射流鼓泡反应器内气液分散状态检测

射流鼓泡反应器内随着射流速度的增大,先后经历气泛、载气和完全分散三种气液分散状态。本文在射流鼓泡反应器实验装置中,利用Pavlov管测量气体分布器上方壁面附近的液速波动信号,发现液速标准差和时均液速随射流速度的增大均依次出现第一平稳段、上升段、下降段和第二平稳段,其中,第一平稳段对应气泛状态,上升和下降段对应载气状态,第二平稳段对应完全分散状态。据此提出了临界射流速度的判断准则:第一平稳段与快速上升段的交点对应的射流速度为泛点射流速度ujf,下降段与第二平稳段的交点对应的射流速度为完全分散射流速度ujcd。与目测法相比,液速标准差分析得到的ujf的平均相对偏差为5.82%,ujcd的平均相对偏差为18.2%;时均液速分析得到的ujf的平均相对偏差为5.86%,ujcd的平均相对偏差为12.1%。研究还发现泛点射流速度随表观气速的增大而增大。     

低速横流作用下液体射流初次破碎实验

基于专门搭建的射流破碎雾化实验平台,利用高速摄像可视化研究低速横流作用下不同气液量纲为1参数对液体射流初次破碎模式特征和射流穿透轨迹特征的影响规律。实验结果表明,低速横流作用下液体射流破碎存在柱状破碎和袋式破碎两种模式,其中柱状破碎又可以分为鼓包破碎和拱形破碎。从实验得到的液气动量通量比q和液体韦伯数We_j射流破碎模式图可以看出,液气动量通量比q和液体韦伯数We_j共同决定低速横流条件下射流破碎模式,不同破碎模式之间存在明显的过渡边界。结合液气动量通量比q、液体韦伯数We_j、液体雷诺数Re_j等量纲为1参数,拟合得到了射流穿透轨迹曲线对数形式公式,该公式能够很好地预测低速横流作用下液体射流穿透轨迹,其中液气动量通量比q是影响射流穿透轨迹的主要量纲为1参数。     

水力喷射空气旋流器中射流流型及其对传质面积和气相压降的影响

为了进一步提高水力喷射空气旋流器（WSA）的传质效率以及认识射旋流体系的气液传质机理,对WSA中的射流流型进行了系统的观察研究,绘制出了不同进口气速下射流流型图。以CO₂-NaOH化学吸收体系测定了相应射流流型下的有效比相界面积a。结果表明,在低射流流速（≤4.42 m·s^-1）下,液相射流随着进口气速增大,主要存在稳态射流、变形旋线射流、破碎旋线射流、雾化旋线射流、贴壁雾化旋线射流5种流型;在高射流流速（≥6.19 m·s^-1）下,射流主要出现稳态射流、破碎旋线射流以及雾化旋线射流3种流型。a值与流型有关,雾化旋线射流下的a值大于其他流型下的对应值。低流速下的贴壁雾化,不利于气液两相充分接触,对应a值较小。a值与射流流速有一定关系,随着射流速度的增大而略有增大,且随着射流流速增大至8.84 m·s^-1以上,增大的幅度变大。     

气升-射流式多段环流反应器的流体力学和传质特性

气升式环流反应器在气液或气液固三相反应以及分离过程应用广泛,为提高气液分布和传质性能,在气升式多段环流反应器的第2段引入射流,开发一种气升-射流式多段环流反应器.在160 L的实验装置中,以水-空气体系,研究了气升-射流式多段环流反应器的流体力学和传质特性.射流可减小上升气泡的弦长,提高总体气含率,改善下降段气液分布,...     

水力喷射空气旋流器中射流流型及其对传质面积和气相压降的影响

为了进一步提高水力喷射空气旋流器(WSA)的传质效率以及认识射旋流体系的气液传质机理,对WSA中的射流流型进行了系统的观察研究,绘制出了不同进口气速下射流流型图。以CO2-NaOH化学吸收体系测定了相应射流流型下的有效比相界面积a。结果表明,在低射流流速(≤4.42 m·s-1)下,液相射流随着进口气速增大,主要存在稳态射流、变形旋线射流、破碎旋线射流、雾化旋线射流、贴壁雾化旋线射流5种流型;在高射流流速(≥6.19 m·s-1)下,射流主要出现稳态射流、破碎旋线射流以及雾化旋线射流3种流型。a值与流型有关,雾化旋线射流下的a值大于其他流型下的对应值。低流速下的贴壁雾化,不利于气液两相充分接触,对应a值较小。a值与射流流速有一定关系,随着射流速度的增大而略有增大,且随着射流流速增大至8.84 m·s-1以上,增大的幅度变大。     

