水平三向撞擊流反應(混合)器內湍流數值模擬研究

張建偉， 程 龍， 馮 穎， 劉思源

(沈陽化工大學 能源與動力工程學院， 遼寧 沈陽 110142)

水平三向撞擊流反應(混合)器內湍流數值模擬研究

張建偉， 程 龍， 馮 穎， 劉思源

(沈陽化工大學 能源與動力工程學院， 遼寧 沈陽 110142)

采用CFD軟件FLUENT，對新型的水平三向撞擊流反應(混合)器內部流場進行數值模擬研究.以4種工況作為研究對象，將模擬結果與PDA實驗測試結果進行比較，具有良好的一致性.結果表明：水平三向撞擊流的水平中心面湍流強度分布呈“單峰”分布，峰值位置即為湍流最為劇烈位置，即撞擊中心處.水平三向撞擊流反應器中，撞擊中心區湍動能分布形狀呈“正三角型”分布，三角形內部呈“靶式”分布，形狀較為規則.湍流耗散率分布與湍動能在反應器內的分布規律非常相似，湍流動能分布較大的區域，湍流耗散率分布亦較大，反之亦然.

水平三向撞擊流； 數值模擬； 湍流強度； 湍動能； 湍流耗散率

撞擊流是一種較為新穎的技術方法,最早由Elperin[1]提出,其基本思想是兩股或多股均相或非均相流體相向運動撞擊,產生一個高湍流區.自20世紀60年代以來,國內眾多學者系統地研究了撞擊流對稱布局的情況.屠功毅、李偉峰[2]等采用大渦模擬對平面撞擊流的偏斜震蕩進行了有效預報，并通過實驗進行驗證，驗證了模擬的可靠性.許鴻鵬、趙海波等[3]對平面氣固撞擊流進行數值模擬，通過分析射流軸線上不同位置的壓力和速度的瞬時值與平均值，討論了不同條件對周期性震蕩的影響.Song Hongyun、Yoon Hyun Gi[4]研究了雷諾數為11 000、L/D在不同范圍時，穩定沖擊射流與不穩定沖擊射流的無因次變量變化情況.國內研究側重于反應機理的探討，而國外傾向于試驗裝置的研究及實際應用，國內外對于水平三向撞擊流的研究近乎空白.

本文以水平三向撞擊流反應(混合)器為研究對象，以水為介質,研究三股單相撞擊流的流場結構,包括湍流強度、湍動能、湍流耗散率.湍流性能的研究是混合及傳熱性能研究的基礎，三向撞擊流不同于兩向對置撞擊流的規律，該研究描述了水平三向撞擊流的基本特征.其不僅對撞擊流裝置的研發具有一定的理論與實踐意義,同時也是對撞擊流理論的完善.

1 撞擊流反應器實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，來自儲水罐的水經由水泵、流量計進入噴嘴，在彼此相距3dN(噴嘴直徑)的三噴嘴之間碰撞.根據圓射流速度衰減規律,實驗采用丹麥DANTEC公司生產的相位激光多普勒三維粒子動態分析儀(3-Dimensional Particle Dynamics Analyzer，簡稱3D-PDA)進行測量工作.

圖1中標號8所示為水平三向撞擊流反應(混合)器，其總體結構及噴嘴結構如圖2所示.圖2(a)為撞擊流反應器結構簡圖，圖2(b)為噴嘴布局圖.

1 氬離子激光器 2 信號接收器 3 信號處理器 4 激光分離器 5 激光發射探頭 6 坐標移動系統 7 計算機 8 水平三向撞擊流混合器及其物料循環裝置

(a) 撞擊流反應器結構

(b) 噴嘴布局

噴嘴間距L=3dN=24 mm,對于三向流而言，噴嘴間距選取當量距離，即與反應器中心點的距離保持相同.研究共進行了4組工況的模擬和試驗，進口流速分別為1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s.

2 計算模型及邊界條件

數值模擬采用 CFD 軟件 Fluent 6.3.26,采用混合網格對撞擊流流場進行數值模擬,所建模型為3D模型，采用基于壓力的隱式求解器，運用SIMPLEC算法解決壓力速度耦合關系，為提高模擬精度，采用2階迎風格式進行計算.進口邊界條件類型定義為VELOCITY_INLET，即噴嘴出口處；出口邊界類型定義為OUTFLOW；其他默認為固壁，模擬介質為20 ℃的水.因撞擊流實驗為圓射流，且在實驗中觀察到流場有較大尺度的渦結構，故增加了和旋轉曲率有關的內容,所以，湍流模型選用Realizablek-ε 模型.在Realizablek-ε模型中，關于k和ε的輸運方程如下：

(1)

(2)

式中，μt與Cμ按下式計算：

k為湍動能，ε為耗散率，Gk是由平均速度梯度引起的湍動能k的產生項，C1和C2是經驗常數.

