T型反应器内流动、混合及界面反应特征

利用平面激光诱导荧光（PLIF）技术和酚酞显色反应,对不同Reynolds数（20<Re<420）下T型反应器内的复杂流动结构及界面反应进行了可视化研究。随着入口Re的增加,反应器内依次出现分离流、稳态吞噬流、非稳态吞噬流及非稳态对称流等流动模式。重点考察了不同流动模式下T型反应器内的界面反应特征,结合流动模式对混合效果、产物浓度分布及时间演化进行了分析,揭示了反应器内复杂流场对混合及界面反应的影响机理。结果表明,吞噬流三维旋涡结构使流体相互卷吸缠绕,通过折叠拉伸形成层状的流体界面,极大增加了反应物的界面接触面积,混合及反应程度显著提升,产物浓度较高且分布均匀。     

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。     

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。     

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。     

撞击流反应器内流场特性研究进展

综述了国内外撞击流反应器内流场速度和脉动振荡特性的研究进展。目前,对非限制撞击流反应器内撞击流体的径向速度发展及轴向速度与撞击驻点的脉动特性都有了系统研究,对撞击驻点的振荡模式进行了划分,并得出大量适用于不同喷嘴间距的速度关联式,但对驻点振荡模式的产生机理还没有明确解释。层流状态下随着雷诺数增大,众多学者对受限撞击流反应器内流型的流动模式进行了划分,提出了出现吞噬流模式的临界参数关联式,由于结构等参数的变化当前还没有普遍适用控制流型模式变化的关联式。在浸没撞击流反应器内用非线性分析法确定撞击区并划分了流场区域,但目前尚不能揭示湍流状态下流场能量分布与速度信号等的变化规律。最后作者对撞击流反应器内部流场结构的研究前景进行了展望。     

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。     

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。     

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。     

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。     

流线型涡发生器与螺旋片强化换热器壳侧传热

为降低翅翼型纵向涡发生器与螺旋片复合强化的套管式换热器壳侧传热阻力,提出一种新型翅翼型纵向涡发生器,即流线型涡发生器。采用实验和数值模拟方法研究了流线型涡发生器与螺旋片复合强化的换热器壳侧的传热和阻力特性并与三角翼型涡发生器（DWP）的强化效果进行比较,考察了流线型涡发生器common-flow-down（CFD）和common-flow-up（CFU）两种安装方式的强化效果,分析了流线型涡发生器的减阻机理。结果表明,在涡发生器面积和迎流角相同的情况下,流线型涡发生器可以取得与三角翼型涡发生器相同（Re<8000）或略低（Re>8000）的传热系数,但其产生的流动阻力比三角翼型涡发生器低21%;在相同压降条件下,common-flow-up安装方式的综合传热效果优于common-flow-down;流线型涡发生器减阻机理在于提高了速度场与压力场的协同性。     

蒸汽凝结过程声压波动信号实验研究

利用高速摄像仪和水声换能器研究蒸汽凝结时的声压波动信号和凝结区域的转变。结果表明,随过冷度和蒸汽流量升高分别出现3个不同的凝结区域--体积波动区、过渡区和毛细波区。此外,观察到两种分别对应气泡分裂和破碎的声压波动波形。声压波动信号的峰度存在阶跃变化,且阶跃处与凝结区域转变的阈值接近。幅度谱的低频区域存在频率在150~300 Hz的峰值,其可能是由蒸汽体积周期性变化引入。在过渡区和毛细波区发现频率高于7000 Hz的峰值,其可能是由气泡突然破碎引入的局部压力高频振荡造成的。蒸汽气泡破碎频率随过冷度和蒸汽流量增加而增加,且与幅度谱中首峰频率接近,误差在±20%以内。     

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     

Identification of flow regime transitions in an annulus sparged internal loop airlift reactor based on higher order statistics and Winger trispectrum

Higher order statistics and Wigner higher order moment spectra were used to extract useful flow regime characteristics from wall pressure fluctuation signals in an annulus sparged internal loop airlift reactor. It is found that the pressure fluctuation in the airlift reactor is a typical nonlinear and non-stationary process, which exhibits different frequency characteristics depending on flow regimes. Analysis methods based on bispectrum and Wigner trispectrum are powerful tools to reveal frequency characteristics of pressure signals. To identify flow regime transitions in the reactor, two new characteristic quantities, namely average bispectrum and generalized average frequency, are defined from bispectrum and Wigner trispectrum of the pressure signal, respectively. Two flow regime transition points corresponding to three flow regimes in the reactor are successfully detected by using these two characteristic quantities.     

Experimental study of oscillation of axisymmetric turbulent opposed jets with modulated airflow

Oscillation behaviors of axisymmetric opposed jets with modulated airflow were experimentally studied. The oscillation frequency, the oscillation amplitude, and the movement velocity of the impingement plane at various nozzle separations, excitation frequencies, and exit turbulence intensities have been investigated by a hot‐wire anemometer and flow visualization technique combined with a high‐speed camera. Results show that the oscillation frequency of the impingement plane is nearly equal to the excitation frequency, whereas the oscillation amplitude decreases with the increase of the excitation frequency. The full‐scale amplitude oscillation occurs at low excitation frequencies and 2 ≤ L/D ≤ 8 (where L is the nozzle separation and D is the diameter of the nozzle exit). With the increase of the exit turbulence intensity caused by a turbulence generating plate, the oscillation amplitude decreases remarkably. Flow regimes of axisymmetric opposed jets with excitations are analyzed and discussed based on the experimental results. © 2013 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 59: 4828–4838, 2013     

A Model for the Relative Velocity of a Particle in an Impingement Dryer: Application to Heat Transfer

A simplified mathematical model for the relative gas-particle motion in a confined jet impingement dryer is developed. Model predictions based on an unsteady momentum balance are in good agreement with the observed cycling motion of a spherical particle. The model is applied to coriander seeds submerged in a flow field of superheated steam. It is found that relative motion occurs in unsteady turbulent regime, and that steady settling velocity of particles is never achieved. Model results are applied to correlate experimental heat transfer data of an impingement dryer. Experimental Nu numbers compare fairly well with correlations for fluidized systems.     

A Model for the Relative Velocity of a Particle in an Impingement Dryer: Application to Heat Transfer

Abstract

A simplified mathematical model for the relative gas-particle motion in a confined jet impingement dryer is developed. Model predictions based on an unsteady momentum balance are in good agreement with the observed cycling motion of a spherical particle. The model is applied to coriander seeds submerged in a flow field of superheated steam. It is found that relative motion occurs in unsteady turbulent regime, and that steady settling velocity of particles is never achieved. Model results are applied to correlate experimental heat transfer data of an impingement dryer. Experimental Nu numbers compare fairly well with correlations for fluidized systems.     

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。