浸没状态下液-液两相水平对撞浓度场的数值模拟

用Fluent软件对水和甲苯液?液两相撞击流进行了模拟,研究了浸没状态下液?液两相撞击流的浓度场,用不均匀系数比较和分析了不同截面的浓度场,研究了不同进口流量(Q)、喷嘴直径(D)和两喷嘴间距(L)下浓度场的变化规律. 结果表明,随进口流量增加,不均匀系数先增加后减小,Q=300和800 L/h时不均匀系数均低于0.04;随两喷嘴间距增加,不均匀系数持续增加,L≤3D时不均匀系数均小于0.05,液?液两相撞击流在小喷嘴间距下混合效果好;随喷嘴直径增加,不均匀系数先减小后增加,在D=10 mm时最佳.     

基于PLIF的水平三向撞击流径向流型的研究

利用平面激光诱导荧光技术(PLIF)测量了水平三向撞击流反应器内液体混合时变化的二维浓度场,发现了其内部存在两种不同的径向流型:漏斗径向射流和自由径向射流。借助径向射流偏转角β对两种流型的变化规律进行了探索,实验结果表明等效喷嘴间距L*=1D时,偏转角变化范围Δβ很小;L*增大到2D时,Δβ急剧增大,出现峰值。当L*继续增大到3D、4D和5D时,Δβ略微下降,最终趋于稳定。流速u的变化对Δβ的影响较小。小喷嘴直径D工况下,最佳喷嘴间距为L*=2D或L*=3D;中等喷嘴直径D工况下,最佳喷嘴间距为L*=2D。通过计算离析度IOS得到完全混合所需时间t,发现Δβ越大,混合所需时间t越短,混合效果越好。     

柱形涡发生器强化撞击流反应器流场特性的数值模拟

利用数值模拟方法分析设有柱形涡发生器的撞击流反应器的流场特性,优化了柱形涡发生器的尺寸与位置参数,考察了柱形涡发生器尺寸与位置参数对撞击流反应器流场结构、速度分布、湍流尺度和混合性能的影响。结果表明,柱形涡发生器直径D=10 mm时,反应器内旋涡数量最多,涡系影响范围最广;D<10 mm时,旋涡数量减少;D>10 mm时,涡系影响范围减小。柱形涡发生器横向间距的增加使反应器内旋涡数量减小,涡系影响范围增大。随着柱形涡发生器横向间距、纵向间距的增加,撞击流反应器径向流速、湍流尺度和混合强度均先增大后减小。当柱形涡发生器横向间距K=5 mm、纵向间距J=70 mm时,撞击流反应器混合效果最佳。     

双组分层撞击流反应器浓度场混沌分析

采用平面激光诱导荧光技术测量双组分层式撞击流反应器撞击区浓度分布,利用混沌理论分析不同喷嘴间距、喷嘴直径和射流雷诺数下撞击流反应器浓度场混沌特征参数(关联维、Kolmogorov熵和最大Lyapunov指数)的变化规律。结果表明,撞击流反应器内浓度场混沌特征参数随喷嘴间距的增大呈上下波动的变化趋势,Kolmogorov熵在L=2d时达到最大。浓度场混沌特征参数随喷嘴直径增大呈上下波动的变化趋势,Kolmogorov熵在d=8 mm时整体上最大;射流雷诺数为Re=22 000时整体上混沌特征参数最佳。受二次撞击区的影响,撞击面上靠近二次撞击区各点的混沌特征参数有明显提高。     

撞击流反应器流场数值模拟及其混合性能优化

利用数值模拟方法分析多喷嘴对称撞击流反应器内部流场以优化反应器结构。研究不同喷嘴数和进料条件对撞击流反应器内速度场、湍流特性及混合效果的影响。结果表明,不同喷嘴数撞击流反应器内流速分布为双峰型,等流速工况下速度梯度随喷嘴数增加而减小,高剪切力分布范围随喷嘴数增加先增大后减小。通过分析湍流尺度分布发现小尺度涡旋主要集中在撞击区,而大尺度涡旋主要集中在发展区,且四喷嘴撞击流反应器平均剪切应力及涡旋尺寸梯度最大,四喷嘴结构更有利于增强流体湍动强度并强化混合。撞击流反应器内平均湍动能随喷嘴数增加先增大后减小,其中四喷嘴撞击流反应器内平均湍动能最大。当撞击流反应器为四喷嘴结构时,其混合效果最好,完全混合时间最短为22 s。在本研究工况内四喷嘴结构为撞击流反应器混合的最优结构。     

