平面气固撞击流周期振荡的模拟分析

由于喷嘴截面的高宽比远小于1,平面狭缝喷嘴撞击流可看作二维撞击流。采用欧拉双流体模型对二维气固撞击流进行数值模拟。模拟结果表明,当固相负载率m≤8.2,颗粒粒径为60 μm≤d_p≤175 μm时,大间距的平面气固撞击流也出现了周期振荡。通过分析射流轴线上不同位置的压力和速度的瞬时值和平均值,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。讨论了不同条件对振荡周期的影响:振荡周期随喷嘴间距或颗粒粒径的增加而增加;而随射流Reynolds数的增加或者固相负载率的增加而减小。     

平面撞击流偏斜振荡影响因素的大涡模拟

采用大涡模拟对35≤Re≤145000、4≤L/h≤40范围内的平面撞击流偏斜振荡特性进行了研究。通过对平面撞击流模拟与实验结果的比较验证了数值模拟的可靠性,重点考察了不同流体介质、边界受限程度及喷嘴出口高宽比等因素对平面撞击流偏斜振荡特性的影响,并对平面撞击流发生偏斜振荡的量纲1参数范围进行划分。研究结果表明,不同流体介质对平面撞击流量纲1偏斜振荡周期几乎没有影响,量纲1偏斜振荡周期随着边界受限程度的增大而增大,随着喷嘴出口高宽比的增大而减小。     

水平对置双向液体撞击流的振荡特性

利用平面激光诱导荧光(PLIF)技术对水平对置双向液体撞击流流场进行了实验研究,考察了等动量下撞击面驻点在不同喷嘴间距、不同进液流量下的稳定性和振荡特性。结果表明,撞击面驻点的振荡并没有一个固定的周期,并且频率主要集中在低频,而其幅度集中在0.1d～0.5d范围内:在L∈[1d,3d](L为喷嘴间距,d为喷嘴直径)范围内,振荡幅度随着L的增加而增大;在L∈[3d,5d]范围内,振荡幅度随着L的增加而减小。同时,撞击面的振荡幅度并不会随着流速的增大而一直增大,而是在达到一个峰值后逐渐降低。撞击面驻点的这种振荡特性对混合和传质具有一定的促进作用。     

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。     

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。     

同轴相向撞击流混合器的动态特性分析

根据同轴相向撞击流混合器的混合特点,建立了冷、热水在该混合器对撞混合过程中混合器出口温度的计算模型,计算了出口温度随冷、热水入口温度的阶跃而变化的动态过程,并考察了冷、热水进口流量和混合器容积对这一动态过程的影响。结果表明,混合器出口温度的动态过程是无振荡的渐趋过程,其调整时间随着进口流量和混合器体积的增加而显著增加。     

两喷嘴对置撞击流驻点偏移规律

运用烟线法和热线风速仪对两喷嘴撞击流流场进行了实验研究,考察了不同喷嘴间距、不同气速比下撞击面的稳定性和撞击面驻点的偏移规律。结果发现,当2D≤L≤4D（L为喷嘴间距,D为喷嘴直径）时,若两喷嘴气速相等,撞击面不稳定,在轴线上发生振荡;当两喷嘴气速有小的差异时,撞击面驻点将发生大幅度的偏移,此时流场变得相对比较稳定。当2D≤L≤8D时,撞击面驻点位置对气速比变化很敏感;当L<2D和L>8D时,撞击面驻点位置对两喷嘴气速比的变化逐渐变得不敏感。     

异形喷嘴撞击流混合器涡特性及混合性能数值模拟

为了研究撞击流混合器不同形状喷嘴的流场涡特性及混合效果,利用数值模拟方法对不同工况下的流场进行分析,得到不同喷嘴撞击流混合器的速度场、涡量场、涡结构以及浓度变异系数的变化规律,揭示不同形状喷嘴对撞击流混合器混合效果的影响。结果表明：喷嘴出口截面为圆形、等边三角形和正方形的撞击流混合器轴向速度为“V”形分布;喷嘴截面为圆形和正方形的撞击流混合器径向速度为“M”形分布。等边三角形截面喷嘴的撞击流混合器产生的流向涡数量多、强度大并且产生的涡旋结构的连续性更高,分布范围更广。相同工况下等边三角形截面喷嘴的撞击流混合器混合效果明显优于圆形喷嘴和正方形喷嘴混合器,最快达到混合均匀。     

撞击流反应器流场的有限元分析初探

撞击流已被证明是强化相间热质传递最有效的方法之一，作为一种新型的反应器——浸没循环撞击流反应器，在液相和液固相反应极具应用开发潜力。本文用有限元软件ANSYS／FLOTRAN对其三维流场进行模拟和分析。结果表明SCISR流场中各参数关于Y轴完全对称；撞击区速度和压力都较大，撞击区静压高，且在驻点达到最大值。     

撞击流性质及其应用

撞击流已被证明强强化相间热质传递最有效的方法之一,但不可能是一种万能的工具,因为它也有其本身的局限性,在回顾前人和本文作者一系列研究结果的基础上,综合评价了撞击流的基本特性,包括优点和缺点,诸如气固系统阻力不大,传递系统大,混合强烈,活性区停留时间很短以及难以安排多级系统等。简要介绍了撞击流工业应用现状和某些有希望成功的开发研究,包括本文作乾所作的循环撞击流干燥过程和撞击流反应制“超细”白炭黑研究的主要结果。     

