張建偉, 高 博, 馮 穎, 馬繁榮

(沈陽化工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110142)

自從Elperin[1]提出撞擊流概念以來，由于撞擊流具有促進(jìn)微觀混合和強(qiáng)化相間傳遞的特性[2]，被廣泛應(yīng)用于液液混合、脫硫、水煤漿氣化、超細(xì)粉體制備等多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域[3-6].目前，不同噴嘴數(shù)量的撞擊流混合器已被廣泛研究.張建偉等[7]利用激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)測(cè)得兩噴嘴撞擊流混合器流場(chǎng)速度分布.李偉鋒等[8]發(fā)現(xiàn)了撞擊面的不穩(wěn)定性和駐點(diǎn)偏移規(guī)律.Kind[9]等和Rew[10]等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明撞擊流駐點(diǎn)的位置由兩噴嘴的出口動(dòng)量比決定.楊俠[11]利用數(shù)值模擬的方法得出三噴嘴混合器徑向速度分布.張珺等[12]通過碘化物-碘酸鹽平行競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)體系驗(yàn)證了三噴嘴混合器混合效果優(yōu)于兩噴嘴撞擊流混合器.楊俠等[13]利用數(shù)值模擬得到了四噴嘴撞擊流混合器的徑向速度分布于壓強(qiáng)分布,驗(yàn)證了四噴嘴撞擊流混合器混合效果優(yōu)于兩噴嘴混合器.多噴嘴撞擊流混合器相較于傳統(tǒng)撞擊流混合器能夠?qū)崿F(xiàn)多種物料的混合且混合效果優(yōu)于傳統(tǒng)撞擊流混合器.代正華等[14]等通過實(shí)驗(yàn)和模擬的方法研究四噴嘴對(duì)置式撞擊流的流場(chǎng)特性，并通過數(shù)值模擬的方法得到了四噴嘴混合器回流比分布情況.目前對(duì)三噴嘴撞擊流混合器噴嘴分布形式的研究較少,本文利用CFD數(shù)值模擬方法對(duì)不同噴嘴夾角的水平三向撞擊流混合器的流場(chǎng)特性進(jìn)行分析.

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

三噴嘴撞擊流混合器為立式圓柱形筒體，混合器高度H=500 mm，直徑D=130 mm，出口位于混合器上方，出口直徑D=30 mm，入口距離反應(yīng)器頂部250 mm，入口噴嘴直徑d=10 mm，三噴嘴與中心圓相切，中心圓的直徑即為當(dāng)量噴嘴間距L，張建偉等[15]在探究三噴嘴撞擊流混合器流型時(shí)得出當(dāng)L=2d時(shí)混合效果最佳，故取L=2d=20 mm.固定X軸方向噴嘴a，其余兩噴嘴b、c關(guān)于X軸對(duì)稱且夾角為α，取α分別為60°、90 °、120°、150°、180°布置.物理模型如圖1所示.

圖1 撞擊流混合器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The layouts of impinging stream mixer

1.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

使用ICEM軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分.由于入口附近結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，其余區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)為1 216 850，網(wǎng)格質(zhì)量大于0.4.使用Fluent15.0進(jìn)行模擬，采用基于壓力的隱式求解器，速度和壓力耦合項(xiàng)使用SIMPLEC算法，為提高計(jì)算精度，采用二階迎風(fēng)格式計(jì)算.出口邊界條件定義為Outflow；壁面采用標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)且無相對(duì)滑移；入口邊界條件定義為Velocity-Inlet；入口流量為0.5(m3·h-1),即入口速度為1.77 m/s，采用20 ℃的水作為模擬介質(zhì).

