周萍，成慰，馬驥，夏中衛(wèi)，廖舟

(1. 中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，流程工業(yè)節(jié)能技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙，410083；2. 株洲冶煉集團(tuán)股份有限公司，湖南株洲，412004)

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側(cè)吹氣流流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究

周萍1，成慰1，馬驥1，夏中衛(wèi)2，廖舟2

(1. 中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，流程工業(yè)節(jié)能技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙，410083；2. 株洲冶煉集團(tuán)股份有限公司，湖南株洲，412004)

通過(guò)搭建側(cè)吹模型實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)側(cè)吹氣流流動(dòng)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。利用高速攝影儀記錄氣體側(cè)吹流動(dòng)過(guò)程，并運(yùn)用MATLAB圖像處理方法對(duì)實(shí)驗(yàn)所得氣流流動(dòng)特性參數(shù)等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)批量處理。研究結(jié)果表明：氣泡脫離頻率與修正弗勞德數(shù)呈非線性減小關(guān)系，與液體黏度呈非線性增加關(guān)系；量綱一氣體穿透深度隨修正弗勞德數(shù)呈非線性增加趨勢(shì)，而與噴管直徑、液體黏度呈非線性減小趨勢(shì)。

浸入式側(cè)吹；水模型；氣體穿透深度；氣泡脫離頻率

氣體噴射熔池熔煉是通過(guò)向熔池中噴入氣體，利用氣體上浮對(duì)熔池內(nèi)的熔體產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪拌作用，以提高熔池的傳熱、傳質(zhì)和冶金反應(yīng)速率，從而促進(jìn)渣與金屬的混合，加快固體料熔化，縮短冶煉時(shí)間，最終達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率的目的[1]。側(cè)吹技術(shù)作為氣體噴射熔池熔煉方式中的一種，被廣泛應(yīng)用于鉛鋅冶煉、銻冶煉、吹氣煉銅等冶金工業(yè)領(lǐng)域[2]。側(cè)吹流動(dòng)過(guò)程中表征氣體流動(dòng)特性的參數(shù)主要有氣泡脫離頻率和氣體穿透深度，它們直接影響著熔池熔煉過(guò)程中熔體的攪拌區(qū)域與攪拌程度，是熔池熔煉設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參考依據(jù)[3]，因此，研究側(cè)吹流動(dòng)過(guò)程中的氣流穿透速度以及氣泡脫離頻率具有十分重要的意義。目前，研究者針對(duì)冶金側(cè)吹爐的相關(guān)模型實(shí)驗(yàn)主要研究氣泡直徑[4]、氣相流型[5?9]、氣泡分布情 況[10]、氣泡直徑特性[11?16]、射流行為[17?19]，而對(duì)側(cè)吹氣流流動(dòng)過(guò)程中氣液兩相流氣泡脫離頻率以及氣體穿透深度的研究較少。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的提取方法有了很大突破，而高效的MATLAB圖像處理法[20]就是其中之一。本文作者通過(guò)搭建側(cè)吹模型實(shí)驗(yàn)裝置，運(yùn)用高速攝影技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中氣液兩相流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行跟蹤拍攝，并利用MATLAB圖像處理法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)批量處理，系統(tǒng)研究氣體流量、液體黏度、噴管直徑等對(duì)氣泡脫離頻率和氣體穿透深度的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

側(cè)吹水模型實(shí)驗(yàn)裝置是參照某廠側(cè)吹熔池熔煉爐體原型，依據(jù)相似定律，按照幾何比例1:8進(jìn)行設(shè)計(jì)的。為了對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行可視化操作，其模型結(jié)構(gòu)采用在高度方向上標(biāo)有長(zhǎng)度刻度的透明有機(jī)玻璃制作。實(shí)驗(yàn)選用難溶于水、不易反應(yīng)、無(wú)毒無(wú)色的N2作為噴吹氣體，實(shí)驗(yàn)液體為水。實(shí)驗(yàn)裝置連接示意圖如圖1所示。

