楊璐明，劉昊坤，李偉鋒，劉海峰，王輔臣

（華東理工大學上海煤氣化工程技術研究中心，上海200237）

氣固兩相射流是一種既有工程應用背景又有理論研究價值的流體運動形式，常見于各種工業(yè)設備與能源轉化過程中，如粉煤氣化爐[1]、粉煤燃燒器[2-3]、旋風分離器[4]以及循環(huán)流化床脫硫塔[5]等。在氣固兩相流運動中，氣固射流的顆粒流動特征是影響設備操作性能與穩(wěn)定性的重要因素，并且顆粒與流體之間的相互作用影響著輸運中的傳熱、傳質過程。因此，深入了解和認識氣固兩相射流中的氣固相互作用與射流穩(wěn)定性對于相關工業(yè)設備的設計、操作、運行以及優(yōu)化非常重要。

近年來，許多學者對噴嘴出口的稠密氣固射流不穩(wěn)定現(xiàn)象進行了研究。M?bius[6]研究了自由下落顆粒流中的團聚不穩(wěn)定現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)空氣的存在會導致更大顆粒團的產(chǎn)生，但并不是顆粒團形成的主要原因。顆粒團的尺寸是由于噴嘴處顆粒的波動大小決定的。Royer等[7]利用高速攝像儀研究了自由下落顆粒射流中的顆粒團形成過程，發(fā)現(xiàn)顆粒團主要是由于顆粒間微小的納米牛頓內聚力導致的，這種內聚力主要是由范德華力和液體橋力造成的。并測量了顆粒間力的大小，獲得了等效表面張力的大小。曹文廣等[8]采用高速攝像儀、粒子圖像測速儀和Fluent模擬等軟件對稠密顆粒兩相射流過程中顆粒彌散性能、運動特征等關鍵科學問題進行實驗研究和數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)顆粒彌散特征量與顆粒表觀速度、射流距噴嘴距離的大小以及噴嘴角度有關。劉海峰等[9]對稠密同軸氣固射流的彌散模式進行了研究，發(fā)現(xiàn)其彌散模式與氣流速度有關。隨著氣速增加，氣固射流依次呈現(xiàn)出剪切彌散、波狀彌散和振蕩彌散三種彌散方式。在波狀彌散的模式下，第一個波的波長及其位置隨射流速度的增加而減小，波的產(chǎn)生頻率隨顆粒射流的質量流量和射流速度的增大而增大。振蕩彌散模式下，振蕩頻率隨射流速度的增加而線性增加，顆粒射流質量流量和顆粒粒徑對振蕩頻率也有影響。方晨辰等[10]利用高速攝像儀對不同壁厚下氣固同軸射流中顆粒彌散現(xiàn)象進行了研究，探討了不同環(huán)形氣速下顆粒流的波長和振幅的變化。研究發(fā)現(xiàn)增加噴嘴中心通道壁厚會顯著削弱氣固剪切作用，抑制波狀彌散。呂慧等[11]采用高速攝像儀對中心氣流作用下的稠密環(huán)形氣固射流中的鼓泡結構進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)顆粒質量流率和環(huán)形通道厚度是鼓泡形成的關鍵因素。并對鼓泡的尺寸、鼓泡增長速率以及鼓泡頻率進行了分析，發(fā)現(xiàn)鼓泡徑向增長速率受表觀空氣速度的影響，同時氣相和顆粒相之間的徑向速度差也是造成鼓泡結構形成的主要原因。施浙杭[12]采用實驗和EDEM數(shù)值模擬對兩股稠密氣固射流撞擊的顆粒膜不穩(wěn)定性進行研究，發(fā)現(xiàn)增強噴嘴內氣固相互作用，會導致氣固射流發(fā)生擾動，進而引起撞擊不穩(wěn)定性，最終形成顆粒膜振蕩及波紋結構。到目前為止，對于噴嘴內氣固相互作用及射流不穩(wěn)定性的研究較少。

