楊濮亦，王仕博，王華，熊靚，劉泛函

（昆明理工大學(xué)冶金節(jié)能減排教育部工程研究中心，云南 昆明 650093）

Y形氣-液頂吹噴槍流型及兩相流混合特性實(shí)驗(yàn)

楊濮亦，王仕博，王華，熊靚，劉泛函

（昆明理工大學(xué)冶金節(jié)能減排教育部工程研究中心，云南 昆明 650093）

貧化電爐氣液頂吹噴槍是一種獨(dú)特的垂直下降管，其一端Y形通入氣液兩相，一端直接通入熔池中進(jìn)行噴吹作業(yè)。本文采用多相流水模型模擬仿真的實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行了定量分析，結(jié)果表明:不同于傳統(tǒng)的垂直下降管，這種頂吹噴槍的管內(nèi)流型受氣液相間壓差的影響，產(chǎn)生了一種由環(huán)狀流過渡為泡狀流的流型，不同流型的分布區(qū)域與壓差的大小有關(guān)并且穩(wěn)定存在；在支管與主管的交叉區(qū)域，對(duì)于不同的氣液比存在3種氣液混合相分界面，并各自產(chǎn)生不同的流型；浸沒式頂吹氣泡群形態(tài)在不同的管內(nèi)流型驅(qū)動(dòng)下有較大差異，表現(xiàn)在深度及寬度兩個(gè)方面，并證明了氣液比為2～5間的生產(chǎn)效果是最佳的。

下降流；氣液兩相流；流動(dòng)；界面；混合

在冶金工業(yè)中，頂吹攪拌的操作將氣體吹入熔池，形成的氣泡和熔體間的相互作用對(duì)冶煉過程有著重要的作用。專利CN1730673介紹的加入頂吹攪拌工藝的電爐貧化方法[1]加強(qiáng)了熔池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)，雖然在工程上獲得了顯著的效果，但現(xiàn)有的管內(nèi)兩相流及氣泡攪拌的研究不足以滿足工程優(yōu)化及應(yīng)用。

雖然已進(jìn)行了大量的研究工作，但至今在兩相流領(lǐng)域只得出了有限的流動(dòng)結(jié)構(gòu)判別圖及相應(yīng)的流型判別式[2]，要正確地判別多相流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)是十分困難的[3]。對(duì)不同流動(dòng)條件下的兩相流流型的研究從未間斷，1944年Lockhart和Matinelli便開展了水平管中氣液兩相流的流型研究[4]，目前水平管和垂直上升管的氣液兩相流研究較完善[5-8]，主要是因?yàn)榛旌戏绞讲煌斐傻牧餍筒町怺9-10]，但均未發(fā)現(xiàn)新的流型[11-13]。Julia等[14]比較全面地報(bào)道了關(guān)于垂直下降管的流型，也有部分人做過T形管內(nèi)兩相流分離特性的研究[15]。這些報(bào)道的垂直管研究，兩端均處于封閉狀態(tài)，而貧化電爐頂吹噴槍為浸沒式頂吹，現(xiàn)有文獻(xiàn)尚不能對(duì)浸沒式氣液兩相流頂吹技術(shù)的研究提供有力支持。

本文通過實(shí)驗(yàn)研究了室溫條件下不搖擺的頂吹管內(nèi)流型及管內(nèi)Y形區(qū)域的氣液混合特性。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

論文中對(duì)于兩相流流型及噴吹攪拌形態(tài)的拍攝，是在昆明理工大學(xué)冶金節(jié)能減排教育部工程研究中心多相流流動(dòng)-傳熱耦合模擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行的。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)配德國(guó)產(chǎn)PCO. dimax HD高速攝像儀和佳能5DMarkⅢ數(shù)碼單反相機(jī)，此款高速攝像儀最高分辨率可達(dá)1920×1080像素，快門時(shí)間最高可達(dá)到1.5μs，單反相機(jī)最高分辨率為5760×3840像素，最高連拍速度6張/s，其重僅為高速攝像儀的十幾分之一，并配有焦距50mm光圈1.4的定焦鏡頭，在弱光條件下表現(xiàn)優(yōu)秀，光圈衍射很??；2000mm（L）×1000mm（W）×1500mm（H）尺寸的有機(jī)玻璃制貧化電爐模型（圖1），可以將頂吹噴槍的浸沒攪拌形態(tài)可視化。實(shí)驗(yàn)介質(zhì)是水和空氣，在一根具有同生產(chǎn)中噴槍一樣直徑的玻璃管中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)所選取的Y形管為主管垂直，支管以45°交叉至主管。主管內(nèi)徑16mm為液相管，支管內(nèi)徑10mm為氣相管，主管總長(zhǎng)1500mm。管道一端固定在鐵架上，另一端不固定并浸沒于水中，插入深度（150±5）mm，實(shí)驗(yàn)中自然搖擺幅度≤3°。直管中流體流動(dòng)方向垂直向下，實(shí)驗(yàn)使用氣體（空氣）轉(zhuǎn)子流量計(jì)和液體（水）轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)整及讀取流量。