3 結果與討論

3.1 水平三向撞擊流射流軸線湍流強度分布

圖3為v=4 m/s時，水平三向撞擊流湍流強度沿射流軸線的分布圖.圖3中湍流強度值為脈動速度的均方根相對于平均速度的比值，湍流強度又稱湍強.由圖3中可以看出:噴嘴出口處湍流強度較小，因為此處湍流還沒有充分發展[5].進口流速v分別為1、2、3、4 m/s時，湍流強度分別為5.20 %、9.52 %、1.43 %、1.8 %.隨著軸向距離的增大，湍流強度迅速增大到最大值，約為1.8 %.之后隨著射流速度的衰減，湍流強度逐漸衰減[6-7].整體上，水平三向撞擊流的射流軸線上湍流強度分布呈“單峰”分布.峰值位置為湍流最為劇烈位置，即撞擊中心處.對比實驗值與模擬值，兩者相對誤差約為8.72 %.由于實驗中射流的不穩定性，進口流速無法精確保證，因此,在個別點速度波動稍異于理論值，從而導致湍流強度實驗值有異于模擬值，但是總體上兩者具有良好的一致性.

圖3 湍流強度沿X軸分布

3.2 湍動能分布

湍動能(Kinetic energy)是湍流模型中最常見的物理量(k)，湍動能是湍流速度漲落方差與流體質量乘積的1/2.有分量湍流動能和湍流總動能之分.湍流總動能隨時間的變化體現湍流動能的凈收支，是衡量湍流發展或衰退的指標.湍流擴散方差與分量湍流能量呈正比，是衡量湍流混合能力的重要指標.湍動能主要來源于時均流,通過雷諾切應力做功給湍流提供能量[8].選取射流軸線所在水平中心面為研究對象，因4種流速圖像湍動能分布均相同，特選取v=4 m/s水平截面湍動能分布云圖作為研究對象，其湍動能分布如圖4所示.

圖4 中心截面湍動能分布云圖

由圖4可以看出：湍流動能較高的區域主要集中在撞擊駐點附近區域，撞擊中心區域的湍動能最大，可見撞擊中心區湍動最為劇烈.原因是三股流體于此處劇烈撞擊，而后產生回流.撞擊中心區湍動能分布形狀呈“正三角型”，三角形內部呈“靶式”分布，形狀較為規則，其余各處湍流動能數值均較小.本研究湍流動能分布結果與實驗研究所得結果一致.總之，在撞擊區域駐點附近的湍流動能較高，即只有該區域湍流脈動較強.

3.3 湍流耗散率分布

反應器內湍流耗散率ε是指單位質量液體消耗的功率，其大小和分布是反應器內湍流結構的關鍵參數，它直接影響微觀混合效率、反應產物分布和多相體系的介觀特性(如氣-液分散體系的氣泡大小及其分布、液-液分散體系的液滴大小及其分布)[9]，因此,研究ε的大小及其分布規律對撞擊流反應器的優化及放大具有重要意義.

因4種流速圖像湍流耗散率分布均相同，特選取v=4 m/s水平截面湍流耗散率分布作為對象進行研究說明.圖5為v=4 m/s時水平三向撞擊流中心截面湍流耗散率分布云圖.由圖5中可以看出:湍流耗散率最大的區域位于撞擊中心處，三股流體通過湍流耗散在撞擊區域內，迅速進行微觀尺度的混合,進而達到宏觀混合.由圖5可知:在噴嘴出口處到距其1/4dN區域內，該區域湍流耗散較弱.對比圖4湍動能分布云圖和圖5湍流耗散率分布云圖，可知湍流耗散率分布與湍動能的分布有十分相似的規律,湍動能較大的區域湍動能耗散率亦較大,兩者的最大值都位于撞擊中心處，反之亦然[10].

