侧吹气流穿透深度及气泡脱离频率模型实验

成 慰，周 萍，马 骥，夏中卫，廖 舟

(1.中南大学 能源科学与工程学院，湖南长沙410083；2.中南大学流程工业节能技术湖南省重点实验室，湖南长沙410083；3.株洲冶炼集团股份有限公司，湖南长沙412004)

侧吹气流穿透深度及气泡脱离频率模型实验

成 慰1,2，周 萍1,2，马 骥1,2，夏中卫3，廖 舟3

(1.中南大学 能源科学与工程学院，湖南长沙410083；2.中南大学流程工业节能技术湖南省重点实验室，湖南长沙410083；3.株洲冶炼集团股份有限公司，湖南长沙412004)

通过建立侧吹模型实验装置，对侧吹气体的穿透行为和气泡的脱离频率特性进行了实验研究。利用高速摄影仪记录了气体运动过程,并运用Matlab图像处理方法对实验所得气体穿透深度和气泡脱离周期等信息实现了自动提取。在实验结果的基础上,通过量纲分析法得出了本实验侧吹过程中气体在不同液体温度、气体流量条件下的无量纲最大穿透深度的经验公式,从而为讨论不同条件下侧吹气液两相间的反应速率以及搅拌强度等问题提供参考依据。

浸入式侧吹；气体穿透深度；气泡脱离频率；量纲分析

侧吹熔池熔炼广泛应用于铅锌冶炼、锑冶炼、吹气炼铜等冶金工业领域[1],其侧吹气体穿透行为以及气泡脱离频率特性是影响冶金侧吹工艺的重要因素。它不仅关系到侧吹炉窑中气液间的反应效率,还决定着侧吹炉窑的安全使用寿命[2]。目前研究者针对冶金侧吹炉的相关模型实验主要研究气泡直径以及射流行为,如M.Jamialahmadi[3]、韩旭[4]等人发表过相关文章,而关于气液两相流中气体穿透行为以及气泡脱离频率特性的研究较少。随着信息技术的发展,对于模型试验数据的提取方法已经有了很大的突破,而高效准确的Matlab图像处理法[5]就是其中之一。

本文通过对侧吹气体穿透行为以及气泡脱离特性的实验研究,运用Matlab图像处理法提取实验数据,研究气体流量、液面高度以及液体温度对气体穿透深度和气泡脱离频率的影响规律。在实验结果的基础上，通过量纲分析方法拟合了浸入式侧吹过程中气体无量纲最大穿透深度的经验公式,从而为侧吹熔炼炉的设计与研究提供理论指导。

1 实验装置

侧吹水模型是参照某厂烟化炉炉体原型,依据相似三定律,按照几何比例为1：8进行设计。其模型结构用有机玻璃制作,实验气体选用N2,实验液体选取水。实验装置(见图1)包括：1)供气部分。由N2气罐(气源)、压力表、质量流量计、阀门、加热器、喷嘴组成。2)水模型系统。由容器水、恒温器组成。3)摄像系统。由高速摄影仪、Na灯光源和计算机终端组成。实验装置具体尺寸及参数范围参见表1。

图1 实验装置连接示意

为了测量气体在液体中的穿透行为和气泡脱离特性，利用高速摄影仪拍摄气体吹入液体过程，并连接至计算机终端,利用Matlab软件进行图像处理,分析气体的穿透深度和气泡脱离频率数据。

2 Matlab图像处理方法

通过高速摄影仪拍摄了水模型中气液两相流动过程的数字图像,并利用Matlab图像处理方法提取气体穿透行为和气泡脱离特性参数。其关键是将图像进行二值化处理(如图2所示),再通过Matlab编写的程序将二值化图像转化为标签矩阵,并对标签矩阵提取图像特征函数,从而得到气体穿透行为和气泡脱离频率特性参数。表2和表3分别表示Matlab图像处理方法所提取的穿透深度H和气泡脱离频率f。

图2 图像二值化处理前后照片

表2 无量纲气体穿透深度H/D

表3 气泡脱离频率f/Hz

3 实验结果及分析

根据王红一等人的研究[6]可知,本实验中修正弗劳德数Fr’lt;50(Fr’=ρgv2/ρ1gD),气体流态的变化范围处于气体鼓泡流到过渡流之间。本文将从处于流态变化范围内的气体穿透行为和气泡脱离频率进行研究。

