董 鑫， 周春云， 馮 穎， 張建偉

(沈陽化工大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

撞擊流(impinging streams，簡稱IS)概念最早由白俄羅斯科學(xué)家Elperin[1]于1961年提出，由兩股或者多股流量相等的流體相向撞擊，產(chǎn)生一個高度湍動的撞擊區(qū)域，撞擊區(qū)可以極大地促進物料混合[2-3]，在萃取、干燥、吸收、氣化等[4-8]方面具有很大優(yōu)勢.

目前，國內(nèi)外學(xué)者主要通過數(shù)值模擬技術(shù)和實驗的方法對撞擊流混合器內(nèi)流場特性進行分析.韋漢春等[9]分析了改變兩噴嘴之間距離對撞擊流反應(yīng)器速度和湍流動能的影響，通過速度場的變化規(guī)律得出了噴嘴與撞擊面的最優(yōu)距離.李光霽等[10]研究了不同噴嘴結(jié)構(gòu)、不同噴嘴直徑對撞擊流混合器速度場規(guī)律的影響，通過速度場的變化規(guī)律得到了混合效果較好的噴嘴結(jié)構(gòu).張珺等[11]利用高速攝影技術(shù)研究了不同噴嘴間距對開放式三股對撞式撞擊流反應(yīng)器內(nèi)流場特性的影響，結(jié)果表明入口雷諾數(shù)和兩噴嘴間距的改變，形成的撞擊面結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變.Ogawa等[12]利用熱線風(fēng)速儀研究兩股射流對撞的流場，得到撞擊面空間分布規(guī)律.Rim等[13]使用數(shù)值模擬技術(shù)研究了射流撞擊平板時撞擊區(qū)的湍流行為，預(yù)測了流場的平均流動特性.楊俠等[14]利用Fluent軟件研究了四噴嘴撞擊流反應(yīng)器和兩噴嘴撞擊流反應(yīng)器的流場特性，對比了兩種結(jié)構(gòu)在不同工況下的流場變化規(guī)律，結(jié)果顯示四噴嘴反應(yīng)器內(nèi)流體速度梯度、剪切力場均大于兩噴嘴反應(yīng)器.王端等[15]運用數(shù)值模擬技術(shù)研究了T型撞擊流反應(yīng)器湍流動能和流場速度在改變?nèi)肟诹魉俦裙r下的變化規(guī)律，結(jié)果顯示入口流速比相同時，駐點處湍流強度較強.羅燕等[16]以速度均方根差為評價標準，運用數(shù)值模擬技術(shù)研究了導(dǎo)流螺旋片對立式循環(huán)撞擊流混合器撞擊區(qū)混合效果的影響，結(jié)果表明不加螺旋片時混合效果好.張建偉等[17]以速度均方根差為評價標準，使用數(shù)值模擬技術(shù)分析了不同噴嘴夾角下水平三向撞擊流混合器撞擊區(qū)的混合效果，結(jié)果表明當夾角為α=60°時混合最優(yōu).

傳統(tǒng)的撞擊流混合器多是單層同軸對置結(jié)構(gòu)，只能進行一次撞擊混合，本文在傳統(tǒng)的單層水平對置撞擊流混合器基礎(chǔ)上進行改進，設(shè)計雙層水平對置撞擊流混合器，物料在雙層反應(yīng)器發(fā)生兩次撞擊(混合)，提高混合效率.研究不同層間距下雙層撞擊流混合器速度場、湍流動能、流場流線和流場壓力的分布規(guī)律，通過速度均方根差和壓力均方根差更準確地比較不同層間距下混合器混合效果.通過研究雙層混合器撞擊區(qū)流場特性可以為化學(xué)反應(yīng)體系合成化工產(chǎn)品的微觀混合提供理論性指導(dǎo).

1 模型建立

1.1 物理模型

雙組分層水平對置撞擊流混合器結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 撞擊流混合器結(jié)構(gòu)

混合器高400 mm，混合器圓筒內(nèi)徑為130 mm，上層噴嘴軸線距離混合器頂端170 mm，4個噴嘴采用上下兩組對置安裝，上下兩層噴嘴軸線之間的距離為層間距H，固定上層噴嘴，向下取層間距H=20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm、70 mm和80 mm，共7組工況，4個噴嘴直徑d=10 mm，取噴嘴對置間距L=3d=30 mm.