1—氮?dú)夤蓿?—減壓閥；3—質(zhì)量流量控制系統(tǒng)；4—閥門(mén)；5—溫度計(jì)；6—高速攝像機(jī)。

1) 供氣部分。N2氣源以液態(tài)形態(tài)被儲(chǔ)存在N2存儲(chǔ)罐中，并通過(guò)減壓閥的減壓氣化作用使具有一定壓力和流速的氣態(tài)N2經(jīng)過(guò)連接管道由側(cè)吹模型容器噴嘴噴射進(jìn)入容器內(nèi)部。其中，氣流流量通過(guò)SEVEN- STAR?D07?19B質(zhì)量流量控制器和D07?19BM質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行控制和檢測(cè)。

2) 水模型系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由容器、實(shí)驗(yàn)液體、溫度計(jì)3部分組成。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)不同試驗(yàn)工況對(duì)實(shí)驗(yàn)液體進(jìn)行加熱，利用溫度計(jì)檢測(cè)溫度。

3) 攝像系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)采用RedlakeTMMotionPro X?3高速攝影儀，設(shè)定采樣頻率為1 kHz，通過(guò)Na燈光源的強(qiáng)光照射，將側(cè)吹流動(dòng)過(guò)程通過(guò)照片形式保存至計(jì)算機(jī)終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)流動(dòng)過(guò)程的實(shí)時(shí)檢測(cè)。為了增強(qiáng)拍攝效果，需要在燈源側(cè)壁面添加硫磺紙以均勻 光線。

4) 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。利用MATLAB圖像處理技術(shù)對(duì)保存在計(jì)算機(jī)終端的圖像進(jìn)行處理，并提取特征參數(shù)即氣泡脫離頻率與氣體穿透深度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 氣體流動(dòng)形態(tài)

實(shí)驗(yàn)裝置具體結(jié)構(gòu)參數(shù)及操作參數(shù)見(jiàn)表1。從表1可知：本實(shí)驗(yàn)中修正弗勞德數(shù)′在0.5~608.0之間，此時(shí)側(cè)吹流動(dòng)過(guò)程中氣體流態(tài)處于氣體泡狀流到間歇式乳狀流的變化范圍之內(nèi)[19]，如圖2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)裝置具體結(jié)構(gòu)參數(shù)及操作參數(shù)

Table 1 Experimental structure and operation parameters

(a) 泡狀流，′=0.5；(b) 彈狀流，′=27.9；

(c) 間歇式乳狀流，′=608

圖2 側(cè)吹流動(dòng)過(guò)程中氣流3種不同流態(tài)

Fig. 2 Three flow patterns of side-blown processing

由圖2可知：泡狀流流型特征是氣泡有規(guī)律地生成，且具有嚴(yán)格的周期性，氣泡間不存在相互作用；彈狀流流型特征是氣泡間發(fā)生融合聚并作用，并出現(xiàn)氣泡破碎現(xiàn)象；前者氣泡的體積與未發(fā)生聚并的流型下的氣泡體積相比明顯增大，且前者氣泡的尾流效應(yīng)比較強(qiáng)烈，會(huì)導(dǎo)致尾隨氣泡被拉長(zhǎng)；間歇式噴乳狀流型特征為氣泡在噴口附近發(fā)生連續(xù)性聚并，氣流連續(xù)性增強(qiáng)。