3.1 气体穿透深度

3.1.1 气体流量对于气体穿透深度的影响

当液体温度、液面高度相同时,所吹入的N2在不同气体流量条件下,无量纲平均穿透深度的变化情况如图3所示。

图3 气体无量纲平均穿透深度在不同温度下随气体流量的变化情况

当气体流量较小(如0.5 m3/h)时,气体吹入液体后主要以单气泡形式脱离喷嘴,如图4(a)所示,此时气体穿透深度主要受限于单气泡的直径大小。随着气体流量的增大,单气泡之间会出现融合聚并现象,如图4(b)所示，这一阶段气体的无量纲穿透深度与气体流量呈非线性增加的关系。当气体流量由0.5 m3/h增加至1.875 m3/h时,其穿透深度增加约4D,无量纲穿透深度与气体流量两者增量之比约为3.0。随着气体流量继续增加,气泡间的融合聚并现象比较明显,气泡很少以单气泡形式脱离,而是以大气泡或气团形式上升,如图4(c)所示,此时较大流量的气体具有更强的惯性力，吹入液体后会产生更大的穿透深度，但无量纲穿透深度的增量与气体流量的增量之比降低至1.0左右。

图4 气泡随着气体流量增加时所形成的3种形态

3.1.2 液体温度对于气体穿透深度的影响

在气体流量等条件一定的情况下,液体温度对于气体穿透深度的影响如图3与表2所示。实验结果表明,当液体的温度由20℃增加至70℃时,气体的平均穿透深度增加2.3D。这主要是因为当液体温度升高时,液体的粘度随着其温度的增加而减小,使得液体对气体的粘性阻力减小，因而气体在液体中的穿透深度会增加。同时由于气体在气液温差的作用下会不断受热膨胀,气泡直径增加,也会使其在液体中的穿透深度增加。

3.1.3 液面高度对气体穿透深度的影响

图5表示当气流量为1.2 m3/h,液面高度分别为0.22 m和0.11 m时,其气体穿透深度随时间变化情况。由于在此气体流量时气泡间的融合聚并作用,使得气体穿透深度随时间变化表现为不稳定,但气体穿透深度始终保持在3.6～3.9 D的变化范围内。表4为两种液面高度下气体穿透深度平均值。

图5 气流量为1.2 m3/h时不同液面高度的穿透深度

表4 两种液面高度下气体穿透深度平均值H(Q=1.2 m3/h)

由表4可以看出,液面高度增加1倍时,气体平均穿透深度相差0.4%。这主要是因为,实验的液面高度变化所造成的压力变化只占大气压力的1/100左右,对穿透深度的影响并没有起到主导作用,所以本实验中液面高度变化对气体穿透深度的影响较小。

3.2 气泡脱离频率

3.2.1 气体流量对气泡脱离频率的影响

气泡脱离频率在不同温度下随气体流量的变化情况见图6。

图6 气泡脱离频率在不同温度下随气体流量的变化情况

由图6可看到,当液体温度相同时,随着气体流量的增加，气泡脱离频率呈非线性减小的趋势，即气泡脱离频率的变化率不断减小。如图6与表4所示,在液体温度相同时,当气体流量由0.5 m3/h增加至2.5 m3/h时,气泡脱离频率平均减小13 Hz,呈现非线性减小趋势。这是因为当气体流量较小（如0.5 m3/h）时,气泡处于鼓泡流状态，如图4(a)所示。随着气体流量逐渐增大至1.2 m3/h时,气泡呈现过渡流流态现象，如图4(b)所示，此时上一个气泡会因为下一个气泡的卷吸融合作用而不能完脱离,导致气泡脱离周期增大,气泡脱离频率减小。当气体流量继续增加至2.5 m3/h时,气泡过渡流流态现象变得非常明显,如图4(c),此时脱离周期在继续增大,气泡脱离频率进一步减小。

3.2.2 液体温度对气泡脱离频率的影响

在气体流量等条件一定的情况下，液体温度对于气泡脱离频率的影响如图4与表3所示。实验结果表明,当液体的温度由20℃增加至70℃时,气泡脱离频率减小约25%。这主要是因为当液体温度较小时，液体运动粘度较大。随着液体温度升高到时，液体运动粘度减小，表面张力减弱，根据M.Jamialahmadi等人的研究表明[3],此时气泡生成直径会增大,而较大体积的气泡会使得气泡间更容易出现融合现象，因而气泡脱离周期增大,气泡脱离频率减小。同时,气体由于受热膨胀，单个气泡生成周期变大,这也会使得气泡脱离频率减小。