1.2 控制方程

控制方程選用Realizablek-ε模型[17].Realizablek-ε模型和標準k-ε模型均可用于多射流撞擊式噴嘴湍流流動的數(shù)值模擬計算.Realizablek-ε模型與標準k-ε模型的主要區(qū)別是采用了新的湍流黏度公式，這種模型滿足對雷諾應(yīng)力的約束條件，因此可以在雷諾應(yīng)力上保持與真實湍流一致，可以修正流體對置碰撞過程中彎曲、漩渦和旋轉(zhuǎn)的流線.為簡化計算，做如下假設(shè)：(1) 模擬計算為穩(wěn)態(tài)；(2) 不考慮重力及溫度對流動的流體黏度的影響.

連續(xù)性方程：

(1)

動量方程：

(2)

(3)

穩(wěn)態(tài)能量輸運方程k-ε模型可以表示為

(4)

(5)

式中：μeff=(μ+μt)是湍流有效黏度；S為平均應(yīng)變張量模量；Rε為應(yīng)變率項；αk、αε是逆有效普朗特系數(shù)；C1ε=1.42，C2ε=1.68.

1.3 邊界條件的設(shè)置

采用三維單精度分離解算器，壓力和速度耦合項采用SIMPLE算法，其余采用二階迎風(fēng)格式，4個流體入口邊界條件定義為速度入口(velocity-inlet)，出口邊界條件為自由出口(outflow)，其他未設(shè)置的面默認為固壁無滑移光滑界面，液相工質(zhì)為水，層間距H=20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm、70 mm和80 mm共7組工況，4個噴嘴入口速度均為1.77 m/s.

1.4 網(wǎng)格的劃分與檢驗

混合器采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分.為了模擬的準確性，排除網(wǎng)格影響因素，在層間距H=60 mm這一工況下對網(wǎng)格數(shù)205 432、222 532、244 315、264 643和286 567進行檢測，選取沿z軸層間距二次撞擊駐點的速度作為檢測值，結(jié)果如圖2所示.由圖2可以看出：網(wǎng)格達到244 351后速度保持穩(wěn)定，速度差小于2 %，為縮短計算時間，選用網(wǎng)格數(shù)為244 351.

圖2 不同網(wǎng)格數(shù)下z軸層間距中心點處速度

2 結(jié)果與討論

混合效果是衡量混合器性能的重要指標，通過研究不同層間距下混合器內(nèi)速度場、湍流動能、流場渦旋和流場壓力的分布規(guī)律，結(jié)合二次撞擊駐點沿軸向(x)方向速度均方根差σ和壓力均方根差σp判定混合器層間距間的混合效果.

2.1 不同層間距下流場的速度分布

圖3為不同層間距下雙層水平對置撞擊流混合器在xoz平面上速度分布云圖.由圖3可知：兩股高速流體經(jīng)噴嘴射出，在軸向(x)方向首次撞擊產(chǎn)生撞擊駐點，在駐點處形成撞擊面，駐點處速度達到極小值，且與周圍區(qū)域形成很大的速度梯度，原因是兩噴嘴噴射等量的高速流體在駐點處劇烈撞擊，能量相互抵消消耗，速度急劇減小.在上下兩層駐點處產(chǎn)生的沿z軸方向的射流在兩層噴嘴層間距間發(fā)生二次撞擊，形成新的撞擊駐點和撞擊面.層間距H=20 mm、30 mm、50mm、60mm時，二次撞擊面流體的速度均勻穩(wěn)定的分布，層間距H=40 mm二次撞擊面流體存在速度梯度.首次撞擊時產(chǎn)生的沿z軸方向射流存在流向偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，對比7組工況可知，隨著層間距的增大，二次撞擊后形成的沿軸向(x)方向撞擊面擴展量呈先增大后減小的趨勢，層間距H=40 mm、50 mm形成的撞擊面擴展量較大，有利于能量得到釋放；二次撞擊面流體的速度逐漸減弱.當層間距H=70 mm和H=80 mm時，由于距離過長，撞擊前損失的動能較大，兩股射流相遇時已無法形成有效的二次撞擊，而是在阻力的作用下改變運動方向，轉(zhuǎn)為沿軸向(x)方向流動.