圖1 Y形氣-水兩相流頂吹實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)

1.2 實(shí)驗(yàn)與測(cè)量方法

利用玻璃材質(zhì)的透明特性能夠直接觀察到流型的演變，但是由于流速較快需要加以高速攝像儀進(jìn)行輔助的拍攝，從而準(zhǔn)確判斷流型。實(shí)驗(yàn)中兩相流體的流量通過流量計(jì)和閥門控制，為了保證實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性，所有實(shí)驗(yàn)均在讀數(shù)保持穩(wěn)定后才進(jìn)行拍攝。實(shí)驗(yàn)中的液體和氣體是透明的，若采用逆光照明拍攝[16]各流態(tài)下的流型則會(huì)得到更好的圖像，因此在貧化電爐的模型的后側(cè)懸掛柔光布，使新聞燈的光分布均勻。由于高速攝像機(jī)不便移動(dòng)，因此使用數(shù)碼單反相機(jī)拍攝氣相管同液相管交界處的混合相界面，使用高速攝像儀拍攝管內(nèi)流型及出口處的攪拌形態(tài)。實(shí)驗(yàn)中高速攝像儀分辨率設(shè)置為640×480像素，曝光時(shí)間1ms，數(shù)碼單反相機(jī)快門速度為0.5ms。本項(xiàng)研究中的實(shí)驗(yàn)均采用色溫3200K的攝影溴鎢燈作為補(bǔ)充光源。針對(duì)玻璃管內(nèi)潔凈度和照明條件對(duì)拍攝圖像質(zhì)量的影響，通過圖像預(yù)處理[17]改善圖像質(zhì)量。將實(shí)驗(yàn)取得的兩相體積流量值除以主管橫截面積，折算為其在主管的折算流速并進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)裝置見圖2。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 流型分析

兩相流的流型是根據(jù)兩相流體之間的不同的界面結(jié)構(gòu)確定的，受到流體性質(zhì)、流道尺寸、流動(dòng)方向等因素的影響而發(fā)生一定的變化。垂直下降管的氣液兩相流流型和垂直上升管大體一致，但有細(xì)微的差別，Julia的報(bào)道[14]中總結(jié)為5種流型（圖3）。

圖2 氣液兩相流實(shí)驗(yàn)裝置

泡狀流[圖3(a)]是指管內(nèi)液相是連續(xù)的，而氣相則是小氣泡分散在液相中。這和垂直上升管的泡狀流是相似的，但是區(qū)別在于下降管中的泡狀流趨向于集中在管子的中心。帽形泡狀流[圖3(b)]廣義上講也是一種泡狀流，由于液相中的氣泡密度增加而團(tuán)聚形成較大的氣泡，其特殊性在于只存在下降管中，造成這種差異的原因是下降管泡狀流中管子中心的氣體濃度更高。當(dāng)帽形的氣泡凝結(jié)就會(huì)形成形似子彈的形狀被稱為彈狀流[圖3(c)]，與上升管不同，垂直下降管彈狀流中彈狀氣泡的頭部并不指向管子中線。攪拌流[圖3(d)]的形成機(jī)理目前還沒有一個(gè)統(tǒng)一的理論，有些學(xué)者以流體的湍流作用達(dá)到粉碎大氣泡而形成泡沫作為攪拌流的主要標(biāo)志，也有些學(xué)者認(rèn)為攪拌流的產(chǎn)生是由于氣量增加使平穩(wěn)的氣液界面遭到破壞，液膜產(chǎn)生流向反轉(zhuǎn)從而破壞了穩(wěn)定的彈狀流。環(huán)狀流[圖3(e)]是一種常見的流型，從外向內(nèi)液相包裹著氣相，Griffith等[18]認(rèn)為環(huán)狀流產(chǎn)生于彈狀流中氣泡的長(zhǎng)度趨向于無窮大時(shí)， Taitel等[19]則相信環(huán)狀流是由高速的氣流引起。

圖4展示的是本文研究中所獲得的7種管內(nèi)氣液兩相流動(dòng)形態(tài)。在氣流量保持為0但并不抽真空、液相流速為0.42m/s時(shí)，管內(nèi)出現(xiàn)帽形泡狀流，如圖4(a)所示。