撞击流-螺旋盘管反应器微观混合性能研究

采用碘化物-碘酸盐平行竞争反应体系对撞击流-螺旋盘管反应器内的微观混合性能进行了实验研究,考察了雷诺数、喷嘴间距、流量比及盘管弯曲直径等因素对离集指数Xs的影响规律.结果表明,增大雷诺数使螺旋盘管反应器的微观混合性能提高,表现为Xs减小.在保证反应物摩尔比一定的条件下,微观混合性能随着A、B溶液的体积流量比的增加而减小.在层流区内,减小喷嘴间距使Xs降低,在湍流区内改变喷嘴间距对Xs影响不明显.对比研究表明,螺旋盘管的混合性能优于相同长度的直管混合性能,且随盘管弯曲直径减小混合性能提高.     

不对称撞击流的实验研究与数值模拟

采用恒温式热线风速仪(CTA)测量不对称撞击流流场.用CFD软件对流场进行数值模拟,得到了和实验相吻合的结果.结果表明,不对称撞击流轴线上轴向速度除撞击面附近外,基本符合圆射流衰减规律.当喷嘴间距一定时,轴线撞击面驻点偏移量随气速比和喷嘴直径的增大而增大.当气速比一定时,轴线撞击面驻点偏移量随喷嘴间距增大而增大.     

三股对撞式撞击流反应器的流动特性

采用高速数码相机对喷嘴直径1 mm的开放式三股对撞式撞击流反应器内的流场特性进行研究,考察了入口雷诺数Reinj、对置两管喷嘴间距d1、垂直管喷嘴到对置两管的垂直距离d2对流场特性的影响. 结果表明,在物料流量比为2时,Reinj对流体结构的影响较显著. 随Reinj增加,流体结构由链状向类似伞状变化,最终破碎成液滴,无规则向四周分散,雾化程度显著增加,撞击面边缘剧烈扰动,提供了较好的混合效果. 较小的d1使撞击区域接近对置两管喷嘴处,可能导致喷嘴堵塞而影响混合效果. 增大d2及Reinj=1699时,重力影响使流体结构由链状轻微向面积较小的伞状结构变化. 采用碘化物-碘酸盐平行竞争反应体系,物料流量比为8时,与传统撞击流反应器相比,三股对撞式撞击流反应器的离集指数约为其1/2,显示出优越的微观混合性能.     

浸没对置撞击流的液相混合行为研究

利用无干扰流场测试手段——平面激光诱导荧光技术(PLIF),对浸没对置撞击流混合反应器在等动量撞击下的浓度场进行分析,并分析比较对称撞击和不对称撞击下的液相混合行为。利用混合均匀度U和均匀混合时间τ95定量描述测量平面的示踪剂浓度分布,得出其在不同内径比、不同喷嘴间距下的变化规律,并进一步分析对称撞击时,两喷嘴出口流体的不同动量比对混合的影响。研究发现:在小喷嘴间距L10D(L为喷嘴间距;D为两对置喷嘴内径和的平均值)下,等动量撞击时,对称撞击的混合效果要优于不对称撞击;对称撞击和不对称撞击的最优混合间距均为L=3D。对称撞击时,两喷嘴出口流体的动量比越接近于1,越有利于液相混合。     

非等温液-液对置撞击面温度分布均匀性

对不同条件下非等温过程液-液对置撞击后形成的气液混合撞击面的温度分布均匀性进行了研究。以温度不均匀系数和撞击面温度分布作为评价标准,利用Mixture模型数值模拟撞击过程,并基于平面激光诱导荧光（PLIF）技术进行可视化测量实验验证计算模型。通过对不同的喷嘴出口速度（v）、喷嘴对置间距（L）以及湍动能等条件下撞击面温度分布进行研究。结果表明,喷嘴直径和喷嘴对置间距一定时,增加喷嘴的出口流速,则温度不均匀系数整体呈下降趋势;喷嘴直径和喷嘴出口流速一定时,非等温液-液对置撞击后形成区域温度场分布随喷嘴间距的增加,其温度分布区间呈减小趋势。L=3D时,温度的分布区间最小,温度场分布最均匀。湍动能的分布曲线越平稳,液-液对置撞击后形成的气液混合撞击面的温度分布越均匀。     

