浸没式撞击流反应器流场涡特性的数值研究

利用大涡模拟（LES）方法研究了撞击流反应器内流场涡特性,分析撞击区域流体流动特征。改变进口速度、喷嘴间距,讨论流场速度、涡量和平面涡能量分布规律,并分析了流场流型、涡演化过程和涡核形式。在反应器内靠近撞击驻点的涡尺寸小、脉动性高,随着撞击距离的增加,流体速度逐渐减小,涡影响范围变大。平均涡量和平均涡能量随进口速度的增加,先增加后减小。结合Q判据分析了反应器内涡的演化过程和流体流型。根据径向射流涡的演变过程,得到径向射流两侧涡演化的周期,在0.15~0.20 s之间。撞击区的涡结构主要为马蹄涡和肋状涡,在出口位置存在涡环。研究结果为深入分析撞击流反应器流体运动规律和优化反应器提供了理论参考。     

撞击流反应器内涡特性研究进展

撞击流技术具有良好的混合效果,广泛应用于能源、环保、化工等工程领域。由于撞击流反应器流场内存在大量无序的湍流涡结构,使其具有良好的混合效果。本文基于撞击流的混合原理,详细叙述了撞击流反应器内不同混合尺度下的混合过程以及涡的演变对混合的影响。结合实验和数值模拟等研究结果,阐述了不同类型撞击流反应器和撞击流反应器多相流场涡特性,归纳了撞击流反应器流场涡的特点。论述了撞击流反应器涡的产生和脱落机理。着重对圆柱射流、平板射流和撞击流流场内涡特性的本征正交分解（POD）分析进行总结,利用流场能量的角度揭示涡演化和消散规律。最后,对开发新型撞击流反应器、优化分析方法等研究前景进行展望。     

基于阶跃射流的撞击流反应器流场动态特性分析

利用实验与数值模拟方法对动态阶跃型撞击流反应器流场特性进行研究,分析不同入口速度条件下流体流动规律、湍流特性以及能量水平。结果表明,动态阶跃型入口条件下,撞击面在两喷嘴之间周期性移动,流动参数也会发生周期性变化。随着入口平均速率的增大,驻点速度逐渐增大;随着两喷嘴入口速率差的增加,撞击面移动速度加快,撞击区流体湍流强度逐渐增加;随着入口平均速率与入口速率差的增大,XOZ平面在一个周期内的平均湍动能逐渐减小。对比动态撞击流反应器与稳态撞击流反应器内流场特性,探究动态入口条件对撞击流反应器流场特性的影响。结果表明,动态阶跃撞击流反应器湍流黏度、湍流强度和湍动能等参数均明显高于稳态撞击流反应器,撞击轴线上的湍动能梯度分布大于稳态撞击流反应器。动态入口条件下撞击流反应器流体湍动更剧烈,能量水平更高,有利于增加流场内流体扰动与促进混合。     

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。     

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。     

撞击流反应器内幂律流体流动特性的数值模拟

采用数值模拟方法对撞击流反应器内幂律流体的流动特性进行研究,分析了不同喷嘴间距和入口流速下清水和不同质量分数幂律流体的径向射流扩展率、径向速度衰减率、剪切应力、表观黏度等分布规律,研究表明：幂律流体中径向射流的径向速度分布规律与清水径向射流相似。随喷嘴间距的增大,扩展率增大,径向速度衰减率减小,平均剪切应力呈先增大后减小的变化规律,其中L=3D时平均剪切应力值最大,更利于流体混合。入口流速越大,扩展率越小,径向速度衰减率越大,平均剪切应力也随之增大。幂律流体的平均剪切应力大于清水,且随质量分数的增大,其扩展率增大,为清水扩展率的1.3~3.3倍,而幂律流体的径向速度衰减率从-1.268~-1.125降低到-1.144~-1.082,逐渐小于清水。幂律流体径向射流区域的剪切应力呈“M”形分布,表观黏度则呈“W”形分布,流体的流变性质对撞击流反应器内流体的流动规律影响显著。     

多喷嘴对置式撞击流反应器流场的数值模拟

为探讨多股撞击流反应器内流场的特点,利用Fluent软件对两喷嘴对置式和四喷嘴对置式撞击流反应器内流场进行模拟,研究了在不同工况下这两种撞击流反应器内的流场结构,设定进口流速分别为5 m/s、10 m/s、15 m/s、20 m/s、25 m/s。模拟结果表明,进口流速由5 m/s增加到25 m/s时,反应器内流体流动的平均速度及压力波动增大为原来的4.1倍和16.2倍,其速度梯度和压力平均波幅也增大为原来的5.0倍和25.4倍。通过对两种不同结构的撞击流反应器的比较可以得到四喷嘴对置式撞击流反应器内流体流动产生的速度梯度和压力平均波幅更大,其值都约为二喷嘴对置式撞击流反应器的1.2倍,因而四喷嘴对置式撞击流反应器内剪切力场更强,脉动更强烈,更有利于反应器内的湍动混合。     

