成 慰，周 萍，馬 驥，夏中衛(wèi)，廖 舟

(1.中南大學 能源科學與工程學院，湖南長沙410083；2.中南大學流程工業(yè)節(jié)能技術湖南省重點實驗室，湖南長沙410083；3.株洲冶煉集團股份有限公司，湖南長沙412004)

側吹氣流穿透深度及氣泡脫離頻率模型實驗

成 慰1,2，周 萍1,2，馬 驥1,2，夏中衛(wèi)3，廖 舟3

(1.中南大學 能源科學與工程學院，湖南長沙410083；2.中南大學流程工業(yè)節(jié)能技術湖南省重點實驗室，湖南長沙410083；3.株洲冶煉集團股份有限公司，湖南長沙412004)

通過建立側吹模型實驗裝置，對側吹氣體的穿透行為和氣泡的脫離頻率特性進行了實驗研究。利用高速攝影儀記錄了氣體運動過程,并運用Matlab圖像處理方法對實驗所得氣體穿透深度和氣泡脫離周期等信息實現了自動提取。在實驗結果的基礎上,通過量綱分析法得出了本實驗側吹過程中氣體在不同液體溫度、氣體流量條件下的無量綱最大穿透深度的經驗公式,從而為討論不同條件下側吹氣液兩相間的反應速率以及攪拌強度等問題提供參考依據。

浸入式側吹；氣體穿透深度；氣泡脫離頻率；量綱分析

側吹熔池熔煉廣泛應用于鉛鋅冶煉、銻冶煉、吹氣煉銅等冶金工業(yè)領域[1],其側吹氣體穿透行為以及氣泡脫離頻率特性是影響冶金側吹工藝的重要因素。它不僅關系到側吹爐窯中氣液間的反應效率,還決定著側吹爐窯的安全使用壽命[2]。目前研究者針對冶金側吹爐的相關模型實驗主要研究氣泡直徑以及射流行為,如M.Jamialahmadi[3]、韓旭[4]等人發(fā)表過相關文章,而關于氣液兩相流中氣體穿透行為以及氣泡脫離頻率特性的研究較少。隨著信息技術的發(fā)展,對于模型試驗數據的提取方法已經有了很大的突破,而高效準確的Matlab圖像處理法[5]就是其中之一。

本文通過對側吹氣體穿透行為以及氣泡脫離特性的實驗研究,運用Matlab圖像處理法提取實驗數據,研究氣體流量、液面高度以及液體溫度對氣體穿透深度和氣泡脫離頻率的影響規(guī)律。在實驗結果的基礎上，通過量綱分析方法擬合了浸入式側吹過程中氣體無量綱最大穿透深度的經驗公式,從而為側吹熔煉爐的設計與研究提供理論指導。

1 實驗裝置

側吹水模型是參照某廠煙化爐爐體原型,依據相似三定律,按照幾何比例為1：8進行設計。其模型結構用有機玻璃制作,實驗氣體選用N2,實驗液體選取水。實驗裝置(見圖1)包括：1)供氣部分。由N2氣罐(氣源)、壓力表、質量流量計、閥門、加熱器、噴嘴組成。2)水模型系統(tǒng)。由容器水、恒溫器組成。3)攝像系統(tǒng)。由高速攝影儀、Na燈光源和計算機終端組成。實驗裝置具體尺寸及參數范圍參見表1。

圖1 實驗裝置連接示意

為了測量氣體在液體中的穿透行為和氣泡脫離特性，利用高速攝影儀拍攝氣體吹入液體過程，并連接至計算機終端,利用Matlab軟件進行圖像處理,分析氣體的穿透深度和氣泡脫離頻率數據。

2 Matlab圖像處理方法

通過高速攝影儀拍攝了水模型中氣液兩相流動過程的數字圖像,并利用Matlab圖像處理方法提取氣體穿透行為和氣泡脫離特性參數。其關鍵是將圖像進行二值化處理(如圖2所示),再通過Matlab編寫的程序將二值化圖像轉化為標簽矩陣,并對標簽矩陣提取圖像特征函數,從而得到氣體穿透行為和氣泡脫離頻率特性參數。表2和表3分別表示Matlab圖像處理方法所提取的穿透深度H和氣泡脫離頻率f。

圖2 圖像二值化處理前后照片

表2 無量綱氣體穿透深度H/D

表3 氣泡脫離頻率f/Hz

3 實驗結果及分析

根據王紅一等人的研究[6]可知,本實驗中修正弗勞德數Fr’lt;50(Fr’=ρgv2/ρ1gD),氣體流態(tài)的變化范圍處于氣體鼓泡流到過渡流之間。本文將從處于流態(tài)變化范圍內的氣體穿透行為和氣泡脫離頻率進行研究。