1.3 控制方程

Realizable k-ε模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型均可用于多射流撞擊式噴嘴湍流流動(dòng)的數(shù)值模擬計(jì)算[16]，由于Realizable k-ε模型能夠更好地模擬大尺度的渦結(jié)構(gòu)，故選用Realizable k-ε模型，其輸運(yùn)控制方程如下：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

(3)

(4)

運(yùn)輸控制方程：

(5)

(6)

其中:σk=1.0，σε=1.2，C1=max[0.43,η/(η+5)]，η=(2EijEij)1/2k/ε，Eij=(?ui/?xj+?uj/?xj)/2，μt=ρCμk2/ε，Cμ=(A0+AsU*k/ε)-1，A0=4.0，As=61/2cosφ，φ=1/3cos-1(61/2W)，W=EijEjkEkj/(EijEij)1/2

上述各式中ρ為流體密度；v為運(yùn)動(dòng)粘度；xi、xj為各坐標(biāo)分量；Gk為平均速度梯度所產(chǎn)生的湍動(dòng)能；σk、σε為湍流動(dòng)能k和湍流耗散率ε的湍流普朗克數(shù)；μt為湍流黏性系數(shù)；Eij、Ejk、Ekj為不同方向的時(shí)均應(yīng)變率；x、y、z為空間之間坐標(biāo)系；u、v、w為質(zhì)點(diǎn)的速度分量；t為時(shí)間；ui、uj為速度矢量的分量；U*為平均旋度；E為能量.

1.4 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證模擬準(zhǔn)確性，排除網(wǎng)格因素影響，驗(yàn)證結(jié)果如圖2所示.

圖2 不同網(wǎng)格數(shù)量下出口速度大小Fig.2 The outlet velocity under different cell number

圖2對(duì)網(wǎng)格數(shù)分別為1 009 889、1 216 847、1 556 287、2 032 480的情況下出口速度大小進(jìn)行比較，結(jié)果表明：當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量大于1 200 000時(shí)，出口速度差小于2 %.為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，選用網(wǎng)格數(shù)量為1 216 850的網(wǎng)格劃分方法.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同α角撞擊流混合器湍動(dòng)能分布

湍動(dòng)能是衡量混合效果優(yōu)劣的重要指標(biāo)，較大的湍動(dòng)能值表示流體湍動(dòng)較為劇烈，增強(qiáng)流體間無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，從而促進(jìn)物料間混合效果.不同夾角的水平三向撞擊流混合器湍動(dòng)能分布如圖3所示.

圖3 撞擊流混合器湍動(dòng)能在Z=0軸截面分布Fig.3 Distribution of turbulence energy in impinging stream mixer at Z=0 axis section

撞擊流混合器的高湍動(dòng)區(qū)域在撞擊面的中心處，且湍動(dòng)能分布近似關(guān)于X軸對(duì)稱.隨著α角增大，湍動(dòng)能沿X軸方向擴(kuò)散越明顯，湍動(dòng)能峰值逐漸降低.當(dāng)夾角α=60°時(shí)， 湍動(dòng)能如圖3(a)所示，噴嘴間夾角較小，流體在X軸方向流量較大，使湍動(dòng)能沿Y軸方向擴(kuò)散，湍動(dòng)能在中心區(qū)域近似橢圓形，相較于其他夾角的撞擊流混合器湍動(dòng)能更為集中，因此，在撞擊面形成的湍動(dòng)能峰值也最大，流體間撞擊較為劇烈.當(dāng)α=120°時(shí)，如圖3(c),由于噴嘴均勻布置，湍動(dòng)能分布較為均勻，湍動(dòng)能沿噴嘴夾角方向擴(kuò)散，湍動(dòng)能中心處呈三角形“靶式分布”[17].圖3(e)中噴嘴夾角α最大，湍動(dòng)能峰值最小，湍動(dòng)能沿X軸正向擴(kuò)散趨勢(shì)越明顯.

圖4為不同噴嘴夾角撞擊流混合器沿X軸方向湍動(dòng)能曲線.由圖4可知：當(dāng)α=60°時(shí)，湍動(dòng)能到達(dá)峰值后迅速減小，這是由于噴嘴夾角較小，促使湍動(dòng)能向Y軸擴(kuò)散，與圖3(a)規(guī)律相符且湍動(dòng)能峰值位置距離原點(diǎn)較遠(yuǎn)；當(dāng)α=90°時(shí)，湍動(dòng)能峰值發(fā)生偏移，但偏移量較??；當(dāng)α≥120°時(shí)，湍動(dòng)能峰值位于原點(diǎn)處；相比α=60°，當(dāng)夾角α增大時(shí)，當(dāng)湍動(dòng)能到達(dá)峰值后，X軸方向湍動(dòng)能下降較為平緩；當(dāng)α=180°時(shí)，湍動(dòng)能峰值最小且變化趨勢(shì)也較為平緩.