撞击流式连续化结晶器内流场特性的数值模拟

将撞击流结晶器应用于吡唑酮晶体的连续化生产过程,考虑到此晶体形成与原料液混合效果的关联性,选用丁酮酰胺水溶液和水作为液液流体介质。利用CFD模拟得到一种撞击流连续化结晶器内的流场分布并对流场进行分析,讨论撞击流结晶器内原料流速对混合性能的影响,研究撞击流连续化结晶器轴向速度、切向速度和近壁面流速随水的进口流速的变化规律,以及结晶器内沿轴向和径向的速度分布情况,根据混合均匀度指数评判结晶器中水在不同进口速度下的混合效果。计算结果表明：在丁酮酰胺水溶液进口速度为2 m/s及其他条件不变的情况下,水的进口流速增加会导致撞击流结晶器内混合均匀度指数降低,流场中流速分布更加不均匀,并且撞击混合区流体的切向速度随之升高,因此水的进口流速适度减小有利于晶体的生长。     

撞击流反应器混合性能研究进展

按照撞击流反应器的研究发展进程,分析了撞击流反应器的混合过程。结合大量学者研究工作,回顾了反应空间、流体流动、喷嘴结构等因素对常见的开放式撞击流反应器、受限撞击流反应器、浸没循环撞击流反应器等反应器混合性能影响的研究。简述了外界激励和其他技术对撞击流反应器混合效果影响的研究进展,并总结了几类反应器的微观混合时间及关联式。同时介绍了一种新型水平三向撞击流反应器,该反应器产生的径向射流不同于两喷嘴径向射流,而为交叉状的伞状射流;通过进一步探究发现当量喷嘴间距L*=2 D~3 D时径向射流偏转角β出现峰值,而且此时的混合时间也最短。最后对撞击流反应器混合性能研究前景进行展望。     

两组同轴相向撞击流反应器流场的仿真研究

利用Fluent软件对两组同轴相向撞击流反应器内的流场进行了模拟,研究了在不同流速下两组同轴相向撞击流反应器内的流场结构。模拟结果表明,随着进口速度的增加撞击区逐渐扩大,并使其周围形成的漩涡更加密集,涡流现象更为明显,产生了更大的速度梯度。同时,湍流强度随进口速度的增加变化明显,相对湍流强度增强,更有利于反应器内的湍动混合。     

洗涤冷却环内液体冷态流动行为数值模拟

为了研究洗涤冷却环内冷却水流动的情况,借助计算流体力学软件Fluent建立了洗涤冷却环流体冷态流动的数学模型,同时为了验证模型的可靠性,对洗涤冷却环出口处的流动情况进行了实验研究,实验结果与模拟结果基本吻合。结果表明：因为洗涤冷却环的结构限制,其内部存在多处涡旋区域;内室入水口周向位置处的涡旋运动最为剧烈;受其影响,入水口周向位置的射流孔出口平均速度最小,两入水口之间周向位置的射流孔出口平均流速最大;槽缝出口的平均流速在周向上的分布与射流孔出口平均流速分布相同。     

旋转流场流态预测模型验证及其速度分量选择的差异性

鉴于目前高速旋流场中的流体流态判定准则不统一、预测模型契合度不高的问题,依据流体力学基本原理及管道、缝隙流场的判定方法,本文对经典一维雷诺数及二维流量因子预测模型进行了理论重构,并尝试提出了适用于旋转流场中流体流态判定和预测的椭球模型。文章首先根据经典雷诺数模型和流动因子模型,对仿真计算和椭球模型进行了理论验证;然后对不同介质和工况参数下的速度场进行了分析计算,并与相关文献进行对比研究;最后结合对旋转流场中拐点的理论剖析,对椭球模型的合理性和科学性进行了论证,并对模型中速度分量的选择及差异性进行了讨论。结果表明：椭球模型对管道流动的预测结果与经典雷诺数模型完全一致,新模型对旋转流场中转折点的预测值较传统模型明显偏低,与实际工况更加贴近;根据椭球模型进行旋转流场的流态判定时,应选择平均直径处的线速度为剪切平均速度、进出口径向速度平均值为径向平均速度及最大轴向速度为模型输入因子。椭球模型的提出,为旋转流场在理论计算时如何科学判定流体流态提供了新的思路和判定方法。     

Test of flow field on the annular meridian plane in a tubular membrane separator with rotary tangential flow

Enhancement of membrane microfiltration by rotary tangential flow is a new technique, which is based on the hydrocyclone mechanism. It improved the structure of the general membrane separator and the form of the liquid suspension flowing into the separator, so as to increase membrane fluxes and decrease membrane fouling. In our research, a tubular membrane separator with rotary tangential flow was designed for the first time. The flow field characteristics of polypropylene tubular membrane microfiltration in this tubular separator were studied systematically by means of the Particle Image Velocimetry (PIV) test. Streamlines and velocity distributions of the meridian plane of the separator under different operating parameters were obtained. The velocity distribution characteristics of rotary circular tangential flow were analyzed quantitatively with the following conclusions being obtained:

• (1) In the non‐vortex area, no matter how the operating parameters (flux, entry pressure) change, the velocity near the rotary tangential flow entrance is higher than the velocity far from the entrance at the same radial coordinates. In the vortex area, generally the flow velocity of the inner vortex is lower than that of the outer vortex. At the vortex center, the velocity is the lowest, the radial velocity being generally equal to zero. In the vortex zone, the radial velocity is less than the axial velocity.
• (2) Under test conditions, the radial velocity and the axial velocity of the vortexes' borders are 1–2 times the average axial velocity in the annular gap of the membrane module. The maximum radial velocity and axial velocity of Taylor vortexes are 2–5 times the average axial velocity in the annular gap of the membrane module.
• (3) In the vortexes that formed on the meridian plane, it was found that mass transfer occurred between the inner and outer parts of the fluid. Much fluid moved from the outer vortexes into the inner ones, which was able to prevent particles blocking the membrane tube.

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三维凹壁面切向射流流动特性分析

在立式圆筒体分层器内设置半圆形截面切向入口，形成三维凹壁面切向射流，以提高非均相物料机械分离效率。为了揭示三维凹壁面切向射流流动机理，利用示踪剂浓度实验和大涡模拟研究了凹壁面切向射流流动特性，并对浓度场沿流向和展向扩展进行了评价。研究结果表明，示踪剂浓度半值宽随着入口Reynolds数的提高扩展范围增加，流向扩展率为0.019～0.033，展向扩展率为0.079～0.161。在离心力作用下，入口周向60°范围内浓度半值宽沿流向收缩至射流宽度的2/3。圆筒体内壁面存在多个周向滚动发展的流向涡旋，但无展向涡旋。切向速度半值宽和涡量边界值在流向涡旋中心位置出现峰值，展向无明显波动。入口周向180°范围内，未发现二次流涡旋，沿射流流向的切向速度半值宽与圆筒体半径之比小于0.1，未达到离心不稳定性二次流的形成条件。凹壁面切向射流有效降低了涡旋对分层器内主流体的扰动。     

射流强化螺旋通道内流体流动与换热的数值模拟

采用CFD软件模拟了射流作用下圆形截面螺旋通道内流体的流动及强化传热特性,模拟结果与实验结果吻合较好。研究了无量纲曲率?=0.061、无量纲螺距?=0.121的螺旋通道内复合涡旋结构及其演变过程,考察了射流入射角度?=π/6~π/3、射流速比?j=3~6时射流对螺旋通道换热的强化效果。结果表明,射流的初始阶段,射流的冲击作用抑制了单一螺旋通道内的离心二次涡旋,生成一对与其旋转方向相反的射流诱导涡旋,随流动发展,射流诱导涡旋先由两涡演变为单涡结构而后逐渐耗散消失。射流作用显著强化了螺旋通道内侧壁面附近流体的换热,随着?减小或?j增大,强化传热效果增强。?j≥4时,不考虑射流流量增加时综合强化传热因子JF1=1.26~1.67,考虑射流流量增加时JF2=1.008~1.19。     

T型反应器内非稳态吞噬流机理

运用激光诱导荧光（PLIF）技术和大涡模拟方法对T型反应器内的流动特性进行了研究。发现随着Reynolds数（Re）的增大,T型反应器中依次出现分离流（Re<120）、稳定吞噬流（120≤Re<190）、非稳态吞噬流（190≤Re≤300）、非稳态对称流（Re>300）四种流动模式。通过大涡模拟重点考察了非稳态吞噬流的振荡特性。结果表明,在非稳态吞噬流型下,T型反应器内撞击面上会周期性地出现旋涡合并现象,合并的涡向下传递,产生自持振荡。此时撞击区的压力、速度和涡量也发生周期性变化,且变化周期与旋涡合并周期相同,这种振荡是由速度和压力的周期性转换引起的。     

Experimental study of flow regimes in three‐dimensional confined impinging jets reactor

Dynamic behaviors in a three‐dimensional confined impinging jets reactor (CIJR) were experimentally studied by a flow visualization technique at 100 ≤ Re ≤ 2000 and 2 ≤ D/d ≤ 12 (where D is the reactor diameter and d is the nozzle diameter). The effects of inlet Reynolds numbers (Re) and geometry configurations of the CIJR on the flow regimes have been investigated by a particle image velocimetry and a high‐speed camera. Results show that with the increasing Re, a segregated flow regime, a radial deflective oscillation, an axial oscillation and a vortex shedding regime emerge in turns in CIJR. A map of parameter space formed by the inlet Reynolds number (Re) and the normalized reactor diameter (D/d) has been presented. The effects of jet instability and confined boundary of the chamber on the flow regimes and their transition are also investigated and discussed. © 2014 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 60: 3033–3045, 2014