圖4為不同層間距下沿z軸方向速度分布，二次撞擊駐點為坐標(0)點.由圖4可知：當層間距H=30 mm～80 mm范圍時，z軸方向速度變化趨勢相似，速度均表現(xiàn)為在二次撞擊駐點處較小，在駐點上下方沿z軸正(負)方向呈現(xiàn)先增大后減小的對稱分布，在上下兩層第一次撞擊駐點處存在小范圍的速度波動；隨著層間距的增大，二次撞擊駐點的速度從0.7 m/s降低到0.1 m/s.層間距H=20 mm時速度在z軸呈無規(guī)律性分布，原因是層間距太小，上下兩股射流能互相影響到對方首次撞擊駐點位置，速度呈無規(guī)律分布.

圖3 不同層間距下xoz面速度分布云圖

圖4 不同層間距下速度沿z軸分布規(guī)律

混合理論認為分子間相互剪切運動與微團間的相對速度梯度呈正比關(guān)系，流體間的離散程度越高，混合效果越好，本研究引入速度均方根差σ衡量速度梯度[18]，即速度均方根差σ越大，混合效果越好.σ計算公式為

(7)

式中：va為平均速度；vi為第i個點的瞬時速度；n為總的采樣次數(shù).

(8)

流體的流速與va呈正比關(guān)系，加快流場的循環(huán)速度促使流體由低剪切區(qū)向高剪切區(qū)流動，從而有效地加強混合.在二次撞擊駐點位置沿xoy面(0°，45°，90°，135°，180°，225°，360°)方向采集7組數(shù)據(jù)，每組均勻采集80個不同點的速度vi，計算所取點的速度均方根差σ(7組數(shù)據(jù)的平均值)和平均速度va(7組數(shù)據(jù)的平均值)，結(jié)果如表1所示.從表1可以看出：層間距H=20 mm增加到H=30 mm速度梯度增強了1.84倍，層間距H=30 mm增加到H=40 mm速度梯度增強了1.12倍；隨著層間距的增加，速度均方根差和平均速度呈先增大后降低的趨勢；層間距H=40 mm時速度均方根差和平均速度最大，混合效果最優(yōu).

表1 速度均方根差和平均速度

引入σ=σ1+σ2[19]衡量雙層水平對置混合器整體的混合性能，σ1表示首次撞擊面的速度梯度，σ2為二次撞擊面速度梯度，傳統(tǒng)單層水平對置混合器只進行一次撞擊混合，整體混合性能為σ1.雙層σ=σ1+σ2>單層σ1，雙層水平對置混合器整體的混合性能優(yōu)于單層水平對置混合器整體的混合性能.

2.2 不同層間距下流場的湍流動能和流線分布

圖5為雙層水平對置撞擊流混合器在xoz面上湍流動能的分布云圖和流場流線圖.圖6為不同層間距下沿z軸方向湍流動能分布，二次撞擊駐點為坐標(0)點.高湍流動能區(qū)域混合效果較好[20].

圖5 不同層間距下湍流動能和流線在xoz面上分布情況

由圖5和圖6可以看出：層間距H=20 mm、30 mm、40 mm、50 mm和60 mm時，5組工況的高湍流動能區(qū)域均集中分布在二次撞擊駐點附近，湍流動能沿z軸呈單峰分布，曲線在駐點沿z軸正負迅速下降，形成了較大的湍流梯度，湍流動能從二次撞擊駐點向周圍遞減.隨著層間距增大，二次撞擊駐點的湍動能呈先增大后降低的趨勢.層間距H=30 mm、40 mm時湍流動能較大，H=30 mm相比于H=20 mm在二次撞擊駐點的湍流動能值從0.08 m2/s2增加到0.17 m2/s2；H=50 mm相比于H=40 mm在二次撞擊駐點的湍流動能值降低了0.05 m2/s2；層間距H=70 mm、80 mm時，湍流動能在兩層噴嘴層間距之間均勻分散分布，可明顯看出層間距間的湍流動能值衰減到0.06 m2/s2以下，較其他工況的湍流動能減弱明顯，不利于物料混合.