在氣流量為0、液相流速降低至0.2m/s左右時(shí)，以及氣液比VG/VL∈（0，0.25）出現(xiàn)了圖4(d)所示的彈狀流，可以看到彈狀氣泡的頂端偏向管壁一側(cè)。含氣率的增高產(chǎn)生了彈狀流，進(jìn)一步提高氣液比會(huì)導(dǎo)致攪拌流的產(chǎn)生。

液相流速減小至0.17m/s時(shí)，管內(nèi)流型開始出現(xiàn)泡狀流，如圖4(b)所示。但此流型并不穩(wěn)定，其上部會(huì)出現(xiàn)環(huán)狀流，形成環(huán)狀流向泡狀流過渡的界面[圖4(c)]，其擾動(dòng)十分劇烈。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)此過渡界面的位置不固定，當(dāng)其移動(dòng)至管子的下部時(shí)，會(huì)急速向上移動(dòng)，此時(shí)管道中形成較長(zhǎng)的彈狀流，界面移動(dòng)至管子上部后便重新向下運(yùn)動(dòng)，待氣彈全部噴出便完成一個(gè)位移循環(huán)。這表明垂直下降管中，管子兩端流體壓力對(duì)管內(nèi)流型有重要的作用，頂吹噴槍的兩端壓力不一致則導(dǎo)致了這種特殊的流態(tài)。當(dāng)界面上移后管道中液相體積突然減小導(dǎo)致壓力降低，氣相壓力相對(duì)增大使氣泡相互凝聚形成彈狀流。

圖3 垂直下降管的兩相流流型

圖4 本研究中所獲取的流型

液相流速減小至0.13m/s后，管內(nèi)的氣彈開始出現(xiàn)了分裂及分散的現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)中把這種出現(xiàn)管內(nèi)不規(guī)則氣泡流的流型視為攪拌流[圖4(e)]，這說明增加氣液兩相體積會(huì)增強(qiáng)氣液間的湍流作用。在氣液比VG/VL∈（0.25，0.5）也出現(xiàn)了攪拌流。

當(dāng)液相流速減小至0.1m/s，出現(xiàn)了液膜不穩(wěn)定的環(huán)狀流，如圖4(f)所示。而在噴槍浸沒部分則為泡狀流[圖5(a)]，這證明管子中心氣柱的壓力小于管口處的液體壓力，因此當(dāng)氣柱底部抵達(dá)浸沒液面后無法將氣體直接壓出噴槍，在液面經(jīng)過撞擊和擠壓后形成了泡狀流。這也是一種環(huán)狀-泡狀流，過渡界面的位置相對(duì)穩(wěn)定。加大通氣量后出現(xiàn)了圖5(b)所示的情況，此時(shí)氣柱壓力與水壓平衡，證明了頂吹噴槍內(nèi)流型的轉(zhuǎn)變是由氣液兩相的壓力差引起的。在液相流速低于0.05m/s后產(chǎn)生了圖4(g)所示的環(huán)狀流，其液膜更加平滑并且更薄，此時(shí)氣相及液相的流量都較低，Oshinowo等[20]稱這種流型為純環(huán)狀流。環(huán)狀流同樣出現(xiàn)于氣液比大于0.5后的流動(dòng)中。

實(shí)驗(yàn)中得到的不同的氣液流速條件下的流型發(fā)生轉(zhuǎn)變的數(shù)據(jù)歸納在圖6中，有報(bào)道[21]指出當(dāng)壓力保持不變、含氣率在0.1～1之間時(shí)，氣液兩相流均以環(huán)狀流形式存在，本文的研究證實(shí)此理論不適用于頂端封閉底端浸沒的頂吹噴槍中，頂吹噴槍內(nèi)出現(xiàn)環(huán)狀流的含氣率臨界點(diǎn)應(yīng)為0.5左右。