圖4 X軸方向湍動(dòng)能分布Fig.4 X-axis turbulent kinetic energy distribution

圖5為撞擊流反應(yīng)器在撞擊面上徑向湍動(dòng)能分布.不同噴嘴夾角的撞擊流混合器在撞擊面處Z軸方向上的徑向湍動(dòng)能分布規(guī)律相似，呈單峰分布，且關(guān)于直線Z=0對(duì)稱.不同噴嘴夾角條件下具有相同的徑向湍動(dòng)能分布規(guī)律，且與張建偉等[18]研究所得到的徑向湍動(dòng)能分布規(guī)律相同，在Z=0處湍動(dòng)能最大，即在駐點(diǎn)位置湍動(dòng)能達(dá)到峰值.

圖5 徑向湍動(dòng)能分布Fig.5 Radial turbulent kinetic energy distribution

2.2 撞擊流混合器駐點(diǎn)與速度分布

圖6為不同α角三噴嘴撞擊流混合器在Y=0軸截面的速度分布云圖.

圖6 撞擊流混合器在Y=0截面速度分布云圖Fig.6 Velocity distribution of the impinging stream flow mixer at Y=0 cross section

由圖6可知：流體經(jīng)過撞擊后產(chǎn)生徑向速度，其中心區(qū)域速度分布情況在Y=0軸截面上近似關(guān)于X軸對(duì)稱.由圖6(a)可知：當(dāng)α=60°時(shí)，流體進(jìn)入反應(yīng)器后，由于X軸正向兩噴嘴一側(cè)夾角較小，兩噴嘴一側(cè)流體先發(fā)生碰撞形成匯流，產(chǎn)生較高的軸向速度，同時(shí)使流體向Z軸方向偏移，在匯流處產(chǎn)生較高的偏移速度.流體在駐點(diǎn)位置撞擊后產(chǎn)生徑向速度與匯流時(shí)產(chǎn)生的偏移速度使得流體經(jīng)過撞擊后向X軸負(fù)向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)促進(jìn)了流體在撞擊區(qū)的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，從而提高流體間混合效果.從圖6(b)可以看出：當(dāng)夾角α=90°時(shí)，兩噴嘴一側(cè)產(chǎn)生的偏移速度較小，流體產(chǎn)生撞擊后仍產(chǎn)生向X軸負(fù)向運(yùn)動(dòng)偏移速度，與α=60°相比，偏移效果明顯降低.當(dāng)α=120°時(shí)，如圖6(c)所示，噴嘴分布均勻，速度分布關(guān)于Z軸對(duì)稱，且與三噴嘴混合器漏斗狀流型[15]相符合.當(dāng)α≥120°時(shí)，如圖6(d)、(e)所示，夾角α越大，流體向X軸正向運(yùn)動(dòng)越明顯，且速度分布范圍越大.當(dāng)α=180°時(shí)，在浸沒狀態(tài)下撞擊流反應(yīng)器的速度分布情況與張珺等得到傘狀流型[19]相似.

撞擊流混合器X軸方向速度曲線如圖7所示.當(dāng)α<120°，由于噴嘴間夾角α較小，一側(cè)流量較大，速度最小值均不在原點(diǎn)處，撞擊流混合器駐點(diǎn)產(chǎn)生偏移，且α越小駐點(diǎn)位置越遠(yuǎn)離原點(diǎn).當(dāng)α≥120°時(shí)，流量分布較為分散，駐點(diǎn)位于原點(diǎn)處.與圖4中湍動(dòng)能峰值偏移規(guī)律相同，即湍動(dòng)能峰值出現(xiàn)在駐點(diǎn)處.當(dāng)α=60°時(shí)，X軸速度分布規(guī)律與其他夾角混合器分布規(guī)律不同，X軸正向存在較大的軸向速度，進(jìn)一步驗(yàn)證了圖6(a)中由于噴嘴夾角較小而產(chǎn)生的匯流.與α=60°相比，當(dāng)α=90°時(shí)噴嘴夾角較大，b、c噴嘴形成的匯流規(guī)模較小，形成了較小的X軸向速度.但由于同樣產(chǎn)生了匯流，影響兩側(cè)動(dòng)量比，從而使駐點(diǎn)發(fā)生偏移.當(dāng)α≥120°時(shí)，流體經(jīng)過撞擊后，X軸速度變化規(guī)律基本相同，且速度大小與夾角α成正比.

