趙一峰，李福寶

(沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 111000)

撞擊流[1]最初是針對氣固體系提出的。在過程工業(yè)中，包括化學(xué)和石化工業(yè)，其中許多過程都是采用液相為連續(xù)相，并且這些過程基本上都涉及各種各樣的能量交換和化學(xué)反應(yīng)。由于液體內(nèi)部微觀粒子間有很強(qiáng)的相互作用系統(tǒng)，致使分子的運(yùn)動(dòng)被限制。因此，對于液體微觀混合，只有通過分子擴(kuò)散才能達(dá)到良好的混合效果。對以液體為連續(xù)相的撞擊流的研究大致從20世紀(jì)50年代后期就已起步，但最初主要是從流體力學(xué)角度進(jìn)行的。自90年代以來，發(fā)現(xiàn)其具有有效強(qiáng)化微觀混合的重要特性，對撞擊流領(lǐng)域的研究重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向液體連續(xù)相撞擊流(Liquid-continuous Impinging Streams，LIS)。研究LIS的波動(dòng)特性對LIS的開發(fā)和應(yīng)用具有極其重要的意義。

1 撞擊流性能與其連續(xù)相性質(zhì)的關(guān)系

由于氣體分子和液體分子它們之間相互作用力不同，導(dǎo)致它們的物理性質(zhì)有很大的不同。氣體連續(xù)相和液體連續(xù)相相比，液體的密度要比氣體的密度大三個(gè)數(shù)量級，而粘度要大上兩個(gè)數(shù)量級；從分子擴(kuò)散的角度來說，氣體分子具有相當(dāng)大的擴(kuò)散能力，而液體分子只能在平衡位置附近作位移極其有限的振動(dòng)。這些性質(zhì)的不同可以影響到撞擊流的以下性能。

1.1 相間傳遞系數(shù)

氣體連續(xù)相撞擊流中相間傳遞過程主要是因?yàn)樵趦上驓怏w來流相撞時(shí)撞擊面處相對速度大，瞬時(shí)動(dòng)能很大，致使氣流中的顆粒滲透進(jìn)入反向來流內(nèi)，如此往復(fù)，進(jìn)行震蕩運(yùn)動(dòng)。固體或液體可以作為液體連續(xù)相撞擊流的分散相。在LIS中，由于液體粘度大，相間傳遞不可能明顯強(qiáng)化。實(shí)際上，已有關(guān)于鹽溶解的數(shù)據(jù)[3]證實(shí)了LIS沒有明顯的強(qiáng)化傳遞作用。

1.2 兩流體間的相互作用

就撞擊的速度而言，雖然LIS通常比GIS低,但因二者的密度相差三個(gè)數(shù)量級，所以液體間的動(dòng)量傳遞要比氣體強(qiáng)烈很多。這種高動(dòng)量傳遞強(qiáng)度加上液體屬于凝聚體系流體間不可避免的發(fā)生劇烈的相互作用，從而使LIS具有明顯的波動(dòng)特性。

2 液體連續(xù)相撞擊流的波動(dòng)特性

LIS的波動(dòng)特性包括壓力波動(dòng)和強(qiáng)速度場。在LIS中，液體微團(tuán)間進(jìn)行強(qiáng)烈碰撞、擠壓和剪切進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓力波動(dòng)。這種波動(dòng)證實(shí)了流場中流體微觀粒子受到了外力的作用，進(jìn)而改變了原有的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡。同時(shí)，產(chǎn)生的壓力波動(dòng)會(huì)促進(jìn)液相間能量的傳遞和轉(zhuǎn)換。另一方面，LIS場最重要的操作參數(shù)是撞擊速度。它決定了參與撞擊流體擁有的動(dòng)能，進(jìn)而決定了撞擊流場速度場的大小，對壓力波動(dòng)有重大的影響。

3 研究進(jìn)展

早在70年代，Sato[4]等人分別研究了直徑為65.8 mm、高122 mm的玻璃圓柱筒中空氣和水的流速，將流型分為四種，并會(huì)繪制了流型邊界圖，測試了柱內(nèi)的壓力脈動(dòng)，但只是通過示波器將波形拍攝下來，并沒有對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。此后，Dimenstein和NG[5]對此也進(jìn)行了壓力波動(dòng)測量，并且得到了波動(dòng)的周期。Helwick[6]等人將通過將傳感器與微機(jī)相聯(lián)，得到了非常詳細(xì)的壓力波動(dòng)數(shù)據(jù)。對于LIS撞擊流反應(yīng)器內(nèi)壓力波動(dòng)信號(hào)的測量，國外Musmara[7]、Verloop[8]、Fan[9]、 Alzahrani[10]和Bi[11]等研究者通過精密壓力傳感器來測量和記錄無規(guī)則壓力波動(dòng)信號(hào)，用統(tǒng)計(jì)方法來分析壓力信號(hào)波動(dòng)特征以及在流化床中的傳播特征。

