Y形气-液顶吹喷枪流型及两相流混合特性实验

杨濮亦，王仕博，王华，熊靓，刘泛函

（昆明理工大学冶金节能减排教育部工程研究中心，云南 昆明 650093）

Y形气-液顶吹喷枪流型及两相流混合特性实验

杨濮亦，王仕博，王华，熊靓，刘泛函

（昆明理工大学冶金节能减排教育部工程研究中心，云南 昆明 650093）

贫化电炉气液顶吹喷枪是一种独特的垂直下降管，其一端Y形通入气液两相，一端直接通入熔池中进行喷吹作业。本文采用多相流水模型模拟仿真的实验手段进行了定量分析，结果表明:不同于传统的垂直下降管，这种顶吹喷枪的管内流型受气液相间压差的影响，产生了一种由环状流过渡为泡状流的流型，不同流型的分布区域与压差的大小有关并且稳定存在；在支管与主管的交叉区域，对于不同的气液比存在3种气液混合相分界面，并各自产生不同的流型；浸没式顶吹气泡群形态在不同的管内流型驱动下有较大差异，表现在深度及宽度两个方面，并证明了气液比为2～5间的生产效果是最佳的。

下降流；气液两相流；流动；界面；混合

在冶金工业中，顶吹搅拌的操作将气体吹入熔池，形成的气泡和熔体间的相互作用对冶炼过程有着重要的作用。专利CN1730673介绍的加入顶吹搅拌工艺的电炉贫化方法[1]加强了熔池内的化学反应，虽然在工程上获得了显著的效果，但现有的管内两相流及气泡搅拌的研究不足以满足工程优化及应用。

虽然已进行了大量的研究工作，但至今在两相流领域只得出了有限的流动结构判别图及相应的流型判别式[2]，要正确地判别多相流的流动结构是十分困难的[3]。对不同流动条件下的两相流流型的研究从未间断，1944年Lockhart和Matinelli便开展了水平管中气液两相流的流型研究[4]，目前水平管和垂直上升管的气液两相流研究较完善[5-8]，主要是因为混合方式不同而造成的流型差异[9-10]，但均未发现新的流型[11-13]。Julia等[14]比较全面地报道了关于垂直下降管的流型，也有部分人做过T形管内两相流分离特性的研究[15]。这些报道的垂直管研究，两端均处于封闭状态，而贫化电炉顶吹喷枪为浸没式顶吹，现有文献尚不能对浸没式气液两相流顶吹技术的研究提供有力支持。

本文通过实验研究了室温条件下不摇摆的顶吹管内流型及管内Y形区域的气液混合特性。

1 实验装置与实验方法

1.1 实验装置

论文中对于两相流流型及喷吹搅拌形态的拍摄，是在昆明理工大学冶金节能减排教育部工程研究中心多相流流动-传热耦合模拟仿真实验平台上进行的。该实验平台配德国产PCO. dimax HD高速摄像仪和佳能5DMarkⅢ数码单反相机，此款高速摄像仪最高分辨率可达1920×1080像素，快门时间最高可达到1.5μs，单反相机最高分辨率为5760×3840像素，最高连拍速度6张/s，其重仅为高速摄像仪的十几分之一，并配有焦距50mm光圈1.4的定焦镜头，在弱光条件下表现优秀，光圈衍射很小；2000mm（L）×1000mm（W）×1500mm（H）尺寸的有机玻璃制贫化电炉模型（图1），可以将顶吹喷枪的浸没搅拌形态可视化。实验介质是水和空气，在一根具有同生产中喷枪一样直径的玻璃管中进行。实验所选取的Y形管为主管垂直，支管以45°交叉至主管。主管内径16mm为液相管，支管内径10mm为气相管，主管总长1500mm。管道一端固定在铁架上，另一端不固定并浸没于水中，插入深度（150±5）mm，实验中自然摇摆幅度≤3°。直管中流体流动方向垂直向下，实验使用气体（空气）转子流量计和液体（水）转子流量计调整及读取流量。