氣固射流通常是由和加壓料倉連接的噴嘴產(chǎn)生的，因而料倉內的氣固流動對射流不穩(wěn)定性有重要的影響。許多學者也對和噴嘴連接的料倉內顆粒流結拱、堵塞現(xiàn)象以及重力作用下豎直管道中的顆粒流不穩(wěn)定現(xiàn)象進行了研究。To 等[13]、Kondic[14]以及Zuriguel 等[15-16]研究發(fā)現(xiàn)增大顆粒粒徑和料倉出口尺寸能夠有效減少料倉下料堵塞現(xiàn)象的發(fā)生；趙偉等[17-18]采用CPFD 方法模擬，驗證了料倉下料流率與料倉出口直徑的2.5 次方相關；陸海峰[19]對料倉壓力在0～1800kPa 范圍內的煤粉下料流率進行了研究，發(fā)現(xiàn)一定程度的料倉壓力增加，可以改善料倉內氣固流態(tài)化作用，從而促進煤粉下料。Raafat等[20]對重力作用下豎直管內顆粒流進行了研究，發(fā)現(xiàn)當顆粒流速適當，管道內徑（D）與顆粒粒徑（d）的比值6≤D/d≤30 時，管道內顆粒流會形成栓塞結構。Bertho 等[21-22]通過實驗研究了小內徑豎直玻璃管內顆粒流的動力學特性，研究發(fā)現(xiàn)通過改變顆粒流速和管出口大小可以用來調控顆粒流動模式。Alvarez 等[23]使用與Bertho 等[21-22]相似的 實驗裝置進一步對重力作用下豎直管道內的顆粒團-氣泡栓塞結構進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)：當選用表面光滑或粗糙的玻璃微珠，顆粒粒徑為106～212μm，質量流率控制在0.1～0.95g/s 時，豎直管內會出現(xiàn)勻速運動的栓塞結構；當選用表面粗糙的玻璃微珠，顆粒粒徑為212～300μm，質量流率控制在0.25～0.4g/s 時，豎直管內出現(xiàn)以一定速度振蕩的栓塞結構。Verbücheln 等[24]使用數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)：豎直管道內栓塞結構的形成與顆粒流質量流率、顆粒粒徑以及管道的幾何參數(shù)有關。需要指出的是，上述大部分研究大都針對重力作用下顆粒流動不穩(wěn)定現(xiàn)象，對加壓條件下噴嘴內氣固射流不穩(wěn)定性研究較少。

盡管先前的實驗研究已初步揭示氣固射流不穩(wěn)定性源于噴嘴內的氣固相互作用，但是現(xiàn)有的文獻還不足以揭示加壓條件下氣固射流不穩(wěn)定性的形成原因，其內在形成機理還有待進一步探討，因此非常有必要對噴嘴內稠密氣固射流穩(wěn)定性進行研究。

本文以粉煤加壓氣化技術為研究背景，采用高速攝像儀、PV6D 型顆粒速度測量儀、微型壓力傳感器和圖像處理軟件對二維噴嘴內稠密氣固射流進行了實驗研究，考察了顆粒粒徑、料倉壓力以及噴嘴收縮角等因素對射流流動模式及穩(wěn)定性的影響，揭示了噴嘴內的壓力分布和脈動特征。本文旨在揭示稠密氣固射流不穩(wěn)定性及其形成機理，掌握調控稠密氣固射流穩(wěn)定性的方法，為工業(yè)中廣泛出現(xiàn)的稠密氣固射流提供理論依據(jù)。

1 實驗

圖1 稠密氣固射流實驗流程圖及噴嘴結構

稠密氣固射流實驗流程圖及噴嘴結構如圖1所示，實驗在常溫下進行，密閉儲料罐內的玻璃微珠在鋼瓶中高壓空氣的推動作用下在二維噴嘴中形成稠密氣固射流，通過調節(jié)儲料罐內的空氣壓力可以改變噴嘴出口射流速度和質量流量。為了方便拍攝噴嘴內的氣固射流不穩(wěn)定模式及演變特征，本實驗采用二維有機玻璃噴嘴。實驗中儲料罐的料倉錐角為30°，保持不變。二維噴嘴直管長度為14cm，出口截面長為8mm、寬為2mm，噴嘴收縮角α分別為30°、60°、90°和120°。顆粒為玻璃微珠，密度ρp=2490kg/m3，顆粒粒徑分別為Dp=78μm、185μm 和350μm，三種顆粒粒徑下玻璃微珠的安息角分別為26°、25°和22°。實驗中，采用FASTCAM APXRS 型高速攝像儀，在1300W 的鹵素聚光燈的照射下，從正面對二維噴嘴內氣固射流進行拍攝，快門速度為3000fps，曝光時間為(1/61000)s，拍攝圖片分辨率為1024×1024pixels。采用圖像處理軟件Image J對拍攝圖片進行處理和分析。