圖5 氣壓液相間壓差對(duì)氣柱位置的影響

圖6 D=16mm頂吹噴槍管內(nèi)流型轉(zhuǎn)折點(diǎn)分布圖

2.2 氣液兩相管內(nèi)混合特性分析

在本研究中還根據(jù)混合相界面分布形態(tài)的差異歸納了噴槍Y形區(qū)域的氣液混合相界面類型，即泡形界面、線性界面及半球界面，如圖7所示，其中圖7(b)是圖7(a)的高曝光速度拍攝。泡形界面只在氣相流量為0并且液相流速大于0.24m/s的條件下被觀察到，此時(shí)管內(nèi)流型為帽形泡狀流?？梢钥闯?，管內(nèi)的氣液相分界面并不清晰[圖7(a)中A]，這是因?yàn)闅庀嘀Ч苤械臍怏w沒有主動(dòng)流入主管，因此主管中液體向下運(yùn)動(dòng)至支管與主管交叉部分的中空區(qū)域則自由下落。延長(zhǎng)曝光時(shí)間可以體現(xiàn)出部分液滴下落軌跡，可以看出液體在此區(qū)域的豎直下落并在交叉部分下方形成了液相對(duì)氣相的卷吸夾帶作用，此作用在氣體流量為0的條件下將支管內(nèi)的氣體卷入液相當(dāng)中，產(chǎn)生了不連續(xù)的較大氣泡，如圖7(b)中B所示，形成帽形泡狀流流型。

圖7 Y形氣液頂吹管內(nèi)氣液混合類型

隨著液相流量的減小，產(chǎn)生的兩相混合線性界面呈圖7(c)所示，此混合界面下方的直管中可觀察到彈狀流、攪拌流及環(huán)狀流。研究中發(fā)現(xiàn)，即便是不斷加大氣量，在液體流速小于0.1m/s前均是此界面形態(tài)，可以認(rèn)定這是一種穩(wěn)定的Y形管管內(nèi)兩相混合界面。在保證此界面的條件下改變氣液比，并未造成混合界面的明顯變化，氣體被壓進(jìn)入直管后向管中心運(yùn)動(dòng)，而液體則包裹在氣柱外部直至形成穩(wěn)定的流型。這一過程發(fā)生在交叉點(diǎn)以下150～200mm的距離內(nèi)，氣液比的改變會(huì)對(duì)此距離造成影響。

圖7(d)所示的是半球界面，可以看到兩相分界面位于交叉點(diǎn)之上，在氣液量較小及氣液比較大時(shí)均出現(xiàn)此型界面。在氣液量均較小時(shí)其形成機(jī)理為液壓小于氣壓而無法將管內(nèi)氣柱壓出噴槍，一旦氣壓足以將氣柱壓出管道，則界面恢復(fù)為圖7(c)中形態(tài)，當(dāng)氣液比較大時(shí)此界面因氣相壓力過大將分界面向上擠壓而成。

2.3 氣液兩相流頂吹攪拌形態(tài)

貧化電爐氣液兩相流頂吹的工藝關(guān)鍵在于使用頂吹技術(shù)將還原劑噴入熔池并利用氣泡加強(qiáng)攪拌，本文作者曾在關(guān)于氣泡在雙層黏性流體中運(yùn)動(dòng)的報(bào)道[22]中指出，噴槍口若距離雙層液體分界面過近會(huì)將下層液體攪入上層液體，可見使攪拌深度最小化在電爐頂吹攪拌中是至關(guān)重要的。圖8顯示了實(shí)驗(yàn)中所得到的攪拌形態(tài)。

從圖8中可以看出，泡狀流型產(chǎn)生的氣泡群下潛深度最大，而純環(huán)狀流最小。氣泡從噴槍口噴出后進(jìn)入熔池受到浮力的作用做減速運(yùn)動(dòng)，由式（1）可以得出氣泡直徑與受到的浮力成正比關(guān)系，因此在液相流速較大的情況下較小氣泡減速運(yùn)動(dòng)距離更長(zhǎng)造成更大的氣泡群下潛深度。從彈狀流開始?xì)怏w在噴出后即可以產(chǎn)生鼓泡現(xiàn)象，但氣泡仍然需要運(yùn)動(dòng)一小段距離后才會(huì)上浮，在氣彈之間存有微型氣泡使氣泡群下部形態(tài)與圖8(a)相似。環(huán)狀流型下噴吹的氣泡是連續(xù)的大型氣泡，在浮力及氣泡羽流[23]的作用下減少了氣泡群的下潛深度，其產(chǎn)生的大量小氣泡則包裹大型鼓泡使氣泡群寬度值增加。因此在生產(chǎn)中需保證環(huán)狀流型的產(chǎn)生以獲得最大的橫向攪拌范圍。

圖8 不同流型產(chǎn)生的攪拌形態(tài)

式中，F(xiàn)為氣泡所受浮力，N；ρ為水的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；r為氣泡半徑，m。

