水平对置双向液体撞击流的振荡特性

张建伟，马红越，董鑫，冯颖

（沈阳化工大学能源与动力工程学院，辽宁 沈阳 110142）

引 言

撞击流的最初构想是：两股等量气体充分加速固体颗粒后形成的气固两相流，同轴高速相向流动，在两加速管的中间，即撞击面上相互撞击，在撞击的瞬间达到极高的相间相对速度，从而极大地强化相间传递。Tamir 等[1-2]在理论和应用上所做的大量研究说明，在几乎所有涉及传递的化学单元过程中，撞击流都可以大幅度提高相间传递系数。因而在气化、燃烧、吸收、干燥、结晶和催化反应等工业领域，相比于传统的生产方式，撞击流以低能耗、高效率为特点显示出明显的优势和广阔的应用前景。

在水平对置双向撞击流中，撞击面的不稳定性是一个很重要的现象。伍沅[3]在研究浸没循环撞击流反应器中发现撞击面位置存在微小振荡。Denshchikov 等[4-5]在两股平面水射流进行撞击时，发现其撞击面存在自持性振荡，遂对其振幅及周期进行了研究，发现当流量相等时，两股平面撞击流在撞击面处相互上下错开，并且周期性地转换方向。Johnson 等[6]利用实验和模拟研究了层流下的两喷嘴撞击流的自持振荡频率。Kind 等[7]和Rew 等[8]对在大间距下的平面壁射流进行了研究，证明两喷嘴的出口动量比决定了撞击流的驻点偏移。李伟锋等[9-10]对气体对置撞击流驻点在大、中、小3 种喷嘴间距下的偏移规律做了详细的研究，并且发现两喷嘴在等动量下、喷嘴间距L在[2d，4d]范围内，撞击面在喷嘴轴线中心位置振荡现象显著。孙志刚等[11]的气体平面撞击流实验，发现了撞击面存在有周期性的偏斜振荡和无周期性的流向拟周期振荡。许宏鹏等[12]对平面气固撞击流周期振荡进行了模拟，通过分析射流压力和速度，认为周期振荡是由于撞击面上压力释放和持续射流的共同作用导致。屠功毅等[13]通过实验和模拟也证明偏斜振荡是由于速度-压力的周期性变化引起的。

以上成果多集中于气体连续相的撞击流，对于湍射流下的液体连续相撞击的撞击面振荡现象研究较少。平面激光诱导荧光（planar laser induced fluorescence，PLIF）技术[14-17]作为一种新型无干扰流场测试技术，可以定量地测量液相流场中的浓度、温度等信息。本研究利用平面激光诱导荧光技术，以荧光剂进行流场示踪，并经PLIF 软件进行图像后处理，研究了水平对置双向撞击流在等动量情况下，喷嘴间距和进液流量对撞击面驻点的偏移振荡的影响。

1 实验装置与测量

1.1 实验装置

本实验由PLIF 测试系统和撞击流反应器两部分组成，系统结构如图1所示。反应器由有机玻璃制成，内径130 mm，筒体高度为500 mm，上设溢流口，下设排水口，两个对置喷嘴安置在反应器竖直方向的中间位置，结构如图2所示。

图1 实验系统Fig.1 Sketch map of experimental system

图2 撞击流混合器结构Fig.2 Structure chart of impinging stream mixer

实验中采用罗丹明6 号溶液作为荧光剂，浓度为0.1 mg·L-1，储存于容器3 中；流量计5、水泵2、水箱1 之间由PPR 管连接；流量计出口端接足够长度的PPR 硬管，再接橡胶软管后连接反应器。实验时，清水从水箱1 被离心泵2 吸入，荧光剂经蠕动泵4 注入其中一根水管中，经过一定的距离充分混合后，进入反应器，从反应器喷嘴中喷射而出，形成撞击。实验时，反应器底部的出水口关闭，混合后的液体经上部的溢流口排出。蠕动泵4 的流量极小，对流量平衡的影响可忽略不计。

1.2 PLIF 测试系统

实验所采用的PLIF 测试系统系丹麦DANTEC公司生产，主要由连续激光器、同步器、CCD 相机及图像处理系统组成。激光器为波长为532 nm 的连续激光器，CCD 相机为DANTEC 公司配套的FlowsenseEo 2M 相机，图像分辨率为2048×2048，曝光时间为500 ms，采用单帧模式拍摄，在相机前加滤光片以去除荧光波长外的光信号。激光器型号为RayPower 2000，聚焦模块规格为80×91，发射片状光源，照射反应器，照射平面如图2所示，CCD相机置于与照射平面垂直方向。