2.2 氣泡脫離頻率

2.2.1 修正弗勞德數(shù)′對(duì)氣泡脫離頻率的影響

在噴管直徑為0.005 m，修正弗勞德數(shù)′的變化范圍為1.27~31.70時(shí)，氣泡脫離頻率與修正弗勞德數(shù)′的變化情況如圖3所示。由圖3可以看到：當(dāng)液體黏度相同時(shí)，隨著修正弗勞德數(shù)′增加，氣泡脫離頻率呈非線性減小的趨勢(shì)，且氣泡脫離頻率的變化率不斷減小；當(dāng)氣流流型從泡狀流向彈狀流轉(zhuǎn)變時(shí)，氣泡脫離頻率變化率較大，氣泡脫離頻率平均減小10 Hz。這是因?yàn)楫?dāng)修正弗勞德數(shù)′較小時(shí)，氣泡處于泡狀流狀態(tài)(如圖2(a)所示)，此時(shí)氣泡呈現(xiàn)有規(guī)律的生成狀態(tài)，氣泡間不存在相互作用；隨著修正弗勞德數(shù)′逐漸增大至17.8，氣泡呈現(xiàn)彈狀流流態(tài)現(xiàn)象(如圖2(b)所示)，此時(shí)氣泡間的相互作用逐漸顯現(xiàn)出來(lái)?？梢杂^察到氣泡間已經(jīng)開(kāi)始發(fā)生融合聚并作用，導(dǎo)致前者氣泡會(huì)與尾隨氣泡相互作用而不能完全脫離，致使氣泡脫離周期增大，氣泡脫離頻率減小。從圖2(c)可以看出：當(dāng)修正弗勞德數(shù)′繼續(xù)增加至608.0時(shí)，氣流流型呈現(xiàn)彈狀流向間歇式乳狀流轉(zhuǎn)變的狀態(tài)，氣泡間的融合聚并作用愈發(fā)明顯，并伴有氣泡破碎現(xiàn)象，同時(shí)，由于上一個(gè)氣泡的尾流效應(yīng)更加強(qiáng)烈，尾隨的氣泡被拉長(zhǎng)，與前者氣泡在噴嘴附近就發(fā)生聚并，此時(shí)脫離周期繼續(xù)增大，氣泡脫離頻率進(jìn)一步減小，但此時(shí)氣泡脫離頻率變化率趨于穩(wěn)定。

黏度/(10?6m2·s?1)：1—0.404；2—0.466；3—0.553；4—0.658；5—0.800；6—1.003。

2.2.2 液體黏度對(duì)氣泡脫離頻率的影響

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，液體黏度的變化通過(guò)改變液體溫度得到。在修正弗勞德數(shù)′等條件一定的情況下，液體黏度由0.404×10?6 m2·s?1增加到1.003×10?6 m2·s?1時(shí)對(duì)氣泡脫離頻率的影響如圖4所示。從圖4可見(jiàn)：當(dāng)液體黏度增加到1.003×10?6 m2?s?1時(shí)，氣泡脫離頻率增加約4 Hz。這主要是因?yàn)楫?dāng)液體黏度較大時(shí)，液體黏性阻力較大，此時(shí)氣泡生成體積會(huì)變 大[3]，而較大體積的氣泡更容易出現(xiàn)融合聚并作用，因而氣泡脫離周期變小，氣泡脫離頻率增大。

Fr′：1—1.27；2—7.29；3—17.8；4—31.7。

2.3 氣體穿透深度

2.3.1 修正弗勞德數(shù)′對(duì)氣體的影響

當(dāng)液體黏度、噴管直徑相同時(shí)，噴入的N2的隨不同修正弗勞德數(shù)′的變化情況如圖5所示。

黏度υ/(10?6 m2·s?1)：1—0.404；2—0.466；3—0.553；4—0.658；5—0.800；6—1.003。

由圖5可知：當(dāng)修正弗勞德數(shù)′由1.27增加至17.8時(shí)，氣體的與修正弗勞德數(shù)′呈非線性增加的關(guān)系，其穿透深度增加約3；當(dāng)修正弗勞德數(shù)′較小時(shí)，氣體變化量較大；當(dāng)修正弗勞德數(shù)′增加時(shí)，其變化量逐步減小。這主要是因?yàn)楫?dāng)修正弗勞德數(shù)′較小時(shí)，此時(shí)氣體穿透深度主要受限于單氣泡的直徑；隨著修正弗勞德數(shù)′的增大，噴入氣流量增大，氣相密集存在于噴嘴附近，其在液相中的連續(xù)性增強(qiáng)，同時(shí)，在較大修正弗勞德數(shù)′條件下的氣流噴入速度較大，因而使氣體增大。