實驗中采用微型壓力傳感器對噴嘴直管h1=1cm、h2=7cm、h3=13cm處的瞬時壓力Pi進行壓力信號采集，其中h1、h2處壓力探頭選用量程為-10～100kPa，h3處壓力探頭選用量程為0～5kPa，精度均為0.5%，系統(tǒng)的采樣頻率設為5000Hz，采樣時間設為30s，全文中壓力均為表壓。

實驗中采用PV6D型顆粒速度測量儀對稠密氣固射流在噴嘴出口的截面平均速度（u0）進行測量，通過計算兩通道信號互相關函數(shù)來測量顆粒運動速度。實驗所用探頭兩個采樣點間距離l=2.1mm，互相關函數(shù)曲線最大值處的延遲時間為τ，通過v=l/τ可得顆粒在這段距離內的平均運動速度，實驗中測量次數(shù)不小于20次，測量誤差小于5%。

定義噴嘴出口處氣固射流固含率為式(1)。

式中，u0為噴嘴出口截面平均速度，m/s；mp為噴嘴出口質量流量，kg/s；通過對單位時間內流出噴嘴的顆粒進行收集和稱重得到；ρp為顆粒密度，kg/m3；A為噴嘴出口截面積，m2，不同工況下稠密氣固射流的固含率可通過式(1)計算得到。實驗中對不同顆粒粒徑射流速度以及固含率隨料倉壓力的變化進行了測量。圖2 為噴嘴收縮角α=30°，不同顆粒粒徑的氣固射流速度隨料倉壓力的變化。結果表明：不同顆粒粒徑氣固射流速度均隨料倉壓力的增大而增大，且同一壓力下，顆粒粒徑為78μm 氣固射流速度較小。這是因為對于小粒徑顆粒，顆粒間間距小，顆粒碰撞頻率更高，導致顆粒碰撞耗散增強，使得顆粒速度較小。圖3為噴嘴收縮角α=30°，不同顆粒粒徑的氣固射流固含率隨射流速度的變化。結果表明：在相同氣固射流速度下，稠密氣固射流固含率隨顆粒粒徑的增大而減小。

圖2 不同顆粒粒徑射流速度隨料倉壓力變化

圖3 不同顆粒粒徑射流固含率隨射流速度的變化

2 結果與討論

2.1 噴嘴內稠密氣固射流不穩(wěn)定模式

圖4 不同料倉壓力下稠密氣固射流可視化圖像

圖4 為Dp=78μm，噴嘴收縮角α=30°時噴嘴內稠密氣固射流在不同料倉壓力下的可視化圖片?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著料倉壓力的增加，氣固射流速度增大，固含率降低，氣固射流呈現(xiàn)不同的流動模式：在重力作用下，射流從噴嘴收縮處流出后貼側壁面流動；當p=0.02MPa，u0=3.18m/s，xp=0.169 時，氣固射流為穩(wěn)定的流動模式；當p≥0.03MPa，u0≥4.82m/s，xp≤0.168時，從噴嘴收縮處開始氣固射流的中心會形成有規(guī)律的氣泡（bubble）結構。從圖中可以看出，隨著流動距離的增加，氣泡尺度增大并趨于穩(wěn)定；隨著料倉壓力的增大，氣泡尺度增大。