小直径管道气液逆流的流体力学

文章提出了一种新反应器形式——小通道逆流反应器,考察了模型中单管道的进出口和管长对流体力学性能的影响。设计了管道的不同进出口结构,对比研究其液泛特性。结果显示:小直径管道的进出口结构对液泛特性有明显的影响,增加管子的进出口结构使液泛气速得到极大的提高。I管的进出口形式最圆滑,可以有效避免气、液在进出口处发生冲突。其液泛气速最高可达7.6 m/s,远远高于平切口管道内的操作气速,说明进出口越圆滑液泛气速越大。使用圆滑进出口的管道,考察了管长对液泛特性的影响。发现长度增大后,管道的液泛气速相差不大,但压降有所增大。小直径管子的压降很小(100 Pa/m左右),且变化平稳。     

洗涤冷却管出口处的射流深度和界面波动特性

采用压差传感器和高清摄像仪对洗涤冷却管出口处射流深度和洗涤冷却室内气液界面波动特性进行了冷模实验研究,研究发现,随着表观气速的增大,射流深度呈指数式增大,由此提出了主流射流深度与洗涤冷却管出口处动量通量的经验式,其最大射流深度可达2.51 cm,同时采用VOF模型和RNG κ-ε 湍流模型对其进行了模拟计算,模拟结果与实验结果吻合良好。研究结果还表明,洗涤冷却管出口处液面波动对床层内气液两相环流脉动的影响较为显著。     

洗涤冷却室垂直环隙空间内液相流动结构的研究

在与工业气化炉几何相似的洗涤冷却冷态模拟装置内,借助双头电导探针和皮托管-差压变送器,测量了环隙空间的气含率及内轴向和切向的液相速度分布,对洗涤冷却室内的液相流动结构进行研究。结果表明：下降管出口及破泡板下方轴向液速呈现近下降管外壁向下流动,液池内壁向上流动的结构,液相转折点分别为 r/R=0.7和r/R=0.6;破泡器的存在使轴向液速呈抛物线分布;切向速度相比轴向速度较小,在-0.15~0.1 m/s范围内波动;不同表观气速下的液相速度分布具有相似性,随着表观气速的增加,液相速度增大;通过对h=523 mm处液相速度分布的归一化处理,得到U_z/U_c模型关联式;经检验,环隙中心速度随塔径和表观气速的变化可近似用Nottenkaemper关联式描述。     

气升式环流反应器流动特性的数值模拟

应用Fluent计算流体力学软件,通过数值模拟的方法考察了气升式环流反应器内导流简直径、导流筒高度、导流筒安装高度以及液相进口速度对反应器内两相流动的影响。计算结果表明：导流简直径增大。液相循环量和上升段气含率均增大;导流筒高度增大,液相循环速度和循环量均增大,但是当导流筒的高径比增加到6．3后,液相循环速度和循环量反而减小;导流筒安装高度增加．液相循环速度及循环量均增大,升液管气含率降低;增加液相的进口速度,虽然上升段的液速有所增加,但是降液管循环液速及循环量基本不受影响。最后计算了反应器内液相速度随进口气速的变化情况,并与实际测量值进行了比较,模拟值和测氨值都表明随着进口气速的增加,液相循环速度随着进口气速的增加而增加．两者呈现良好的一致性。     

Lightnin静态混合器内气泡分散流体动力学特性实验研究

以Lightnin静态混合器（LSM）内水-空气气液两相体系为研究对象,在连续相水表观速度U_L=0.071~0.127 m/s和离散相空气表观速度U_G=0.007~0.042 m/s的条件下,研究内径100 mm的LSM内气液两相湍流流动阻力与气泡分散水动力学行为。使用分辨率为1920×1080的高速相机Revealer-2F04M采集混合器内不同轴向窗口的气泡群演化过程。结果表明：当U_L<0.085 m/s和U_G=0.025~0.042 m/s时,LSM内的流型为泡状流。随着气泡群流经混合元件数的增加,气泡群的Sauter平均直径d₃₂逐渐减小。当液体表观速度U_L≤0.085 m/s时,Sauter平均直径d₃₂随气体表观速度的增加先减小后增大;U_G =0.028 m/s时d₃₂达到局部最小值,53%的气泡直径d_B/D₀在0.02~0.05范围内。Sauter平均直径、内径与无量纲停留时间τ之间的关系满足d₃₂/D₀=0.031τ^-0.14We^-0.41。平均气含率α的增大显著增加了单位体积内气泡数量密度,加剧气泡与元件表面碰撞频率,增大旋涡二次流强度,导致摩擦系数显著降低;采用Lockhart-Martinelli方法对实验数据回归,得到气液两相流压降预测常数C的关联式：C=5.26×10⁵U_G^-0.91/Re^0.74。     