稀释水掺混用薄板式静态混合器结构设计与优化

稀释水掺混是油田或炼油厂原油电脱盐系统的关键环节,直接影响电脱盐的效率和运行能耗。为进一步简化设备结构、助力系统降本增效,提出将薄板式静态混合器应用于稀释水掺混环节。在对薄板式静态混合器进行初步结构设计的基础上,对油水混合情况进行计算流体动力学(CFD)三维数值模拟,以离析强度的平方根(IOS0.5)、管路压降(Δp)等作为评价指标,考察了注水管长度、注水管?弯曲薄板间距、弯曲薄板导向位置、弯曲薄板厚度四个结构参数对油水两相混合程度及运行能耗的影响。以混合管路内径D为基准参照,借助响应曲面法(RSM)对关键结构参数进行优化,并对最优结构参数组合下的混合性能进行预测。优化所得最优结构参数组合为注水管长度为1/3D、注水管-弯曲薄板间距为4/25D、弯曲薄板导向位置为1/8π、弯曲薄板厚度为1/25D,结构优化后的IOS0.5相比优化前降低了43.06%。定性分析薄板式混合器内的水相速度云图和流线图可知,当注水比为2%时,油水两相在注水管下游3D处即可达到均匀混合状态,可见薄板式静态混合器能够在小注水比下快速实现油水均匀混合。     

双层撞击流混合器浓度时间序列的多重分形分析

利用平面激光诱导荧光技术(PLIF)对双层撞击流混合器的浓度场进行了实验测量,获得了不同径向位置处的浓度时间序列,通过多重分形去趋势波动方法(MF-DFA)研究了浓度时间序列中的多重分形特性,得到不同喷嘴间距和射流雷诺数下的多重分形谱,实现了流场特性的定量表征。结果表明,随着喷嘴间距增大,浓度时间序列的奇异性减弱,随着射流雷诺数增大,浓度时间序列的奇异性增强,喷嘴间距对浓度时间序列奇异性的影响比射流雷诺数更为显著。浓度信号的奇异性越强,流体粒子脉动越剧烈,混合效果越强,喷嘴间距对混合的促进作用大于射流雷诺数。通过分析多重分形谱参数(Δα, αmin, α0)随径向位置的变化规律得出了流型的转变区域,并将双层撞击流混合器由撞击中心处向下分为二次撞击区、涡旋区、一次撞击区。浓度信号的奇异性二次撞击区>一次撞击区>涡旋区,对混合的促进作用二次撞击区>一次撞击区>涡旋区。研究结果为更深入地揭示撞击流混合器内部流动模式和撞击流复杂无序的流动机理提供了理论依据。     

Effects of geometry and operating conditions on the mixing behavior of an in-line impinging stream mixer

The present study investigated experimentally the effects of various geometric and operating parameters on the mixing characteristics of model liquids undergoing mixing in a novel in-line mixer, viz. an in-line impinging stream (IS) mixer. First, the mixer with one set of three inlet jets was used. Later two sets of inlet jets were used in order to increase the number of impingement zones and hence the mixing capability of the mixer. A statistical analysis was performed to indicate the best geometry of the mixer based on the data of both the mixing effectiveness and the pressure loss due to impingement of liquid streams.     

Accessing multidimensional mixing via 3D printing and showerhead micromixer design

We present a 3D metal printing showerhead mixer to blend effectively two reagent streams into a confined mixing volume. Each stream is predistributed to multiple channels to increase the contact area in the mixing zone, which enables high mixing performance with smaller pressure drop. The showerhead mixer shows excellent mixing performance owing to its ability to intersperse rapidly the two streams as characterized by the diazo coupling reactions and computational fluid dynamics (CFD) simulations. Experimental results demonstrate superior performance of the showerhead mixer compared to two common commercial micro T-mixers, especially in low Reynolds number regime. CFD results are employed to (a) help understand the mixing mechanism, (b) reproduce the experimental observations, and (c) inform the design specifications for optimal performance. Good agreement between experiments and simulations is achieved. The final design includes multiple side-fed inlets for improved mixing performance of the showerhead mixer, as suggested by the validated CFD models.     