圖5 為不同顆粒粒徑下稠密氣固射流在p=0.1MPa，噴嘴收縮角α=30°時不穩(wěn)定模式可視化圖像。可以發(fā)現(xiàn)稠密氣固射流表現(xiàn)出兩種顯著不同的流動模式：當顆粒粒徑較小時，氣固射流為氣泡型不穩(wěn)定模式；隨著顆粒粒徑增大，氣固射流仍表現(xiàn)為氣泡型流動模式，與圖5(a)中氣泡相比，氣泡形狀變得不規(guī)則，并且氣泡向下流動過程中會發(fā)生合并等演變過程；當進一步增大顆粒粒徑，氣固射流中出現(xiàn)較規(guī)則的顆粒團（particle cluster）結構。

圖5 不同顆粒粒徑下稠密氣固射流流動模式可視化圖像

不同料倉壓力下通過跟蹤多個氣泡隨流動距離的演變過程，測量其在不同位置的縱向長度Ly和橫向長度Lx，求其平均值，可得到氣泡的縱寬比Ly/Lx，測量結果的標準方差在圖中用誤差棒表示。圖6為Dp=78μm，噴嘴收縮角α=30°的氣固射流中氣泡的縱寬比隨流動距離的演變?？梢园l(fā)現(xiàn)，在不同的料倉壓力下，氣泡的縱寬比基本隨流動距離的增加而增大，且初始氣泡的縱寬比在1～2 范圍內，終態(tài)氣泡的縱寬比在3～5 范圍內，說明氣泡的形態(tài)在運動過程中會發(fā)生拉伸等演變過程。

圖6 稠密氣固射流中氣泡縱寬比隨量綱為1流動距離的演變

圖7 氣固射流中氣泡和顆粒團產(chǎn)生頻率隨料倉壓力的變化

通過統(tǒng)計1000 張連續(xù)圖片中噴嘴收縮角出口處氣泡和顆粒團產(chǎn)生個數(shù)，可得到氣泡和顆粒團產(chǎn)生頻率。圖7 為噴嘴收縮角α=30°，Dp=78μm 和185μm時稠密氣固射流中氣泡產(chǎn)生頻率和Dp=350μm時顆粒團產(chǎn)生頻率隨料倉壓力的變化。可以發(fā)現(xiàn)，不同顆粒粒徑下，氣泡和顆粒團的產(chǎn)生頻率均隨料倉壓力的增大而增大；且同一料倉壓力下，Dp=185μm 氣固射流中氣泡產(chǎn)生頻率略大于Dp=78μm氣固射流中氣泡產(chǎn)生頻率，顆粒團的產(chǎn)生頻率小于氣泡的產(chǎn)生頻率。顆粒團產(chǎn)生頻率的誤差棒小于氣泡產(chǎn)生頻率的誤差棒，說明顆粒團的產(chǎn)生頻率較為穩(wěn)定。

為了探究噴嘴收縮角的改變對氣固射流不穩(wěn)定性的影響，分別對α=60°、90°以及120°下氣固射流進行了可視化研究，結果表明改變噴嘴收縮角對射流不穩(wěn)定模式影響不大。圖8 為Dp=78μm 和Dp=350μm 時不同噴嘴收縮角氣泡和顆粒團產(chǎn)生頻率隨料倉壓力的變化。結果表明：相同噴嘴收縮角下顆粒團的產(chǎn)生頻率均小于氣泡的產(chǎn)生頻率；改變噴嘴收縮角對氣固射流中氣泡和顆粒團產(chǎn)生頻率有一定影響，當α=60°時，氣泡和顆粒團的產(chǎn)生頻率較大；當α=90°，氣泡和顆粒團產(chǎn)生頻率較小。這是由于噴嘴收縮角的存在會導致顆粒在錐部堆積，導致不同噴嘴收縮角下氣體滲透量不同，氣泡和顆粒團產(chǎn)生頻率略有差別。