為了進(jìn)一步了解氣泡群寬度的影響因素，繪制了圖9。從圖9中可以看出，氣液比為2后氣泡群寬度達(dá)到峰值，隨后呈下降趨勢(shì)。已知?dú)庖罕冗_(dá)到0.5后即為環(huán)狀流，因此可知流型的變化并不是氣泡群寬度下降的直接原因。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)在氣液比達(dá)到10左右時(shí)，噴槍Y形區(qū)為圖7(d)所示形態(tài)，噴吹攪拌形態(tài)則如圖8(d)所示?？芍藯l件下產(chǎn)生的小氣泡數(shù)量減少，單一的大氣泡導(dǎo)致了氣泡群寬度值的降低。圖10總結(jié)了氣液混合界面形態(tài)、管內(nèi)流型及噴吹攪拌氣泡群形態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以看出管內(nèi)含氣率對(duì)流型及攪拌形態(tài)起到了重要作用，并且對(duì)深入研究頂吹噴槍管內(nèi)流型及噴吹攪拌有一定的指導(dǎo)意義。

圖9 氣液比同氣泡群寬度的關(guān)系

圖10 兩相混合界面-管內(nèi)流型-噴吹攪拌形態(tài)關(guān)系樹

3 結(jié) 論

本文經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)，借助高速攝影技術(shù)拍攝并分析了氣液混合頂吹噴槍的兩相混合形態(tài)、管內(nèi)流型及噴吹氣泡群攪拌形態(tài)。分析得到如下主要結(jié)論。

（1）在頂吹噴槍的流型獲取實(shí)驗(yàn)中，并未在噴槍浸沒部分以上觀察到穩(wěn)定的典型泡狀流型，穩(wěn)定的泡狀流型僅在噴槍的浸沒部分被觀察到。而環(huán)狀-泡狀流是一種由環(huán)狀流直接過渡到泡狀流的流動(dòng)形態(tài)，雖然是一種過渡形態(tài)但是由于其長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)態(tài)存在，也可以視為適用于浸沒式頂吹噴槍的一種穩(wěn)定的管內(nèi)流型。

（2）在浸沒式頂吹噴槍（D=16mm）的Y形兩相混合區(qū)域會(huì)產(chǎn)生3種穩(wěn)定的氣液混合的界面，分別為泡形界面、線性界面和半球界面。在氣液比VG/VL∈（0，10）產(chǎn)生的是線形界面，其產(chǎn)生了本研究中的大部分流型，其他兩種混合界面只在氣液量均極小或兩者相差很大的極端情況下出現(xiàn)。

（3）不同的流型所產(chǎn)生的噴吹氣泡群攪拌的形態(tài)及尺寸差異很大，這主要取決于氣泡群所受到的浮力大小，當(dāng)大型氣泡生成后，氣泡群的深度減小而寬度增加。增加氣液比以形成環(huán)狀流可以加強(qiáng)橫向攪拌并減小噴吹深度，這對(duì)于貧化電爐頂吹還原反應(yīng)而言是有益的。但氣液比超過2后會(huì)造成氣泡群的寬度值降低，因此在生產(chǎn)中需將氣液比控制在2～5之間。

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Experimental study on the mixing characteristics and flow patterns of gas-liquid two-phase flow in Y-type top blowing nuzzle

YANG Puyi，WANG Shibo，WANG Hua，XIONG Liang，LIU Fanhan
（Engineering Research Center of Metallurgical Energy Conservation and Emission Reduction Ministry of Education，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，Yunnan，China）

The top blowing nuzzle for slag cleaning furnace is a distinctive kind of vertical downward pipe. Gas and liquid enter the pipeline from the Y-type tube，the other end of the nozzle is immersed in the molten pool. This paper analyzed multiphase flow quantitatively using simulation model in the experiments. The results show that the pressure difference of gas-liquid phase caused a transition from steady annular flow to steady bubbly flow was，and the area of each flow pattern depended on of the pressure difference. Three types of gas-liquid flows presented at the phase interface in the section between the main pipe and branch pipe（the area of mixing phase of gas and liquid）. The differences of bubbles stirred by immersion top blowing on different flow patterns were manifested in depth and width. The production was optimal at gas-liquid ratio of 2—5.

download flow；gas-liquid flow；flow；interface；mixing

O 359+.1

A

1000-6613（2014）08-1957-07

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.08.003

2014-01-20；修改稿日期：2014-02-13。

云南省自然科學(xué)基金（2013FB020）及校企聯(lián)合基金（KKK0201352027）項(xiàng)目。

楊濮亦（1988—），男，碩士研究生，主要從事多相流強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)研究。E-mail mailyangpy@foxmail.com。聯(lián)系人：王仕博，講師，主要從事冶金過程模擬研究。E-mail ph.d.wangshibo@foxmail. com。