T型撞击流混合器内流动特性的PIV研究

采用粒子图像测速技术对入射管直径为3 mm、混合腔直径为16 mm的T型撞击流混合器内的流动特性进行了研究,考察了不同流速比和撞击轴线上方空间条件下混合腔内的速度和湍流动能分布. 结果表明,在相同入射管直径和流速下,撞击驻点位于混合腔中心处,无因次化的速度和湍流动能分布趋势基本一致. 高湍流动能区主要集中在撞击点附近区域,其无因次化数值是传统Rushton涡轮搅拌槽叶端处的3倍. 流速比对撞击驻点位置影响显著;减小撞击轴线上方空间可增加高湍流动能分布区域,利于物料混合.     

双喷嘴水平对置撞击流混合器内湍流流动及混沌特性

应用激光多普勒测速系统, 对双喷嘴水平对置撞击流混合器内的速度场进行测量, 并且分别采用湍流理论和混沌理论对所测得的瞬时速度场进行分析, 研究其瞬时速度场内湍流特性参数(速度脉动均方根、湍流强度和湍动能)以及混沌吸引子的特征参数(关联维、Kolmogorov熵和最大Lyapunov), 得出该参数随喷嘴间距变化和进口雷诺数变化的分布情况, 并且得到有利于提高混合器内微观混合效果的最优工况。通过混沌分析得到双喷嘴水平对置撞击流混合器的瞬时速度场具有混沌特征和分形特性。研究结果表明:流场内的湍流参数和混沌参数均与进口雷诺数呈正相关关系, 但是两参数却随着喷嘴间距的增加, 呈先增加后减小的变化趋势, 从而可以得到在实验考察范围内L=3d为最合适的喷嘴间距。     

撞击流反应器撞击面稳定性研究进展

撞击流技术因其良好的混合特性近些年用于强化制备超细粉体反应中的混合过程。撞击面的稳定影响反应器内的混合效果,所以本文对撞击面稳定性的研究进行了综述。撞击流反应器不同结构形式包括平面撞击流、轴对称撞击流和微型撞击流等。文中简述了撞击流稳定性的实验研究手段,分析轴对称撞击流反应器的径向偏转振荡的起止条件和不同喷嘴间距下的轴向偏移振荡规律,并且分析平面撞击流反应器的撞击面偏转周期以及偏转振荡的起止条件。得出轴对称撞击流与平面撞击流撞击面驻点的振荡对混合都有促进作用,并且偏移振荡周期不定,轴对称撞击面偏移振幅与喷嘴间距和雷诺数相关。平面撞击流的偏转振荡周期与进口流速成反比,反应器结构参数是撞击流稳定性的影响因素之一。根据轴对称撞击流偏移振荡对混合的促进作用,本文提出一种新型的预设流量波形双组撞击流反应器。新型撞击流反应器的独特结构克服了物料反应通道单一缺点,通过预设波形控制其进口流量,增大其撞击面偏移振幅,消除撞击面无序振荡,使流动轨迹扩展,扩大混合区域,并设计实验装置与方法讨论动态流量撞击流反应器撞击面稳定性对混合效果的影响。最后,本文对轴对称撞击流反应器的混合性能研究前景进行展望。     

水平对置撞击流的POD分析及混合特性

利用平面激光诱导荧光技术和二维高速粒子图像测速技术对浸没对置撞击流的湍流场进行了测量,利用本征正交分解方法对所测两喷嘴出口流体不同动量比(M)和不同喷嘴间距(L/d)下的流场进行分解,提取流场中含能大尺度结构. 结果表明,撞击流瞬时流场的能量基本集中在1阶模态,M=1工况下,1阶模态的能量占总湍动能的比例最高,约为50%,2阶模态约占总湍动能的2%~5%,3阶模态约占2%,与4阶模态差异甚微;在L/d=3时前4阶模态能量占比最大,约为38.6%;低阶本征模态中存在明显的相干结构,主要位于非稳定径向射流附近区域,且大尺度的流动结构与撞击流的液相混合行为直接相关,流场中相干结构尺度越大,能量越大,越有利于快速均匀混合.