3.1 氣體穿透深度

3.1.1 氣體流量對于氣體穿透深度的影響

當液體溫度、液面高度相同時,所吹入的N2在不同氣體流量條件下,無量綱平均穿透深度的變化情況如圖3所示。

圖3 氣體無量綱平均穿透深度在不同溫度下隨氣體流量的變化情況

當氣體流量較小(如0.5 m3/h)時,氣體吹入液體后主要以單氣泡形式脫離噴嘴,如圖4(a)所示,此時氣體穿透深度主要受限于單氣泡的直徑大小。隨著氣體流量的增大,單氣泡之間會出現融合聚并現象,如圖4(b)所示，這一階段氣體的無量綱穿透深度與氣體流量呈非線性增加的關系。當氣體流量由0.5 m3/h增加至1.875 m3/h時,其穿透深度增加約4D,無量綱穿透深度與氣體流量兩者增量之比約為3.0。隨著氣體流量繼續(xù)增加,氣泡間的融合聚并現象比較明顯,氣泡很少以單氣泡形式脫離,而是以大氣泡或氣團形式上升,如圖4(c)所示,此時較大流量的氣體具有更強的慣性力，吹入液體后會產生更大的穿透深度，但無量綱穿透深度的增量與氣體流量的增量之比降低至1.0左右。

圖4 氣泡隨著氣體流量增加時所形成的3種形態(tài)

3.1.2 液體溫度對于氣體穿透深度的影響

在氣體流量等條件一定的情況下,液體溫度對于氣體穿透深度的影響如圖3與表2所示。實驗結果表明,當液體的溫度由20℃增加至70℃時,氣體的平均穿透深度增加2.3D。這主要是因為當液體溫度升高時,液體的粘度隨著其溫度的增加而減小,使得液體對氣體的粘性阻力減小，因而氣體在液體中的穿透深度會增加。同時由于氣體在氣液溫差的作用下會不斷受熱膨脹,氣泡直徑增加,也會使其在液體中的穿透深度增加。

3.1.3 液面高度對氣體穿透深度的影響

圖5表示當氣流量為1.2 m3/h,液面高度分別為0.22 m和0.11 m時,其氣體穿透深度隨時間變化情況。由于在此氣體流量時氣泡間的融合聚并作用,使得氣體穿透深度隨時間變化表現為不穩(wěn)定,但氣體穿透深度始終保持在3.6～3.9 D的變化范圍內。表4為兩種液面高度下氣體穿透深度平均值。

圖5 氣流量為1.2 m3/h時不同液面高度的穿透深度

表4 兩種液面高度下氣體穿透深度平均值H(Q=1.2 m3/h)

由表4可以看出,液面高度增加1倍時,氣體平均穿透深度相差0.4%。這主要是因為,實驗的液面高度變化所造成的壓力變化只占大氣壓力的1/100左右,對穿透深度的影響并沒有起到主導作用,所以本實驗中液面高度變化對氣體穿透深度的影響較小。

3.2 氣泡脫離頻率

3.2.1 氣體流量對氣泡脫離頻率的影響

氣泡脫離頻率在不同溫度下隨氣體流量的變化情況見圖6。

圖6 氣泡脫離頻率在不同溫度下隨氣體流量的變化情況

由圖6可看到,當液體溫度相同時,隨著氣體流量的增加，氣泡脫離頻率呈非線性減小的趨勢，即氣泡脫離頻率的變化率不斷減小。如圖6與表4所示,在液體溫度相同時,當氣體流量由0.5 m3/h增加至2.5 m3/h時,氣泡脫離頻率平均減小13 Hz,呈現非線性減小趨勢。這是因為當氣體流量較?。ㄈ?.5 m3/h）時,氣泡處于鼓泡流狀態(tài)，如圖4(a)所示。隨著氣體流量逐漸增大至1.2 m3/h時,氣泡呈現過渡流流態(tài)現象，如圖4(b)所示，此時上一個氣泡會因為下一個氣泡的卷吸融合作用而不能完脫離,導致氣泡脫離周期增大,氣泡脫離頻率減小。當氣體流量繼續(xù)增加至2.5 m3/h時,氣泡過渡流流態(tài)現象變得非常明顯,如圖4(c),此時脫離周期在繼續(xù)增大,氣泡脫離頻率進一步減小。

3.2.2 液體溫度對氣泡脫離頻率的影響

在氣體流量等條件一定的情況下，液體溫度對于氣泡脫離頻率的影響如圖4與表3所示。實驗結果表明,當液體的溫度由20℃增加至70℃時,氣泡脫離頻率減小約25%。這主要是因為當液體溫度較小時，液體運動粘度較大。隨著液體溫度升高到時，液體運動粘度減小，表面張力減弱，根據M.Jamialahmadi等人的研究表明[3],此時氣泡生成直徑會增大,而較大體積的氣泡會使得氣泡間更容易出現融合現象，因而氣泡脫離周期增大,氣泡脫離頻率減小。同時,氣體由于受熱膨脹，單個氣泡生成周期變大,這也會使得氣泡脫離頻率減小。