Classification and identification of gas–liquid dispersion states in a jet bubbling reactor

Three gas–liquid dispersion states including flooding, loading, and complete dispersion are observed sequentially in a jet bubbling reactor with an increase of the liquid jet velocity at the nozzle outlet (u_j). The gas–liquid dispersion states are identified through the slope (k) of the curve of fluctuation distribution index (FI) versus u_j as follows: (a) under the flooding, k = 0; (b) under the loading, k > 0; (c) under the complete dispersion, k < 0. In particular, the u_j at the transition points from flooding to loading and from loading to complete dispersion are referred to flooding jet velocity (u_jf, the transition point between k = 0 and k > 0) and complete dispersion jet velocity (u_jcd, the transition point from k > 0 to k < 0), respectively. The average relative deviations of the u_j at the transition points obtained through the acoustic emission measurement and visual observation are less than 5%.     

Particle collision behavior and heat transfer performance in a Na2SO4 circulating fluidized bed evaporator

The particle collision behavior and heat transfer performance are investigated to reveal the heat transfer enhancement and fouling prevention mechanism in a Na₂SO₄ circulating fluidized bed evaporator. The particle collision signals are analyzed with standard deviation by varying the amount of added particles ε (1%–3%), circulation flow velocity u (0.37–1.78 m·s^-1), and heat flux q (7.29–12.14 kW·m^-2). The results show that the enhancement factor reach up to 14.6% by adding polytetrafluoroethylene particles at ε = 3%, u = 1.78 m·s^-1, and q = 7.29 kW·m^-2. Both the standard deviation of the particle collision signal and enhancement factor increase with the increase in the amount of added particles. The standard deviation increases with the increase in circulation flow velocity; however, the enhancement factor initially decreases and then increases. The standard deviation slightly decreases with the increase in heat flux at low circulation flow velocity, but initially increases and then decreases at high circulation flow velocity. The enhancement factor decreases with the increase in heat flux. The enhancement factor in Na₂SO₄ solution is superior to that in water at high amount of added particles. The empirical correlation for heat transfer is established, and the model results agree well with the experimental data.     

循环射流混合槽内液液两相混合特性数值模拟

循环射流混合槽作为一种高效的混合装置在化工过程强化处理技术中具有潜在的工业应用前景。由于缺乏对其内多相体系流动和混合行为的研究,制约了循环射流混合反应器的优化设计与工业化应用。本文选取水和二甲基硅油两相体系,采用计算流体力学软件ANSYS Fluent V16.1中Eulerian-Eulerian多相流模型和SST k-?湍流模型,对两种不同加料方式下循环射流混合槽内液液两相射流中心线速度、离析强度、拉伸率等参数进行研究。研究结果表明：分散相浓度（α_d）增大射流卷吸能耗增大,在l/s<0.4内α_d=1.80%和2.86%量纲为1的射流中心线速度衰减趋势与α_d=6.00%相比减弱51%和21%;在低分散相浓度时,量纲为1的射流中心线速度随Re的增大衰减趋势变化小,在l/s<0.24内Re=6346、9519和12692量纲为1的射流中心线速度衰减趋势与Re=3173相比分别减弱2.60%、2.87%和12.69%。离析强度随混合时间的增大而减小,随周向角度增大呈W形变化趋势。在相含率和雷诺数相同时,对称球状较圆柱状加料达到混合时间减少65.5%;不同喷嘴之间的拉伸率随迹线长度的增大而增大,jet1和jet9位置处的拉伸率与其余喷嘴相比较大;相同喷嘴之间拉伸率随Re的增大而增大,Re=6346、9519和12692的拉伸率与Re=3173相比分别提高289%~320%、418%~454%和607%~667%。     

不同位置射流强化螺旋通道传热性能分析

为了进一步提高并更合理评价射流强化螺旋通道内流体换热的综合性能,改进了射流管的安装位置并提出新的强化传热评价指标。采用实验和数值模拟对比研究了在圆形截面螺旋通道的内侧壁面和外侧壁面分别施加射流的强化传热效果。数值模拟结果与实验测量结果吻合较好。基于相同质量流量,探究了射流入射角度α以及射流与主流质量流量比ε_jm对强化传热特性的影响。考虑射流带来的附加功耗增加,提出以热功系数比(hpc)为评价指标对比分析了综合强化传热效果。结果表明,在α=30°～80°、ε_jm=0.1～1.5的研究范围内,与外侧壁面施加的射流相比,内侧壁面施加的射流对流体扰动更强,传热增强效果更好,同时消耗总功耗更小。当ε_jm=0.5、α=60°时,射流对螺旋通道的综合强化传热效果最佳,内侧、外侧壁面射流下的hpc最高值分别为1.39和1.32。     