图1 Y形气-水两相流顶吹实验仿真平台

1.2 实验与测量方法

利用玻璃材质的透明特性能够直接观察到流型的演变，但是由于流速较快需要加以高速摄像仪进行辅助的拍摄，从而准确判断流型。实验中两相流体的流量通过流量计和阀门控制，为了保证实验的严谨性，所有实验均在读数保持稳定后才进行拍摄。实验中的液体和气体是透明的，若采用逆光照明拍摄[16]各流态下的流型则会得到更好的图像，因此在贫化电炉的模型的后侧悬挂柔光布，使新闻灯的光分布均匀。由于高速摄像机不便移动，因此使用数码单反相机拍摄气相管同液相管交界处的混合相界面，使用高速摄像仪拍摄管内流型及出口处的搅拌形态。实验中高速摄像仪分辨率设置为640×480像素，曝光时间1ms，数码单反相机快门速度为0.5ms。本项研究中的实验均采用色温3200K的摄影溴钨灯作为补充光源。针对玻璃管内洁净度和照明条件对拍摄图像质量的影响，通过图像预处理[17]改善图像质量。将实验取得的两相体积流量值除以主管横截面积，折算为其在主管的折算流速并进行分析。实验装置见图2。

2 实验结果及分析

2.1 流型分析

两相流的流型是根据两相流体之间的不同的界面结构确定的，受到流体性质、流道尺寸、流动方向等因素的影响而发生一定的变化。垂直下降管的气液两相流流型和垂直上升管大体一致，但有细微的差别，Julia的报道[14]中总结为5种流型（图3）。

图2 气液两相流实验装置

泡状流[图3(a)]是指管内液相是连续的，而气相则是小气泡分散在液相中。这和垂直上升管的泡状流是相似的，但是区别在于下降管中的泡状流趋向于集中在管子的中心。帽形泡状流[图3(b)]广义上讲也是一种泡状流，由于液相中的气泡密度增加而团聚形成较大的气泡，其特殊性在于只存在下降管中，造成这种差异的原因是下降管泡状流中管子中心的气体浓度更高。当帽形的气泡凝结就会形成形似子弹的形状被称为弹状流[图3(c)]，与上升管不同，垂直下降管弹状流中弹状气泡的头部并不指向管子中线。搅拌流[图3(d)]的形成机理目前还没有一个统一的理论，有些学者以流体的湍流作用达到粉碎大气泡而形成泡沫作为搅拌流的主要标志，也有些学者认为搅拌流的产生是由于气量增加使平稳的气液界面遭到破坏，液膜产生流向反转从而破坏了稳定的弹状流。环状流[图3(e)]是一种常见的流型，从外向内液相包裹着气相，Griffith等[18]认为环状流产生于弹状流中气泡的长度趋向于无穷大时， Taitel等[19]则相信环状流是由高速的气流引起。

图4展示的是本文研究中所获得的7种管内气液两相流动形态。在气流量保持为0但并不抽真空、液相流速为0.42m/s时，管内出现帽形泡状流，如图4(a)所示。

在气流量为0、液相流速降低至0.2m/s左右时，以及气液比VG/VL∈（0，0.25）出现了图4(d)所示的弹状流，可以看到弹状气泡的顶端偏向管壁一侧。含气率的增高产生了弹状流，进一步提高气液比会导致搅拌流的产生。

液相流速减小至0.17m/s时，管内流型开始出现泡状流，如图4(b)所示。但此流型并不稳定，其上部会出现环状流，形成环状流向泡状流过渡的界面[图4(c)]，其扰动十分剧烈。实验发现此过渡界面的位置不固定，当其移动至管子的下部时，会急速向上移动，此时管道中形成较长的弹状流，界面移动至管子上部后便重新向下运动，待气弹全部喷出便完成一个位移循环。这表明垂直下降管中，管子两端流体压力对管内流型有重要的作用，顶吹喷枪的两端压力不一致则导致了这种特殊的流态。当界面上移后管道中液相体积突然减小导致压力降低，气相压力相对增大使气泡相互凝聚形成弹状流。

图3 垂直下降管的两相流流型

图4 本研究中所获取的流型

液相流速减小至0.13m/s后，管内的气弹开始出现了分裂及分散的现象，实验中把这种出现管内不规则气泡流的流型视为搅拌流[图4(e)]，这说明增加气液两相体积会增强气液间的湍流作用。在气液比VG/VL∈（0.25，0.5）也出现了搅拌流。