圖8 不同噴嘴收縮角下氣固射流中氣泡和顆粒團產(chǎn)生頻率

2.2 稠密氣固射流壓力脈動信號特征分析

為了進一步探究噴嘴內氣固射流不穩(wěn)定現(xiàn)象的形成原因，分別對顆粒粒徑為78μm、185μm 和350μm 的氣固射流在如圖1 所示的h1=1cm、h2=7cm、h3=13cm 處噴嘴內瞬時壓力pi進行了測量，圖9為Dp=78μm，不同料倉壓力下h2=7cm處瞬時壓力隨時間的變化，可以發(fā)現(xiàn)，當p=0 和p=0.02MPa時，瞬時壓力隨時間基本不變，此時射流流動穩(wěn)定，為穩(wěn)定流型，如圖4(a)、(b)所示；當p≥0.03MPa時，瞬時壓力隨時間脈動增強，射流中出現(xiàn)氣泡結構，射流流動不穩(wěn)定，如圖4(c)～(e)所示。

圖9 不同料倉壓力下h2=7cm處瞬時壓力隨時間的變化

通過壓力信號的標準差表征壓力波動的平均幅度，計算公式如式(2)。

圖10 不同顆粒粒徑下h2=7cm壓力信號的標準差

圖11 為Dp=185μm 和Dp=350μm 噴嘴內量綱為1 壓力隨量綱為1 流動距離的變化，結果表明：隨著料倉壓力增大，噴嘴內壓力從h1至h3壓差增大，顆粒在噴嘴內向下運動過程中壓降增加，滲透進顆粒流的氣體分率增加，將導致噴嘴內氣固相互作用增強，進而引起氣固射流不穩(wěn)定。

圖11 噴嘴內量綱為1壓力隨量綱為1流動距離的變化

圖12 所示為h3=13cm 處p=0.1MPa 條件下Dp=185μm 和Dp=350μm 的氣固射流壓力脈動的傅里葉頻譜分析結果。圖7 中結果表明氣泡產(chǎn)生頻率在500～600Hz 范圍內，而圖12 中壓力脈動的主頻率分布在300Hz左右較廣范圍之內，這種差別主要是由于氣泡在運動過程中會發(fā)生合并等演變過程導致的。顆粒團產(chǎn)生頻率在240～300Hz 范圍內，壓力脈動的主頻率在200Hz左右較廣范圍內，兩者基本吻合。結果表明加壓料倉產(chǎn)生的稠密氣固射流壓力脈動主要是由于氣固射流中氣泡及顆粒團的產(chǎn)生及演變導致的。

圖12 p=0.1MPa時h3=13cm處壓力脈動的傅里葉頻譜分析圖

3 討論

實驗中，在顆粒粒徑較小時，氣固射流流動模式受料倉壓力影響。當料倉壓力較小時，氣固速度差較小，氣固射流流動穩(wěn)定，如圖4(a)、(b)所示。當增大料倉壓力后，由于噴嘴收縮角處壁面的作用，匯聚在收縮角處的顆粒具有了較大的橫向速度，顆粒間碰撞概率增加，能量的耗散增強，引起顆粒流整體的速度降低。而對于氣體，收縮角處截面積的減小導致氣體速度的提高，因此，收縮角處氣體和顆粒的速度差增大，氣體會滲入到顆粒間，氣固相互作用增強，形成氣泡型的不穩(wěn)定流動模式。改變顆粒粒徑會引起氣固射流不穩(wěn)定模式改變，這是因為隨著顆粒粒徑的增大，顆粒間氣體滲透量增大，氣固射流固含率降低，氣固間相互作用增強，表現(xiàn)為顆粒團的不穩(wěn)定流動模式。