圖5 中心截面湍流耗散率分布云圖

一般情況下，湍流脈動量的瞬時速度梯度總比平均速度梯度大得多，因而，湍動能的耗散要比平均流的黏性耗散大得多[11].反應器內平均湍流動能耗散率可以由(3)式求得.

ε=PρV

(3)

式中，ε為平均湍流動能耗散率；P為泵輸入功率；V是噴嘴內流體體積；ρ為液體密度[12].

4 結 論

(1) 水平中心面處，水平三向撞擊流的湍流強度呈“單峰”分布，峰值位置即為湍流最為劇烈位置，即撞擊中心處.

(2) 水平中心面處，水平三向撞擊流反應器中，撞擊中心區湍動能分布形狀呈“正三角型”分布，三角形內部呈“靶式”分布，形狀較為規則.

(3) 水平中心面處，水平三向撞擊流反應器中，湍流耗散率分布與湍動能在反應器內的分布規律非常相似，湍流動能分布較大的區域，湍流耗散率分布亦較大，反之亦然.

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

[2] 屠功毅，李偉鋒，黃國峰，等.平面撞擊流偏斜振蕩的實驗研究與大渦模擬[J].物理學報,2013,62(8)：084704-1-084704-7.

[3] 許宏鵬，趙海波，鄭楚光.平面氣固撞擊流周期振蕩的模擬分析[J].化工學報,2013,64(6)：1907-1915.

[4] Song Hongyun,Yoon Hyun Gi.Large Eddy Simulation of Flow Chara-ctercstics in an Unconfined Solt Impinging Jet with Various Nozzle-to-plate Distances[J].Journal of Mechanical science and Technology，2011,25(3)：721-729.

[5] 許建良，李偉鋒，曹顯奎，等.不對稱撞擊流的實驗研究與數值模擬[J]，化工學報，2006,57(2)：288-291.

[6] 李偉鋒，孫志剛，劉海峰，等.小間距兩噴嘴對置撞擊流流場的數值模擬與實驗研究[J].化工學報，2007，58(6)：1385-1390.

[7] 劉海峰，劉輝，龔欣，等.大噴嘴間距對置撞擊流徑向速度分布[J].華東理工大學學報,2000,26(2)：168-171.

[8] 竇國仁.紊流力學(上冊)[M].北京：人民教育出版社,1981:35-36.

[9] 劉心洪，劉燕軍，劉英莉，等.攪拌槽內湍流動能耗散率的估算進展[J].化工進展，2012(S2)：27-30.

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

[11]褚良銀，陳文梅，李曉鐘，等.水力旋流器能耗機制與節能原理研究Ⅳ.湍動能分布與湍動能耗散率[J].化工機械，1998,25(5)：254-258.

[12]李瑋峰,孫志剛，劉海峰，等.兩噴嘴對置撞擊流徑向射流流動特征[J]，化工學報， 2009，60(10)：2457-2458.

Numerical Simulation of Flow in Three-jet Impinging Streams Reactor

ZHANG Jian-wei， CHENG Long， FENG Ying， LIU Si-yuan

(Shenyang University of Chemical Technology, Shenyan 110142， China)

The CFD software FLUENT was used to make numerical simulation for the internal flow fields of a new type of three-jet impinging stream reactor.This study included four different operating conditions,and the results of simulation were compared with experimental results and had good consistency.The results showed that the distribution of three-jet impinging stream turbulent intensity was the unimodal distribution,and the peak was the most violent turbulent position,namely the impact center.The turbulent kinetic energy of the impact center zone in three-jet impinging stream reactor showed a “regular triangle” type distribution,and distribution inside of the triangle was an inerratic “Target Type” shape.In the three-jet impinging stream reactor,the distribution of turbulent dissipation rate was quite similar with the distribution of turbulent kinetic energy.In the larger distribution area of the turbulent kinetic energy,the distribution of turbulent dissipation rate was also larger,and vice versa.

three-jet impinging stream; numerical simulation; turbulent intensity; tubulent energy; turbulent dissipation rate

2014-06-03

國家自然科學基金項目(21476141)；遼寧省自然科學基金(20102179,201202174)；遼寧省教育廳2009年度高等學?？蒲许椖坑媱?2009S079);遼寧省百千萬人才工程人選項目(2009921092)

張建偉(1964-)，男(滿族)，遼寧義縣人，教授，博士，主要從事新型高效節能過程裝備的開發研究.

2095-2198(2015)03-0263-05

10.3969/j.issn.2095-2198.2015.03.015

TQ 052

A