Experimental investigation of flow regimes of axisymmetric and planar opposed jets

Dynamic behaviors of axisymmetric and planar opposed jets have been experimentally studied at 786 < Re < 6288. The flow patterns were investigated by a smoke‐wire technique, and the smoke‐wire photos were recorded by a high‐speed camera. Different flow regimes of axisymmetric and planar opposed jets have been identified. Axisymmetric opposed jets exhibit axial quasi‐periodic oscillations, stagnation point offsets, and steady states, while planar opposed jets exhibit both horizontal instabilities and deflecting oscillations. Effects of the nozzle separation and the exit Reynolds number on the dynamic characteristics of axisymmetric and planar opposed jets have been investigated and discussed. Maps of parameter spaces describing the flow regimes of axisymmetric and planar opposed jets at various nozzle separations and exit Reynolds numbers have been presented. © 2010 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 2011     

Study on factors influencing stagnation point offset of turbulent opposed jets

Turbulent opposed jets were experimentally studied by the hot‐wire anemometer measurement, the smoke‐wire flow visualization, and the CFD simulation at L = 1?20D (where L is the nozzle separation and D is the nozzle diameter) and Re > 4500. The instability pattern of turbulent opposed jets was identified by investigating the smoke‐wire photos recorded by a high‐speed camera. The factors affecting stagnation point offset, such as the bulk velocity, the velocity profile, and the turbulence intensity at the nozzle exits were investigated. Results show that the stagnation point offset is the main instability regime of turbulent opposed jets. Uniform exit velocity profile and increasing exit turbulence intensity will decrease the stagnation point offset of turbulent opposed jets. © 2010 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 2010     

小间距两喷嘴对置撞击流流场的数值模拟与实验研究

运用热线风速仪和CFD软件对小喷嘴间距下两喷嘴对置撞击流时均流场进行了实验研究和数值模拟,并和文献中的实验结果和近似解析式进行了比较。研究结果表明：由于边界层存在,单股喷嘴出口速度分布为“礼帽”形状分布;在L<2D(L为喷嘴间距,D为喷嘴直径)时,喷嘴出口速度剖面出现中间低、两边高的“双峰”形状, L=2D时,“双峰”形状消失。随着喷嘴间距的增大,相同气速比导致的撞击面驻点的偏移量增大。相同气速比下,喷嘴出口为“礼帽”分布时驻点的偏移量比均匀分布时大。文献中的撞击流流场的近似解析式对喷嘴出口速度分布为均匀分布有很好的精度,当喷嘴出口速度为“礼帽”分布时,文献中近似解析式的预报精度变差。     

Flow of mixtures of poly(ethylene oxide) and hydrolyzed polyacrylamide solutions through opposed jets

The flow of solutions of poly(ethylene oxide) (PEO), hydrolyzed polyacrylamide (HPAA), and their blends through opposed jets is investigated. Measurements of pressure drop across the jets as a function of strain rate were used to characterize the elongational flow behavior. In deionized water, solutions of PEO/HPAA mixtures exhibit a synergistic increase in flow resistance with respect to the parent polymer solutions. The addition of amounts of HPAA as low as 2 ppm to a 500 ppm PEO solution cause sizeable increases in pressure drops. Such increases have been interpreted as arising from the formation of interpolymer transient entanglement networks that become mechanically active at time scales equivalent to the lowest strain rates available. In the case of excess salt environment, the flow resistance of the mixtures seems to be dominated by the PEO in the concentration range explored. © 2000 John Wiley & Sons, Inc. J Appl Polym Sci 76: 1910–1919, 2000     

基于制备超细复合含能材料的对置受限式撞击流反应器微观混合性能

由于对置受限式撞击流反应器较高的传热及混合效率,能够制备出粒径小、均匀且分布范围窄的超细颗粒。本文采用碘化物-碘酸盐平行竞争反应体系研究入射速度、结构尺寸对对置受限式撞击流反应器微观混合效果的影响规律,并将混合腔尺寸同等比例放大一倍进行对比研究。结果表明,随着入射速度的增大,离集指数减小,微观混合效果提高。喷嘴间距与喷嘴直径比的增大使得离集指数增大,微观混合效果降低。离集指数随着混合腔高度、混合腔出口尺寸的增大呈现先增大后减小的趋势,且混合腔高度对混合效果的影响较混合腔出口尺寸显著。将对置受限式撞击流反应器混合腔尺寸扩大一倍,离集指数增加到原来的2.4倍,微观混合效果显著下降,但是在较大入射速度下,两种结构的混合效果差距减小。研究结果可为纳米复合含能材料的制备提供高效、安全的技术支持。     

两喷嘴对置撞击流径向射流流动特征

对喷嘴间距与喷嘴直径比为0.5～100范围内两喷嘴对置撞击流径向射流的湍流脉动特征、速度分布和扩展率等进行了实验研究和数值模拟。研究结果表明,撞击流径向射流明显较自由射流湍动强烈;从驻点开始径向射流速度逐渐增大到最大值后开始衰减,射流呈现自相似性;随着喷嘴间距增大,撞击流径向射流的扩展率呈现增大的趋势,大约为自由圆射流的1.5～3倍。采用CFD软件对撞击流径向射流的速度分布特征进行了数值模拟,与实验结果相比,两方程湍流模型预报的撞击流径向射流的扩展率明显偏小,雷诺应力模型的预报精度有较大改进。