現(xiàn)有文獻中大多針對噴嘴出口的射流不穩(wěn)定性進行研究，僅有的對豎直管道內射流的研究為重力作用下顆粒流的不穩(wěn)定性，對加壓條件下噴嘴內氣固射流不穩(wěn)定性的研究則更為稀少。Bertho 等[21-22]發(fā)現(xiàn)重力作用下Dp=175μm 的顆粒在管道內徑為3mm豎直管內流動會形成均勻的顆粒團-氣泡的栓塞結構。研究表明栓塞結構內壓力隨流動距離線性增加，產(chǎn)生的逆壓力梯度與栓塞的重量平衡，導致栓塞勻速運動。Alvarez等[23]進一步對重力作用下豎直管道內的顆粒團-氣泡栓塞結構進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)：通過改變顆粒粒徑、顆粒表面粗糙度以及顆粒流質量流率，能夠產(chǎn)生勻速運動或以一定速度振蕩的栓塞結構。Raafat 等[20]提出栓塞結構的產(chǎn)生主要是由于顆粒間摩擦力以及顆粒團和氣泡間相互作用力導致的。本文對加壓條件下噴嘴內氣固射流進行了研究，發(fā)現(xiàn)改變顆粒粒徑以及料倉壓力，氣固射流表現(xiàn)出兩種不同的流動模式：氣泡型不穩(wěn)定流動模式或氣固射流中出現(xiàn)較規(guī)則的顆粒團結構。目前文獻中鮮有對氣泡型不穩(wěn)定流動模式的探索和研究。本文揭示了上述兩種不同模式的產(chǎn)生機理：改變顆粒粒徑會導致顆粒間氣體滲透量的不同，導致氣固射流固含率的改變，氣固間相互作用力產(chǎn)生變化，因而出現(xiàn)不同的射流模式。這與Raafat 等[20]提出的重力作用下顆粒流中栓塞結構的形成機理有所不同。實際工業(yè)應用中多為加壓系統(tǒng)，本文研究為工業(yè)中廣泛出現(xiàn)的稠密氣固射流提供了理論依據(jù)。

4 結論

采用高速攝像儀和微型壓力傳感器對二維噴嘴內稠密氣固射流流動模式及穩(wěn)定性進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)了二維噴嘴的稠密氣固射流中氣泡和顆粒團等不穩(wěn)定流動模式，分析了氣固射流不穩(wěn)定性的形成原因，考察了氣固射流壓力脈動與射流中氣泡和顆粒團運動行為的關系，得出以下主要結論。

（1）對于顆粒粒徑較小的稠密氣固射流，在重力作用下以及當p=0.02MPa，u0=3.18m/s，xp=0.169時，氣固射流為穩(wěn)定的流動模式；當p≥0.03MPa，u0≥4.82m/s，xp≤0.168 時出現(xiàn)氣泡結構的不穩(wěn)定流動模式，且氣泡尺度和氣泡產(chǎn)生頻率隨料倉壓力的增大而增大。

（2）隨著顆粒粒徑的增大，顆粒間氣體滲透量增大，氣固射流固含率降低，氣固間相互作用增強，噴嘴內稠密氣固射流表現(xiàn)為顆粒團的不穩(wěn)定模式；改變噴嘴收縮角對射流不穩(wěn)定模式影響不大，僅對氣泡和顆粒團的產(chǎn)生頻率有一定影響。

（3）稠密氣固射流不穩(wěn)定性形成原因：隨著料倉壓力增大，顆粒在噴嘴內向下運動過程中壓降增加，射流速度增大，射流固含率降低，滲透進顆粒流的氣體分率增加，將導致噴嘴內氣固相互作用增強，進而引起氣固射流不穩(wěn)定。結果表明加壓料倉產(chǎn)生的稠密氣固射流壓力脈動主要是由于氣固射流中氣泡及顆粒團的產(chǎn)生及演變導致的。

限于篇幅，本文僅對流動性很好的玻璃微珠在二維噴嘴的不穩(wěn)定流動進行了詳細研究。在將來的研究中，可繼續(xù)探索采用不同物性的顆粒在三維噴嘴中的流動進行研究，使研究結果對工業(yè)應用更具普適性和直接指導意義。

符號說明

A—— 噴嘴出口截面積，m2

Dp—— 顆粒粒徑，μm

f—— 氣泡和顆粒團產(chǎn)生頻率，Hz

Lx—— 氣泡橫向長度，mm

Ly—— 氣泡縱向長度，mm

mp—— 噴嘴出口質量流量，kg/s

p—— 料倉壓力，MPa

p0—— 標準大氣壓，MPa

pi—— 噴嘴內瞬時壓力，kPa

pn—— 噴嘴內平均壓力，kPa

Std—— 壓力信號的標準差，kPa

u0—— 稠密氣固射流速度，m/s

xp—— 固含率

α—— 噴嘴收縮角，(°)

ρp—— 顆粒密度，kg/m3

下角標

p—— 顆粒