图3 两喷嘴对置撞击流示意图Fig.3 Schematic diagram of two opposed streams

本实验中利用PLIF 系统的荧光剂示踪，通过坐标系统的标定工作，建立测量平面的实际尺寸与所拍照片的像素点的映射关系，以实现测量功能。孙怀宇等[18-19]曾得出撞击流的压力波动集中在低频区，并测得撞击面处的压力波动频率为0.46～3.7 Hz，故本实验图片采集频率采用15 Hz。开始进行实验后，在每种操作条件下采集照片400 张，实验时进行等动量撞击。利用DynamicStudio 及Matlab软件进行图像的后续处理分析，每种操作条件下图片采集完成以后及时清洗反应器以避免对后续测量造成影响。

1.3 实验测量

实验选取直角坐标系，如图2中所示：以两喷嘴间的几何中点为坐标原点，X轴为喷嘴轴线所在，水平向右为正，Y轴正向竖直向下，单位为mm。反应器的喷嘴结构如图3所示，d为喷嘴直径，喷嘴间距为L，实验选取喷嘴直径d分别为6、8、10、12 mm，喷嘴间距L以d进行量纲1 处理，分别取1d、2d、3d、4d、5d，进液流量Q分别为400、500、600、750 L·h-1，即1.11×10-4、1.39×10-4、1.67×10-4、2.08×10-4m3·s-1。

由于喷嘴轴线所在为X轴，两喷嘴间的几何中点为坐标原点，则设撞击面驻点所在位置为x，振荡幅度A（mm）可以定义为A=|xmax|。

取常温下水的密度ρ=0.997044×103kg·m-3，黏度μ=1.005×10-3Pa·s，由计算结果见表1。由此可见，上述实验条件下均属于完全湍流研究的范围。

表1 Reynolds 数计算结果Table 1 Results of Reynolds number

2 实验结果与讨论

2.1 实验现象

按时间序列取实验条件为Q=1.39×10-4m3·s-1、d=6 mm 时，不同的喷嘴间距下、较为明显的撞击面显示照片如图4所示，图中右侧喷嘴含荧光剂溶液。从图中可以看出，不同时刻获得的照片显示的撞击面位置都不一样，这与实验中观察到的现象一致，即撞击面驻点围绕喷嘴轴线的中心振荡。这说明等动量的液体连续相撞击流中撞击面的振荡幅度很小，但仍然存在。并且从图中可以比较明显地看出：随着喷嘴间距从L=d增大到L=3d，撞击面的振荡现象逐渐变得明显；从L=3d增大至L=5d，撞击面的振荡现象逐渐减小。

2.2 撞击面驻点振荡特性分析

2.2.1 频率f分布 选取图4中Q=1.39×10-4m3·s-1、d=6 mm，L=4d工况下撞击面驻点的原始信号，截取其中23 s 的信号如图5所示。从图5中可以较为明显地看出一定的低频信号。

孙怀宇等[19]曾在实验中注意到，在浸没撞击流的波动频率空间分布中，在撞击面上的波动频率主要集中在0.46～3.7 Hz 范围内，撞击中心区域的频率要低于撞击流其他区域的波动频率，并且随着流体进给量的提高，撞击面区域的波动强度始终较弱。因图片较多，故选取最大流量Q=2.08×10-4m3·s-1，d=6 mm 下的不同喷嘴间距L下的原始信号，做时-频转换后，得到图6中的频谱图。

从图6中可以看出，在最大进给量下，除个别工况外较为明显的振荡频率最大存在于4 Hz 左右，振荡频率主要集中在3 Hz 以下的低频区。这说明撞击面驻点的振荡频率较为稳定，没有随着其他参数的变化出现较大波动。同时也证实了孙志刚等[11]所观测到的在流向拟周期振荡中，并不存在一个固定的周期，其振荡频率只是集中在一个范围内。同时这也是本文所选15 Hz 拍照频率的一个实验依据。

图4 Q=1.39×10-4 m3·s-1 时不同喷嘴间距下的流场的瞬时照片Fig.4 Instantaneous photographs at various nozzle separations at Q=1.39×10-4 m3·s-1

图5 原始信号Fig.5 Original signal graph

2.2.2 振幅A随喷嘴间距L的变化 对实验所得的原始图像经DynamicStudio 及Matlab 软件做后续处理，可以得到喷嘴直径d相同时，不同出口射速u下撞击面振幅A随喷嘴间距L的变化关系，如图7(a)～(d)所示，横坐标为L/d，纵坐标为A/d。