圖7 X軸方向速度分布Fig.7 X-axis velocity distribution

圖8為撞擊流混合器徑向速度分布圖.如圖8所示，不同噴嘴夾角條件下具有相同的徑向速度分布規(guī)律，均為雙峰分布[13]，徑向速度分布關(guān)于直線z=0對(duì)稱.當(dāng)α=120°時(shí)，徑向速度峰值最小，且駐點(diǎn)處速度最小.當(dāng)α<120°時(shí)，徑向速度峰值隨夾角α增大而減小，當(dāng)α≥120°時(shí)，徑向速度峰值隨夾角α增大而增大.當(dāng)α=180°時(shí)，混合器徑向速度最大，由圖4已知湍動(dòng)能較小，這是由于噴嘴a沒有受到撞擊，此時(shí)噴嘴a射出的流體經(jīng)過駐點(diǎn)后僅對(duì)流場(chǎng)起到?jīng)_擊作用，增大流體的流動(dòng)性.

圖8 徑向速度分布Fig.8 Radial velocity distribution

表1為撞擊流混合器徑向速度均方根差σ[20]，選取撞擊面上徑向100個(gè)點(diǎn)的速度大小計(jì)算速度均方根差σ，其表達(dá)式為：

(7)

表1 徑向速度均方差

速度梯度大小與混合效果成正比[13]，利用速度均方差σ衡量速度梯度，速度均方差σ越大，混合效果越好.當(dāng)α=120°時(shí)，速度均方差最小，混合效果較差.當(dāng)α≥120°時(shí)，速度均方差與α成正比，α越大混合效果越明顯.α<120°時(shí)，α越小速度均方差越大，混合效果越明顯.當(dāng)α=180°時(shí)，σ=2.10 m/s，大于α=60°時(shí)的速度均方差.結(jié)合湍動(dòng)能與速度分布情況，當(dāng)α≥120°時(shí)，X軸噴嘴撞擊作用減小，但對(duì)流場(chǎng)速度影響較大.因此，結(jié)合湍動(dòng)能和速度分布,對(duì)不同角度三噴嘴撞擊流混合器，當(dāng)α=60°時(shí)，混合效果最佳.

3 結(jié) 論

(1) 通過對(duì)不同夾角水平三向撞擊流混合器模擬結(jié)果的分析可知α=60°，X軸向湍動(dòng)能變化較大，α≥90°，X軸向湍動(dòng)能過駐點(diǎn)后變化趨于平緩，且X軸湍動(dòng)能分布規(guī)律相似.湍動(dòng)能峰值出現(xiàn)在駐點(diǎn)處且隨α增大單調(diào)遞減.混合器徑向湍動(dòng)能分布規(guī)律與噴嘴夾角無關(guān).

(2) 混合器速度分布隨夾角增大，先減小后增大，α=120°速度最小.混合器徑向速度分布規(guī)律與噴嘴夾角無關(guān)，均成雙峰分布.α=180°脈動(dòng)速度σ=2.10 m/s大于α=60°時(shí)σ=1.29 m/s，對(duì)于不同夾角三噴嘴撞擊流混合器，當(dāng)α≥120°時(shí)，X軸向噴嘴對(duì)駐點(diǎn)的撞擊作用逐漸減小，速度衰減減弱，增大了對(duì)駐點(diǎn)的擾流作用，增強(qiáng)流體擴(kuò)散性.

(3) 隨著噴嘴間夾角α的改變，混合器內(nèi)駐點(diǎn)位置也發(fā)生變化，α<120°駐點(diǎn)隨α變化產(chǎn)生偏移，且α越小駐點(diǎn)偏移距離越大，α≥120°駐點(diǎn)位于原點(diǎn)處.