在國內(nèi)，程振民等人[12]建立了一套壓力在線測量系統(tǒng)。得到的結(jié)論是：(1)壓力脈動(dòng)信號(hào)的采集速度為97次/秒時(shí)即可滿足需要，本測量系統(tǒng)的采樣速度可達(dá)686次/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于這一標(biāo)準(zhǔn)。(2)滴流與脈沖流之間存在較強(qiáng)的周期性，該結(jié)果與滴流床的觀測結(jié)果相差無幾。

孫懷宇等[13]用小波變換方法對浸沒撞擊流反應(yīng)器中測得的壓力波動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，波動(dòng)能量集中在1 kHz以下的范圍內(nèi)，通過統(tǒng)計(jì)分析能量的空間分布，發(fā)現(xiàn)波動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)域是關(guān)于軸及關(guān)于撞擊面對稱的。

王亭杰等[14]對沖擊射流的動(dòng)壓特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。利用壓電傳感器測量了射流中湍流產(chǎn)生的動(dòng)壓瞬時(shí)信號(hào)，并用計(jì)算機(jī)進(jìn)行了記錄。在不同的流體壓力下，對射流中心軸向位置的壓力信號(hào)進(jìn)行采樣。被測信號(hào)具有明顯的周期性特征。通過對動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)的FFT分析，發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)存在固有頻率。固有頻率隨噴嘴出口射流平均速度的增加而增大，這與理論分析相一致?？梢哉J(rèn)為射流中的湍流引起流體速度波動(dòng)，從而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)。固有頻率對應(yīng)于湍流射流中的最小渦流尺度。渦流尺度越小，固有頻率越高。出口處的流體速度越高，湍流強(qiáng)度越強(qiáng)。高固有頻率的波動(dòng)速度產(chǎn)生了強(qiáng)大的剪切力場，使流體快速混合，固體顆粒團(tuán)聚得到有效的分散。

伍沅[3]在己獲專利基礎(chǔ)上對浸沒循環(huán)撞擊流反應(yīng)器(Submerged Circulative Impinging StreamReactor，簡稱SCISR)[15]中的流場特性進(jìn)行了深入的研究，得到以下結(jié)論:反應(yīng)器內(nèi)撞擊區(qū)域存在強(qiáng)烈的壓力波動(dòng);在一定的實(shí)驗(yàn)條件下，壓力波動(dòng)的主頻率在1 kHz以下，壓力波動(dòng)的最大幅值可達(dá)到1.38 kPa。

張建偉[16-20]采用多種方法系統(tǒng)的研究了浸沒式循環(huán)撞擊流反應(yīng)器的壓力波動(dòng)特性。得出了以下結(jié)論：(1)混合器撞擊區(qū)域壓力波動(dòng)信號(hào)的奇異譜基本呈單峰形。(2)壓力波動(dòng)的能量值主要集中在1 kHz范圍內(nèi)。(3)采用不同尺度分析時(shí)，波動(dòng)信號(hào)的分析結(jié)構(gòu)形式也會(huì)不同。

萬攀[21]等研究了斜槳型下的液體連續(xù)相撞擊流反應(yīng)器，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)的壓力隨著槳葉轉(zhuǎn)速的增大而增大，但導(dǎo)流筒的間距對內(nèi)部撞擊流體的最大速度沒有明顯的影響。

羅燕等[22]利用CFD模擬了液體連續(xù)相撞擊流反應(yīng)器的混合過程，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)的壓力波動(dòng)強(qiáng)度與槳葉的傾角和轉(zhuǎn)速有關(guān)。

4 結(jié)語

通過上述國內(nèi)外的研究可知液體連續(xù)相撞擊流的波動(dòng)特性具有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值。但由于目前裝置結(jié)構(gòu)的限制，已實(shí)驗(yàn)的撞擊速度還不夠?qū)?，缺少更高撞擊速度下的?shù)據(jù)。為了獲得更完整的定性規(guī)律，以利于進(jìn)一步研究能量轉(zhuǎn)換的定量規(guī)律，獲得更高撞擊速度下的波動(dòng)數(shù)據(jù)是必要的。

因此，液體連續(xù)相撞擊流的波動(dòng)特性問題迄今還是一個(gè)需要繼續(xù)深入研究的論題。