4 無量綱穿透深度經驗公式的擬合

有研究表明[7-8],氣體的穿透深度與氣體動量通量M、噴嘴直徑D、液體密度ρl、重力加速度g、以及液體粘度η相關,并通過量綱分析法求解得：

式中：Fr’=ρgv2/ρlgD，Fr’=M/ρlgD3。本實驗中，噴管直徑為d=0.005 m,ρl=998.2 kg/m3,ρg=1.16 kg/m3。將這些已知數據代入式(1),并結合圖3實驗數據點,經過換算后擬合代入式(1),得到本實驗氣體無量綱穿透深度數學表達式,如式(2)所示,其中K=3.751,b=0.287, c=0.063。

根據擬合評價指標顯示，均方差MSE=0.108,確定系數R2=0.950 24,擬合結果較好。從擬合評價指標來看,式(2)可以較好地反映氣體穿透深度與修正弗勞德數、液體粘度系數等條件之間的關系。故本實驗中氣體在不同溫度、氣體流量等條件下的氣體無量綱穿透深度可用式(2)計算。

5 結論

本文通過水模型實驗,分析了氣體流量、液面高度以及液體溫度對氣體穿透深度和氣泡脫離頻率的影響規(guī)律,如下：1)當氣體流量由0.5 m3/h增加至2.5 m3/h時,氣體穿透深度平均增加5 D左右,氣體的無量綱穿透深度與氣體流量呈非線性增加的關系；當液體溫度由20℃增加至70℃時，氣體穿透深度平均增加1.85 D;實驗中液面高度對氣體穿透深度影響不大。2)氣泡脫離頻率隨氣體流量增大而呈非線性減小趨勢,當氣體流量由0.5 m3/h增加至2.5 m3/h時,氣泡脫離頻率平均減小13 Hz；當液體溫度由20℃增加至70℃時,氣泡脫離頻率平均減小約25%。3)建立了本實驗中氣體無量綱穿透深度與修正弗勞德數、液體粘度系數等條件之間關系式：H/D=3.751 Fr’0.287(ρlD1.5/η)0.347。

[1] Martin BJURSTR?M,Anders TILLIANDER,et al.Physicalmodeling Study of Fluid Flow and Gas Penetration in a Side-blown AOD Converter[J].ISIJ International,2006(4)：523-529.

[2] 閆紅杰,劉方侃,張振揚,等.氧槍布置方式對底吹熔池熔煉過程的影響[J].中國有色金屬學報，2012,22(8)：2393-2400.

[3] M.Jamialahmadi,M.R.Zentaban,et al.Study of bubble formation under constant flow conditions[J].Trans IChemE,2011,79(A)：523-532.

[4] Wang H,Dong F.Track of rising bubble in bubbling tower based on image processing of high-speed video[C]//Seventh International Symposium on Instrumentation and Control Technology. International Society for Optics and Photonics,2008.

[5] 李小燕,蔡晉輝.利用數字圖像識別技術的兩相流參數檢測研究[J].原子能科學技術,2006,40(B09)：15-18.

[6] 王紅一.基于圖像處理技術的兩相流動特性描述[D].天津：天津大學,2009.

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The Experimental Study on the Penetration Behavior and Bubble Departure Frequency of Side-Blowing

CHENG Wei1,2,ZHOU Ping1,2,MA Ji1,2,XIA Zhongwei3,LIAO Zhou3

(1.School of Energy Scienceamp;Engineering,Central South University,Changsha,Hunan 410083,China; 2.Hunan Key Laboratory of Energy Conservation in Process Industry,Changsha,Hunan 410083,China; 3.Zhuzhou Smelter Group Co.,Ltd.,Zhuzhou,Hunan 412004,China)

The experiment of the penetration depth and the departure frequency of the bubbles by using the imaging method and image processing method for the Immersion Side-Blowing model is performed.The dimensionless empirical formula for bubble penetration depth is obtained at different liquid temperature and gas flow rate through the dimensional analysis,providing a reference to discuss the different characteristics,mixing intensity,the reaction rate of the gas-liquid flow and stirring intensity.

Immersion side-blown;Hydraulic model;Air penetration depth;Bubble departure frequency;Dimensional analysis

TF801.3

B

1004-4345(2014)05-0017-04

2014-07-23

國家高技術研究發(fā)展計劃“863”資助項目(2011AA061003)。

成 慰(1991—),男,碩士研究生,主要從事熱工過程與設備的數值仿真研究。

周 萍(1965—),女,教授,主要從事熱工過程與設備的數值仿真研究。