图6 不同喷嘴间距下的频谱图Fig.6 Frequency spectrogram at various nozzle separations

图7 不同喷嘴间距下的振幅Fig.7 Amplitude at various nozzle separations

图8 不同出口射速下的振幅Fig.8 Amplitude at various exit velocity

由图7中可见，在两喷嘴动量相等的情况下，液体连续相撞击流的撞击面振荡幅度A相对于气体撞击流要小得多，主要集中于0.1d～0.5d范围内。并且，随着喷嘴间距L从d增大到3d，A也随之增大；而当L从3d增大到5d，A值不再继续变大，而是逐渐减小，在[2d，4d]区间较为明显，这一结果与李伟锋等[10]发现的L在[2d，4d]内撞击面驻点位置的变化趋势较为一致，但偏移距离要远远小于其 所测量到的0.5d和1.4d，这说明了液体连续相撞击流中，撞击面驻点的稳定性要远远高于气体连续相的撞击。撞击面驻点的不稳定性是由于撞击产生的压力变化与射流施加于撞击区的静压的相互作用而引发。轴向上两股射流的边界层中存在着不稳定的涡结构，这种不稳定性易受外界扰动而失稳[9]。这种涡结构的不稳定性造成撞击区压力与射流静压两者之间的平衡的不稳定性，两者之间由平衡至失衡再到新的平衡，从而出现撞击面驻点的振荡现象。然而，与气体连续相撞击流对比，液体具有远大于气体的密度和黏度，这种差异性一方面显著地削弱了外界的扰动，维持涡结构的稳定性，另一方面又能减弱由于涡结构失稳而导致的撞击面驻点的偏移，使失衡的双方进行能量交换，迅速地回到平衡位置，从而使撞击面驻点保持相对稳定。

驻点可以看成是径向射流的“射流源”，撞击面驻点的不稳定在一定程度上会影响径向射流的不稳定性，这种径向射流的不稳定性能有效地促进了撞击流的混合和传质。

2.2.3 振幅A随流量Q的变化 图8所示为相同的喷嘴直径d下，振幅A随进液流量Q的变化情况，其横坐标为进液流量Q分别为1.11×10-4、1.39×10-4、1.67×10-4、2.08×10-4m3·s-1工况下、不同的喷嘴内径的出口射速u，纵坐标为A/d。由图8中可知，在相同的喷嘴内径下随着出口射速u的增大，撞击面驻点的振荡幅度A并不会一味地增大，而是开始时随着出口射速u的增大而增大，在增大到最大值后，开始逐渐降低，最后趋于稳定。

这是由于撞击区中存在的两种不同系统特征的运动造成的。本课题组曾对浸没撞击流反应器的压力波动进行过系统的非线性研究[20-23]，发现当两股流体在撞击区相互碰撞时，撞击区中存在两种不同特征系统动力学信号，分别由单个粒子的涡运动和粒子团的涡运动产生，其中后者能够产生较大的、具有一定周期的涡运动[19]。

当两股流体在撞击区相互碰撞时，随着两股流体的进给量的增加，压力波动的概貌信号呈现统一的线性关系，宏观上则表现为撞击面的振荡现象减弱，最后趋于稳定。而在压力波动的细节信号中可以看出，随着液体进给量的增大，出射流体对撞击区所造成的静压逐渐增大，粒子团涡运动在低尺度呈现出逐渐增大随后减小的趋势，这就导致了宏观上撞击面的振幅会出现一个峰值，然后逐渐减弱；而在高尺度上则由单个粒子的涡运动一直占据主导位置，且Hurst 指数接近1，表明了整个流体的稳 定性。

3 结 论

本文对水平对置双向撞击流流场进行了实验研究，考察了等动量下撞击中，撞击面驻点在不同喷嘴间距、不同流速下的稳定性和振荡幅度，得出如下结论。

（1）液体连续相撞击流中的流向拟周期振荡不存在一个固定的周期，其振荡频率主要存在于低频区，一般为4 Hz 以下。

（2）气体连续相撞击流中的撞击面振荡现象在液体连续相撞击流依然存在，但由于液体具有远大于气体的密度和黏度，所以撞击面驻点的位置比较稳定，振荡幅度集中于0.1d～0.5d范围。

（3）在液体连续相撞击流中，撞击面驻点的振荡幅度与喷嘴间距有关，当喷嘴间距L从d增大到3d，振幅A也随之增大；而当L从3d增大到5d，A值将不再继续变大，而是随着L的增大逐渐减小，趋于稳定。

（4）在液体撞击流中，由于撞击流中能量交换方式的转变，撞击面的振荡幅度随着流速的增大会出现一个峰值，越过峰值之后振幅逐渐趋于稳定。

符 号 说 明

A——撞击面振幅，mm

d——喷嘴直径，mm

f——频率，Hz

L——喷嘴间距，mm

Q——进液流量，m3·s-1，L·h-1

Re——Reynolds 数

u——液流出口射速，m·s-1

x——撞击面位置，mm

μ——黏度，Pa·s

ρ——密度，kg·m-3

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