4 无量纲穿透深度经验公式的拟合

有研究表明[7-8],气体的穿透深度与气体动量通量M、喷嘴直径D、液体密度ρl、重力加速度g、以及液体粘度η相关,并通过量纲分析法求解得：

式中：Fr’=ρgv2/ρlgD，Fr’=M/ρlgD3。本实验中，喷管直径为d=0.005 m,ρl=998.2 kg/m3,ρg=1.16 kg/m3。将这些已知数据代入式(1),并结合图3实验数据点,经过换算后拟合代入式(1),得到本实验气体无量纲穿透深度数学表达式,如式(2)所示,其中K=3.751,b=0.287, c=0.063。

根据拟合评价指标显示，均方差MSE=0.108,确定系数R2=0.950 24,拟合结果较好。从拟合评价指标来看,式(2)可以较好地反映气体穿透深度与修正弗劳德数、液体粘度系数等条件之间的关系。故本实验中气体在不同温度、气体流量等条件下的气体无量纲穿透深度可用式(2)计算。

5 结论

本文通过水模型实验,分析了气体流量、液面高度以及液体温度对气体穿透深度和气泡脱离频率的影响规律,如下：1)当气体流量由0.5 m3/h增加至2.5 m3/h时,气体穿透深度平均增加5 D左右,气体的无量纲穿透深度与气体流量呈非线性增加的关系；当液体温度由20℃增加至70℃时，气体穿透深度平均增加1.85 D;实验中液面高度对气体穿透深度影响不大。2)气泡脱离频率随气体流量增大而呈非线性减小趋势,当气体流量由0.5 m3/h增加至2.5 m3/h时,气泡脱离频率平均减小13 Hz；当液体温度由20℃增加至70℃时,气泡脱离频率平均减小约25%。3)建立了本实验中气体无量纲穿透深度与修正弗劳德数、液体粘度系数等条件之间关系式：H/D=3.751 Fr’0.287(ρlD1.5/η)0.347。

[1] Martin BJURSTRöM,Anders TILLIANDER,et al.Physicalmodeling Study of Fluid Flow and Gas Penetration in a Side-blown AOD Converter[J].ISIJ International,2006(4)：523-529.

[2] 闫红杰,刘方侃,张振扬,等.氧枪布置方式对底吹熔池熔炼过程的影响[J].中国有色金属学报，2012,22(8)：2393-2400.

[3] M.Jamialahmadi,M.R.Zentaban,et al.Study of bubble formation under constant flow conditions[J].Trans IChemE,2011,79(A)：523-532.

[4] Wang H,Dong F.Track of rising bubble in bubbling tower based on image processing of high-speed video[C]//Seventh International Symposium on Instrumentation and Control Technology. International Society for Optics and Photonics,2008.

[5] 李小燕,蔡晋辉.利用数字图像识别技术的两相流参数检测研究[J].原子能科学技术,2006,40(B09)：15-18.

[6] 王红一.基于图像处理技术的两相流动特性描述[D].天津：天津大学,2009.

[7] 韩旭,彭一川,萧泽强,等.浸入式顶吹气流在熔池中穿透行为的实验研究[J].化工冶金,2006,17(2)：164-1671.

[8] 王明玉，张林楠，于三三，等.浸入式侧吹气流在熔池中的穿透行为[J].有色金属,2006,58(2)：50-52.

The Experimental Study on the Penetration Behavior and Bubble Departure Frequency of Side-Blowing

CHENG Wei1,2,ZHOU Ping1,2,MA Ji1,2,XIA Zhongwei3,LIAO Zhou3

(1.School of Energy Scienceamp;Engineering,Central South University,Changsha,Hunan 410083,China; 2.Hunan Key Laboratory of Energy Conservation in Process Industry,Changsha,Hunan 410083,China; 3.Zhuzhou Smelter Group Co.,Ltd.,Zhuzhou,Hunan 412004,China)

The experiment of the penetration depth and the departure frequency of the bubbles by using the imaging method and image processing method for the Immersion Side-Blowing model is performed.The dimensionless empirical formula for bubble penetration depth is obtained at different liquid temperature and gas flow rate through the dimensional analysis,providing a reference to discuss the different characteristics,mixing intensity,the reaction rate of the gas-liquid flow and stirring intensity.

Immersion side-blown;Hydraulic model;Air penetration depth;Bubble departure frequency;Dimensional analysis

TF801.3

B

1004-4345(2014)05-0017-04

2014-07-23

国家高技术研究发展计划“863”资助项目(2011AA061003)。

成 慰(1991—),男,硕士研究生,主要从事热工过程与设备的数值仿真研究。

周 萍(1965—),女,教授,主要从事热工过程与设备的数值仿真研究。