Numerical study on the hydrodynamics behavior of a central insert microchannel

In this work, the computational fluid dynamics method is used to study the liquid hydrodynamics behavior in the microchannel without central insert (MC1) and the central insert microchannel (MC2), respectively. The maximum deviation between simulation and experiment is 24%. The formations of flow patterns are explained based on contours and force analysis where the flow pattern maps are established by two-phase flow rate. The effects of aqueous phase viscosity and two-phase flow rate on the characteristic sizes of each flow pattern are also explored. Specifically, four unconventional flow patterns are found in MC2, namely the unique droplet flow, the unique slug flow, the unique coarse annular flow and the unique film annular flow. Though the insert occupies part of the channel, the pressure difference in the channel is significantly reduced compared with MC1. Moreover, the insert significantly changes the formation velocity range of each flow pattern, greatly broadens the formation range of annular flow and also has an important influence on the characteristic size of the flow pattern. The organic-phase dimensionless axial size (L_o/W) and the dimensionless radial size (D_o/W) of the droplet (slug) are negatively related to the aqueous-phase viscosity (μ_a) and flow rate (u_a). The D_o/W of the annular is negatively correlated with μ_a and positively correlated with organic-phase flow rate (u_o). This study provides direct numerical evidence that the insert is key to the formation of bicontinuous phase flow pattern, as well as further strengthens our understanding of the flow characteristics and optimization design of insert microchannels.     

错流旋转填料床的质、热同传性能及传热机理研究

为了研究错流旋转填料床的质、热同传性能,采用热空气-氨水体系,考察了进气温度T、超重力因子β、液体喷淋密度q和气速u对错流旋转填料床传热性能的影响,在相同实验条件下对比了丝网填料和乱堆填料的传热性能。研究结果表明：气相体积传质系数k_ya_e、体积传热系数(Ua)_s随进气温度、超重力因子、气速、液体喷淋密度的增大而增大;传热效率ε、传热面积A随超重力因子、气速、液体喷淋密度的增大而增大;传热系数K随超重力因子、气速、液体喷淋密度的增大几乎不变,从而揭示了错流旋转填料床强化气液直接传热的机理是通过提高传热面积进而提高体积传热系数,而不是显著提高传热系数。在相同条件下,以丝网为填料时k_ya_e和(Ua)_s分别是乱堆填料的1.09~1.63倍和1.24~3.53倍。     

Numerical simulation and experimental study of gas cyclone–liquid jet separator for fine particle separation

To address the shortcomings of existing particulate matter trapping technology, especially the low separation efficiency of fine particles, herein, a novel gas cyclone–liquid jet separator was developed to research fine particle trapping. First, numerical simulation methods were used to investigate the flow field characteristics and dust removal efficiency of the separator under different working conditions,and to determined suitable experimental conditions for subsequent dust removal experiment...     

射流鼓泡反应器的混合特性

射流鼓泡反应器以液体射流代替搅拌实现液相混合,具有结构简单、制造及维护费用低等诸多优点,研究其混合特性对于反应器的设计、优化及放大具有重要意义。以空气-水作为模拟介质,采用KCl电解质溶液为示踪剂考察了表观气速和射流Reynolds数的大小对液相宏观混合时间的影响,并从能量输入的角度对射流鼓泡反应器的混合机制进行分析。研究发现,在实验条件下(表观气速变化范围为0.0006～0.0343 m·s^-1,射流Reynolds数的变化范围为1.75×10⁴～7.00×10⁴),鼓泡的加入使得均相射流反应器内的液相混合得到改善;随着表观气速增大,液相宏观混合时间先缩短后延长;当气体输入功率或液体输入功率不变时,混合时间随总输入功率的增大而缩短。通过对多组实验数据的回归分析,提出了液相宏观混合时间与液体输入功率和气体输入功率的经验关联式,计算值与实际值吻合较好。最后基于提出的关联式,发现当总输入功率一定时,混合时间随气体输入功率的增加先缩短后延长,临界转变点在气体输入功率为总功率的61%处,此时气液两相协同作用最强。