2.3.2 液體黏度對(duì)氣體的影響

在修正弗勞德數(shù)′等條件一定的情況下，液體黏度對(duì)于氣體的影響如圖6所示。從圖6可見(jiàn)：當(dāng)液體黏度增加到1.1×10?6 m2?s?1時(shí)，氣體的平均減小2左右。這主要是因?yàn)樵谙嗤男拚诘聰?shù)′等條件下，當(dāng)液體黏度增大時(shí)，液體對(duì)氣體的黏性阻力會(huì)增加，使得氣體穿透深度減??；同時(shí)，由于黏度增加，前者氣泡對(duì)于尾隨氣泡的尾流效應(yīng)加劇，使得氣泡被縱向拉長(zhǎng)，導(dǎo)致其在水平方向的穿透深度減小。

Fr′：1—1.27；2—7.29；3—17.8；4—31.7。

2.3.3 噴管直徑對(duì)氣體的影響

在不同的氣體流量條件下，氣體隨噴管直徑變化情況如圖7所示，其中修正弗勞德數(shù)′變化范圍為0.5~608.0。

Q/(L·min?1)：1—3；2—6；3—9；4—15。

從圖7可知：在相同的氣體流量下，氣體隨著噴管直徑呈非線性減小趨勢(shì)；當(dāng)噴管直徑由1.5 mm增加到4.0 mm時(shí)，氣體穿透深度平均減小18。其原因主要是當(dāng)氣體流量一定時(shí)，噴管?chē)姶邓俣扰c管徑的2次方成正比，管徑越大，噴嘴氣流噴入速度越小，氣相所具有的入射動(dòng)能越小，因而氣體的越小。

3 結(jié)論

1) 氣泡脫離頻率隨修正弗勞德數(shù)′增大而呈非線性減小趨勢(shì)，當(dāng)氣流流型處于泡狀流向彈狀流轉(zhuǎn)變時(shí)，其變化率最大，氣泡脫離頻率平均減小10 Hz；氣泡脫離頻率隨液體黏度呈非線性增加關(guān)系，當(dāng)液體黏度由0.404×10?6 m2?s?1增加到1.003×10?6 m2?s?1時(shí)，氣泡脫離頻率平均增加約4 Hz。

2) 氣體隨修正弗勞德數(shù)′呈非線性增加關(guān)系，當(dāng)′由1.27增加至31.7時(shí)，氣體平均增加4左右；當(dāng)液體黏度由0.404×10?6 m2?s?1增加到 1.1×10?6 m2?s?1時(shí)，氣體穿透深度平均減小2。

3) 氣體穿透深度隨噴管直徑增加而非線性減小，當(dāng)噴管直徑由1.5 mm增加到4.0 mm時(shí)，氣體穿透深度平均減小18。

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(編輯 陳燦華)

Experimental study on side-blown flowing characteristics

ZHOU Ping1, CHENG Wei1, MA Ji1, XIA Zhongwei2, LIAO Zhou2

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

The investigation on the bubble departure characteristics and gas penetration behavior was performed by using the experimental model method and the imaging method for the immersion side-blowing model. The experimental feature parameterwas extracted by the imaging processing method. The results show that the bubble departure frequency of the bubbles nonlinear decreases with the increase of the modified Froude number’ and liquid viscositywhen the nozzle diameterand liquid temperatureare constant. The dimensionless penetration depth/increases with the increase of the modified Froude number’ and decreases with the increase of the nozzle diameterand liquid viscosity.

immersion side-blown; hydraulic model; air penetration depth; bubble departure frequency

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.08.045

O359+.1

A

1672?7207(2016)08?2879?05

2015?09?10；

2015?11?22

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2011AA061003)(Project(2011AA061003) supported by the National High Technology Research and Development Program (863 Program) of China)

馬驥，博士研究生，從事熱工過(guò)程與設(shè)備數(shù)值仿真研究；E-mail：yunwenzhu@126.com