当液相流速减小至0.1m/s，出现了液膜不稳定的环状流，如图4(f)所示。而在喷枪浸没部分则为泡状流[图5(a)]，这证明管子中心气柱的压力小于管口处的液体压力，因此当气柱底部抵达浸没液面后无法将气体直接压出喷枪，在液面经过撞击和挤压后形成了泡状流。这也是一种环状-泡状流，过渡界面的位置相对稳定。加大通气量后出现了图5(b)所示的情况，此时气柱压力与水压平衡，证明了顶吹喷枪内流型的转变是由气液两相的压力差引起的。在液相流速低于0.05m/s后产生了图4(g)所示的环状流，其液膜更加平滑并且更薄，此时气相及液相的流量都较低，Oshinowo等[20]称这种流型为纯环状流。环状流同样出现于气液比大于0.5后的流动中。

实验中得到的不同的气液流速条件下的流型发生转变的数据归纳在图6中，有报道[21]指出当压力保持不变、含气率在0.1～1之间时，气液两相流均以环状流形式存在，本文的研究证实此理论不适用于顶端封闭底端浸没的顶吹喷枪中，顶吹喷枪内出现环状流的含气率临界点应为0.5左右。

图5 气压液相间压差对气柱位置的影响

图6 D=16mm顶吹喷枪管内流型转折点分布图

2.2 气液两相管内混合特性分析

在本研究中还根据混合相界面分布形态的差异归纳了喷枪Y形区域的气液混合相界面类型，即泡形界面、线性界面及半球界面，如图7所示，其中图7(b)是图7(a)的高曝光速度拍摄。泡形界面只在气相流量为0并且液相流速大于0.24m/s的条件下被观察到，此时管内流型为帽形泡状流。可以看出，管内的气液相分界面并不清晰[图7(a)中A]，这是因为气相支管中的气体没有主动流入主管，因此主管中液体向下运动至支管与主管交叉部分的中空区域则自由下落。延长曝光时间可以体现出部分液滴下落轨迹，可以看出液体在此区域的竖直下落并在交叉部分下方形成了液相对气相的卷吸夹带作用，此作用在气体流量为0的条件下将支管内的气体卷入液相当中，产生了不连续的较大气泡，如图7(b)中B所示，形成帽形泡状流流型。

图7 Y形气液顶吹管内气液混合类型

随着液相流量的减小，产生的两相混合线性界面呈图7(c)所示，此混合界面下方的直管中可观察到弹状流、搅拌流及环状流。研究中发现，即便是不断加大气量，在液体流速小于0.1m/s前均是此界面形态，可以认定这是一种稳定的Y形管管内两相混合界面。在保证此界面的条件下改变气液比，并未造成混合界面的明显变化，气体被压进入直管后向管中心运动，而液体则包裹在气柱外部直至形成稳定的流型。这一过程发生在交叉点以下150～200mm的距离内，气液比的改变会对此距离造成影响。

图7(d)所示的是半球界面，可以看到两相分界面位于交叉点之上，在气液量较小及气液比较大时均出现此型界面。在气液量均较小时其形成机理为液压小于气压而无法将管内气柱压出喷枪，一旦气压足以将气柱压出管道，则界面恢复为图7(c)中形态，当气液比较大时此界面因气相压力过大将分界面向上挤压而成。

2.3 气液两相流顶吹搅拌形态

贫化电炉气液两相流顶吹的工艺关键在于使用顶吹技术将还原剂喷入熔池并利用气泡加强搅拌，本文作者曾在关于气泡在双层黏性流体中运动的报道[22]中指出，喷枪口若距离双层液体分界面过近会将下层液体搅入上层液体，可见使搅拌深度最小化在电炉顶吹搅拌中是至关重要的。图8显示了实验中所得到的搅拌形态。

从图8中可以看出，泡状流型产生的气泡群下潜深度最大，而纯环状流最小。气泡从喷枪口喷出后进入熔池受到浮力的作用做减速运动，由式（1）可以得出气泡直径与受到的浮力成正比关系，因此在液相流速较大的情况下较小气泡减速运动距离更长造成更大的气泡群下潜深度。从弹状流开始气体在喷出后即可以产生鼓泡现象，但气泡仍然需要运动一小段距离后才会上浮，在气弹之间存有微型气泡使气泡群下部形态与图8(a)相似。环状流型下喷吹的气泡是连续的大型气泡，在浮力及气泡羽流[23]的作用下减少了气泡群的下潜深度，其产生的大量小气泡则包裹大型鼓泡使气泡群宽度值增加。因此在生产中需保证环状流型的产生以获得最大的横向搅拌范围。