圖6 不同層間距下湍流動能沿z軸分布

流場流線表示流體的運動軌跡，在二次撞擊駐點處形成的沿軸向(x)方向的射流水平發(fā)展時，受到上下兩層軸向射流卷吸的影響，在其周圍區(qū)域形成大尺度渦旋結(jié)構(gòu).如圖5所示，兩層噴嘴層間距間渦旋集中分布在二次撞擊駐點周圍，層間距H=20 mm、60 mm、70 mm時在z軸左(右)形成了2個旋向相反的渦旋，層間距為H=30 mm、40 mm、50 mm時形成了4個旋向相反的渦旋環(huán)繞在二次撞擊駐點附近.渦旋會與周邊流體存在較大的渦量和壓力梯度，形成強烈的渦擴散，反過來促進流體混合，具有渦旋數(shù)量較多的流場更有利于能量的均勻耗散，增強混合效果[21].

2.3 不同層間距下流場的壓力分布

圖7為雙層水平對置撞擊流混合器在xoz面上壓力的分布云圖.圖8為不同層間距下沿z軸方向壓力分布.

圖7 不同層間距下壓力在xoz面上分布情況

由圖7可以看出：壓力梯度集中分布在首次撞擊駐點和二次撞擊駐點附近，沿z軸呈左右對稱分布，撞擊面上壓力峰值位于兩次撞擊駐點處，原因是流體在駐點處發(fā)生碰撞，速度方向會發(fā)生改變，速度變小，靜壓力增加.結(jié)合圖8分析，不同層間距下壓力曲線的整體分布趨勢大體一致，壓力曲線在首次撞擊駐點沿z軸呈迅速下降后平緩一段距離在二次撞擊駐點處緩慢上升后下降的變化趨勢，分析其原因在于壓力波動存在一個區(qū)域，當靠近撞擊區(qū)域時壓力波動明顯且幅度大，而遠離撞擊區(qū)域時壓力波動較為平緩，在兩次駐點處壓力達到峰值，且與周圍流體形成了較大的壓力梯度，層間距H=40 mm時二次撞擊駐點壓力波動幅度最大.二次撞擊駐點的峰值壓力隨著層間距距離增加而降低，層間距H=70 mm時二次駐點壓力波動消失.

圖8 不同層間距下壓力沿z軸分布規(guī)律

流體流動時分子間發(fā)生振動，部分流動能轉(zhuǎn)化為振動能，流團振動意味著壓力波動，伍沅[22]利用瞬變壓力的均方根差來描述波動強度，壓力均方根差(σp)越大，平均波幅越大，脈動越強烈，混合效果越好.σp計算公式為

(9)

式中：pa為平均壓力；n為總的采樣次數(shù)；pj為第j個點的瞬時壓力.

(10)

在二次撞擊駐點位置沿xoy面(0°，45°，90°，135°，180°，225°，360°)方向采集7組數(shù)據(jù)，每組均勻采集80個不同點的壓力pj，計算所取點的壓力均方根差σp[14](7組數(shù)據(jù)的平均值)，如圖9所示.從圖9可以看出：隨著層間距的增加，σp呈先降低后增大再降低的趨勢，層間距H=40 mm時σp最大，混合效果最優(yōu).

圖9 不同層間距下xoy面上壓力均方根差

3 結(jié) 論

通過對雙層水平對置撞擊流混合器流場特性進行數(shù)值模擬研究，分析了混合器內(nèi)撞擊區(qū)速度場、湍流動能、流場流線和流場壓力分布規(guī)律，利用速度均方根差和壓力均方根差考察撞擊區(qū)的混合效果，得到如下結(jié)論：

(1) 上下兩層流體在軸向發(fā)生一次撞擊后沿z軸方向發(fā)生二次撞擊，速度沿z軸正(負)方向呈現(xiàn)先增大后減小的對稱分布.隨著層間距的增大，二次撞擊后形成的撞擊面擴展量呈先增大后減小的趨勢，二次撞擊面流體的速度逐漸減弱；二次撞擊區(qū)的速度梯度和平均速度呈先增大后減小的趨勢規(guī)律，層間距H=40 mm時速度梯度和平均速度均為最大.

(2) 兩層噴嘴層間渦旋和高湍流動能區(qū)域均集中分布在二次撞擊駐點附近，湍流動能沿z軸呈單峰分布，湍流動能從二次撞擊駐點向周圍遞減.隨著層間距增大，二次撞擊駐點的湍流動能呈先增大后降低的趨勢.

(3) 壓力梯度集中分布在首次撞擊駐點和二次撞擊駐點附近，撞擊面上壓力峰值位于兩次撞擊駐點處.隨著層間距的增大，壓力均方根差呈先降低后增大再降低的趨勢，層間距H=40 mm時壓力均方根差最大.