撞擊流反應器的流場測量及數值模擬研究

孫懷宇， 王 宇

(沈陽化工大學化學工程學院，遼寧沈陽110142)

撞擊流是使兩股流體沿軸相向流動，并在中點處的撞擊區域產生撞擊.撞擊流技術最早應追溯到1953年Koppers-Totsek粉煤氣化爐的研發和應用［1］.20世紀60年代初原蘇聯的 Elperin等學者率先開展了這一系統的研究［2］.20世紀70年代末，以色列Tamir［3］及其領導的研究組從設備形式及應用上進行了較深入系統的研究.我國學者從20世紀90年代開始對撞擊流進行研究.伍沅設計了用于制備超細粉體的浸沒循環撞擊流反應器［4］.

由流體的不同，撞擊流分為以氣相為連續相的撞擊流及以液相為連續相的撞擊流.近年來，撞擊流領域的研究明顯轉向以液體為連續相.這種研究重點的轉移是由于液體的密度和黏度分別比氣體大3個和2個數量級，致使兩股相向流體撞擊時發生強烈的動量傳遞和流團間相互剪切、擠壓作用，還在撞擊區產生波動，其結果將有效地促進微觀混合［5］.

本文主要研究撞擊流反應器內流體的壓力分布及流速分布，以便更好地了解流動情況，為反應器的放大設計及應用提供理論依據.同時應用FLUENT軟件對流場進行數值模擬，更深入地解流場情況.

1 實驗部分

1.1 反應器及實驗方法

使用有機玻璃制作撞擊流反應器，設備尺寸為20 cm×10 cm×5 cm，上端開有10 cm×2 cm的長方形溢流口，兩導流管為Φ0.75 cm×0.1 cm，管口間距為2 cm.定義以撞擊面中心為坐標中心的三維坐標系，x軸與導流管軸線重合，y軸為垂直方向，y-z平面稱為撞擊面，x-z平面稱為水平面，x-y平面稱為垂直面.實驗使用水為工質.實驗流程如圖1所示.

圖1 設備流程圖Fig.1 Equipment flow chart

測量時用閥門調節兩管流量.壓力探頭垂直插入液面下指定位置，使用雙液倒U形管壓差計(水和柴油做指示劑)對撞擊流反應器內壓力進行測量.用熱電阻作為測溫探頭，使用PCI-1710數據采集卡建立數據采集系統，以1 kHz的采樣率對探頭處溫度進行測量.在流動方向上放置2個間隔一定距離的探頭，并在管出口處迅速加入一定量的熱水，通過分析兩探頭測量得到溫度脈沖峰的時間差，可得到兩探頭間的流體速度.

1.2 實驗結果與分析

圖2和圖3分別是撞擊速度u=0.4 m/s時x-z面的壓力分布和流速分布.

圖2 u=0.4m/s時x-z面壓力分布Fig.2 Pressure distribution on x-z plane when u=0.4 m/s

從圖2可以看出:壓力分布關于撞擊面基本對稱，在撞擊面的中心周圍存在一個高壓力區域，撞擊面中心的壓力最大，這是因為在兩股流體撞擊過程中部分動壓頭轉換為靜壓頭.而在此區域外的壓力較低.

圖3 u=0.4m/s時x-z面流速分布Fig.3 Velocity distribution on x-z plane when u=0.4 m/s

從圖3可以看出:速度分布關于撞擊面基本對稱.撞擊面中心周圍存在一個低速區域，撞擊面中心的速度基本為0.在此低速區域周圍存在一個錐形的流速較高的區域.從流體力學角度分析，在低速區域周圍的流動速度較高，而兩側的壓力差又較大，所以在此區域流動的流體容易產生旋渦，并產生較強的混合及反應促進作用.

2 使用FLUENT進行流體力學數值模擬

使用FLUENT軟件建立反應器模型［6］，并對撞擊流反應器的流場進行三維數值模擬.幾何模型和網格模型使用前處理器GAMBIT完成，求解器選為FLUENT 5/6，利用Tgrid程序將包括入口管的反應器劃分為四面體網格.設置兩入水管出口為velocity-inlet邊界條件，頂面長方形溢流口為outflow邊界條件.為簡化計算，假設撞擊流反應器內流體的時均運動為穩定流動;流體為連續、不可壓縮牛頓流體;反應器與外界無熱量交換;不考慮重力影響;壁面為無滑移光滑界面.選用標準k-ε雙方程作為流體力學模型，此模型可對湍流發展非常充分的流體進行計算.通過模擬計算，得到指定流速下反應器中的壓力場及速度場.

3 實驗與模擬結果比較分析

圖4和圖5為撞擊速度u=0.4 m/s、中心水平面x=0時沿z軸壓力和速度的實驗結果與模擬結果比較.

圖4 u=0.4 m/s時z軸壓力模擬值與實驗值的比較Fig.4 Simulation compared with the experimental values of pressure on z-axis when u=0.4 m/s

在入口流速相同情況下，數值模擬與實驗所得z軸上壓力分布和速度分布基本一致.表明使用數值模擬軟件對此反應器中的流場進行模擬可行.但實驗值與模擬值存在一定的差別，說明使用流體力學模型在模擬撞擊流時還有一定的誤差，這方面有待于在流體力學模型方面進行進一步的研究及改進.數值模擬得到的在u=0.4 m/s時x-y平面和y-z平面的壓力分布和速度分布如圖6～圖9所示.

圖5 u=0.4 m/s時z軸速度模擬值與實驗值的比較Fig.5 Simulation compared with the experimental values of velocity on z-axis when u=0.4 m/s

圖6 u=0.4 m/s時x-y面壓力分布Fig.6 Pressure distribution on x-y plane when u=0.4 m/s

圖7 u=0.4 m/s時y-z面壓力分布Fig.7 Pressure distribution on y-z plane when u=0.4 m/s

圖8 u=0.4 m/s時x-y面流速分布Fig.8 Velocity distribution on x-y plane when u=0.4 m/s

圖9 u=0.4 m/s時y-z面流速分布Fig.9 Velocity distribution on y-z plane when u=0.4 m/s

從圖6～圖9可進一步證實，在撞擊面的中心有一個高壓力低流速區域，區域關于撞擊面對稱，基本為軸對稱.流體在進行撞擊時，繞這個區域進行流動，在區域的周圍產生強烈的湍流，這個強烈的湍流區域對混合過程及反應過程有很強的促進作用.

4 結論

(1)通過實驗得到撞擊流反應器內的壓力分布及速度分布.證明在撞擊面中心部分存在一個撞擊區，此區域關于撞擊面對稱，基本上軸對稱.區域內壓力較高，流速很低，圍繞此區域有一個強烈湍動的區域，會促進混合及反應的進行.

(2)使用FLUENT對反應器建模，使用k-ε方程進行流體力學模擬計算，得到的模擬結果與實驗結果基本一致.

［1］ Tamir A.撞擊流反應器——原理和應用［M］.伍沅，譯.北京:化學工業出版社，1996:172－173.

［2］ Elperin I T.Heat and Mass Transfer in Opposing Currents［J］.J Engng Physics，1961(6):62－68.

［3］ 伍沅.撞擊流性質及其應用［J］.化工進展，2001，20(11):8－13.

［4］ 伍沅.浸沒循環撞擊流反應器:中國，CNZL002303264［P］.2000－07－06.

［5］ 伍沅.撞擊流中連續相研究重點的轉移［J］.化工進展，2003，22(10):1066－1071.

［6］ 于勇.Fluent入門與進階教程［M］.北京:北京理工大學出版社，2008:1－2.