rv不變的情況下，射流速度和橫流速度成比例增大或縮小對中心軌跡影響很小.

(3)射流存在射流分叉現(xiàn)象，在射流比Rv一定下，在射流的出口附近，射流橫截面上速度最大值的偏離隨著x/D的增加而增加，但增長幅度越來越小，當x/D達到一定值后，射流橫截面上速度最大值與對稱面偏離的距離將基本保持不變.

(4)多孔射流由于前一個射流的遮擋作用，后一個射流不容易發(fā)生彎曲，穿透深度更大，對流場的影響范圍更大.孔間距S影響多孔射流軌跡線，隨著孔間距的增大，軌跡線逐漸趨于同一流速比下單孔射流的軌跡線.選擇一個合適的射流孔間距可以使兩孔的射流軌跡、運動特征較為接近，有利于流體混合.

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