图8 不同流型产生的搅拌形态

式中，F为气泡所受浮力，N；ρ为水的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；r为气泡半径，m。

为了进一步了解气泡群宽度的影响因素，绘制了图9。从图9中可以看出，气液比为2后气泡群宽度达到峰值，随后呈下降趋势。已知气液比达到0.5后即为环状流，因此可知流型的变化并不是气泡群宽度下降的直接原因。进一步研究发现在气液比达到10左右时，喷枪Y形区为图7(d)所示形态，喷吹搅拌形态则如图8(d)所示。可知此条件下产生的小气泡数量减少，单一的大气泡导致了气泡群宽度值的降低。图10总结了气液混合界面形态、管内流型及喷吹搅拌气泡群形态的对应关系，可以看出管内含气率对流型及搅拌形态起到了重要作用，并且对深入研究顶吹喷枪管内流型及喷吹搅拌有一定的指导意义。

图9 气液比同气泡群宽度的关系

图10 两相混合界面-管内流型-喷吹搅拌形态关系树

3 结 论

本文经过大量的实验，借助高速摄影技术拍摄并分析了气液混合顶吹喷枪的两相混合形态、管内流型及喷吹气泡群搅拌形态。分析得到如下主要结论。

（1）在顶吹喷枪的流型获取实验中，并未在喷枪浸没部分以上观察到稳定的典型泡状流型，稳定的泡状流型仅在喷枪的浸没部分被观察到。而环状-泡状流是一种由环状流直接过渡到泡状流的流动形态，虽然是一种过渡形态但是由于其长时间动态存在，也可以视为适用于浸没式顶吹喷枪的一种稳定的管内流型。

（2）在浸没式顶吹喷枪（D=16mm）的Y形两相混合区域会产生3种稳定的气液混合的界面，分别为泡形界面、线性界面和半球界面。在气液比VG/VL∈（0，10）产生的是线形界面，其产生了本研究中的大部分流型，其他两种混合界面只在气液量均极小或两者相差很大的极端情况下出现。

（3）不同的流型所产生的喷吹气泡群搅拌的形态及尺寸差异很大，这主要取决于气泡群所受到的浮力大小，当大型气泡生成后，气泡群的深度减小而宽度增加。增加气液比以形成环状流可以加强横向搅拌并减小喷吹深度，这对于贫化电炉顶吹还原反应而言是有益的。但气液比超过2后会造成气泡群的宽度值降低，因此在生产中需将气液比控制在2～5之间。

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Experimental study on the mixing characteristics and flow patterns of gas-liquid two-phase flow in Y-type top blowing nuzzle

YANG Puyi，WANG Shibo，WANG Hua，XIONG Liang，LIU Fanhan
（Engineering Research Center of Metallurgical Energy Conservation and Emission Reduction Ministry of Education，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，Yunnan，China）

The top blowing nuzzle for slag cleaning furnace is a distinctive kind of vertical downward pipe. Gas and liquid enter the pipeline from the Y-type tube，the other end of the nozzle is immersed in the molten pool. This paper analyzed multiphase flow quantitatively using simulation model in the experiments. The results show that the pressure difference of gas-liquid phase caused a transition from steady annular flow to steady bubbly flow was，and the area of each flow pattern depended on of the pressure difference. Three types of gas-liquid flows presented at the phase interface in the section between the main pipe and branch pipe（the area of mixing phase of gas and liquid）. The differences of bubbles stirred by immersion top blowing on different flow patterns were manifested in depth and width. The production was optimal at gas-liquid ratio of 2—5.

download flow；gas-liquid flow；flow；interface；mixing

O 359+.1

A

1000-6613（2014）08-1957-07

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.08.003

2014-01-20；修改稿日期：2014-02-13。

云南省自然科学基金（2013FB020）及校企联合基金（KKK0201352027）项目。

杨濮亦（1988—），男，硕士研究生，主要从事多相流强化传热传质研究。E-mail mailyangpy@foxmail.com。联系人：王仕博，讲师，主要从事冶金过程模拟研究。E-mail ph.d.wangshibo@foxmail. com。