小型受限撞擊流反應器內混合特征及激勵強化

杜柯江，李偉鋒，單志昊，劉海峰，王輔臣

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小型受限撞擊流反應器內混合特征及激勵強化

杜柯江，李偉鋒，單志昊，劉海峰，王輔臣

（華東理工大學煤氣化及能源化工教育部重點實驗室，上海煤氣化工程技術研究中心，上海200237）

利用平面激光誘導熒光技術（planar laser induced fluorescence，PLIF）研究了小型受限撞擊流反應器（confined impinging jets reactor，CIJR）內混合特征及激勵強化，射流入口Reynolds數范圍為75～150。研究結果表明，在受限撞擊流反應器內，由分離流模式向自持振蕩模式轉變過程中，兩股流體間的混合效果逐漸提升；當流動為分離流模式時，激勵能有效地強化兩股流體間的混合，而當流動轉變為自持振蕩模式時，激勵對流體混合的影響較小。

混合；傳質；流動；激勵；小型撞擊流反應器；平面激光誘導熒光技術

引 言

受限撞擊流反應器和T型反應器在快速混合工業過程中是最為典型的兩種小型反應器，因其獨特的工藝特性和較大的應用潛力，受到越來越多研究者的青睞，并廣泛應用于聚合物注射快速成型、生物細胞破碎及納米微顆粒合成等領域[1]。

近30年來，眾多研究者利用可視化技術對受限撞擊流反應器內的流動特征和混合過程進行了大量的實驗研究，劃分了反應器內的流動模式，揭示了受限撞擊流反應器的混合機理，考察了操作條件、流動邊界和反應器結構尺寸等對混合過程的影響。文獻中的研究結果表明，當<100時，受限撞擊流反應器內出現分離流模式，隨著Reynolds數的增加，流動模式變得復雜，受限撞擊流逐漸轉變成自持振蕩模式[2-11]。Santos等[6]對100<<150的過渡流動形態特征做了詳細的研究，發現兩種模式之間的轉變約在>120時出現。本課題組對Reynolds數為100～2000的工況做了進一步研究，并對振蕩模式做了更為詳細的區分，當>300時，自持振蕩模式轉化為無規則的振蕩模式[11]。

小型受限撞擊流反應器在大多數實際混合過程應用中，由于自身尺寸結構較小，噴嘴入口的Reynolds數往往較小，一般低于100，流體處于分離流模式，混合效果較差。因此，如何提升低Reynolds數下流體間的混合效果成為了近期研究的難點。本課題組前期對激勵作用下的自由平面撞擊流和軸對稱撞擊流進行了實驗研究，發現射流入口周期性的流量波動會使撞擊面產生周期性的振蕩，這種振蕩可能對流體間的混合具有促進作用[12-13]。Ito等[14]采用一種振動技術作用于Y型微通道混合器內的流體，有效地促進了流體的混合。Ian等[15]通過實驗和數值模擬驗證了T型混合器中周期性脈動的流體能夠強化混合。Icardi等[16]利用microPIV對受擾動作用的受限撞擊流反應器進行了實驗研究，指出外部擾動會使內部流場變得紊亂，并在直接數值模擬（DNS）中引入類似的小擾動進行了分析。

到目前為止，對受限撞擊流反應器的研究多集中在其內部流動模式的劃分及其混合過程的描述上，而由外部主動式施加激勵強化低Reynolds數下流體間混合的研究鮮有文獻報道。因此，本文利用平面激光誘導熒光技術對小型受限撞擊流反應器內的混合特征及激勵強化進行實驗研究，一方面進一步揭示受限撞擊流反應器的混合機理，另一方面為強化低Reynolds數下流體的混合提供一種有效方法。

1 實驗方法

1.1 實驗流程

實驗流程如圖1(a)所示，初始濃度為0.15 mg·L-1的羅丹明6G（示蹤劑）溶液stream A經流量計計量后噴入受限撞擊流反應器（具體結構尺寸如圖2所示）中，與另一股無示蹤劑的水流stream B相撞形成撞擊流，在反應器內相互混合。混合溶液中示蹤劑在波長為532 nm的激光激發下發射波長為560 nm的熒光，射入裝有濾光片的CCD相機。數碼信號經數據采集系統處理輸入計算機，可實時顯示出動態灰度流場圖。由于捕獲圖像的灰度值與溶液中的濃度值呈線性關系，因此利用DANTEC公司的商業Dynamic Studio軟件可將流場灰度圖轉換為示蹤劑濃度分布圖。

本實驗中的流體介質為水，實驗溫度為（20±5）℃。圖1(a)中水泵為LXHES公司生產的LX-102型靜音水泵，最大流量為166 ml·s-1；流量計為余姚儀表有限公司生產的LZB-2和LZB-3型小量程精密轉子流量計，其測量范圍分別為0.0067～0.067 ml·s-1和0.042～0.42 ml·s-1，基本誤差小于4%。為了減小圓柱形有機玻璃對激光的折射作用，在加工時反應器外部采用了整體方形結構，如圖1（b）所示。采用DANTEC公司生產的Nd：YAG連續固體激光器發射激光，經過片光鏡后形成厚度為0.5 mm的平面激光源。CCD相機鏡頭前裝有濾光片，可以濾掉高強度的綠光，只捕獲橙色熒光。相機的分辨率為1392×1040 pixel，測量的空間分辨率為40～60mm，采樣頻率為10 Hz。

激勵由圖1中的激勵裝置產生，電磁閥（電磁閥響應時間小于5 ms）周期性開啟和閉合形成周期性脈動水流stream C加入stream B后，從噴嘴中噴出。激勵流量調節方法如圖3所示，激勵頻率（即電磁閥開閉頻率）通過OMRON公司生產的H5CX-L8D型計時器設定，激勵振幅通過調節stream C的體積流量C相對stream B的體積流量B的百分比確定，定義如下

實驗中，stream A的體積流量A固定，通過調節stream B的體積流量B=A來確定噴嘴入口射流Reynolds數，定義如下

式中，A為噴嘴入口射流stream A的體積流量，為噴嘴直徑，和分別為水20℃時的密度和動力學黏度。因為在水中示蹤劑的含量較少，所以可以用水的物性參數代替示蹤劑溶液的物性參數。本文實驗工況的具體參數見表1。

表1 實驗工況
Table 1 Experimental parameters

1.2 實驗標定和定量分析

配制濃度分別為0、0.03、0.05、0.1、0.15、0.2 mg·L-1的羅丹明6G標準溶液，調節激光器、CCD相機及反應器到合適位置，并保持CCD相機的焦距及曝光度不變。然后依次將標準溶液濃度由低到高注入反應器滿溢后進行標定。取每個標準溶液灰度圖150張，進行時均處理，并做灰度值標準偏差計算，結果顯示其值均小于5%，符合實驗要求，濃度分布均勻。標定曲線如圖4所示，橫坐標為羅丹明6G溶液的濃度，縱坐標為熒光強度，在實驗范圍內，熒光強度與羅丹明6G溶液的濃度呈線性關系。

本文利用分隔強度（intensity of segregation, IOS）和混合質量（mixing quality,）定量地描述流體的混合效果[17-18]，定義為

(4)

(5)

式中，C為示蹤劑在溶液中的濃度，為C的平均值，C′為C相對平均值的波動，為C方差，M為混合質量，Mfree為無激勵的混合質量，Mexcitation為激勵的混合質量，f為相對混合系數。IOS為一定空間尺度下混合物中不同組分之間的分隔強度，當兩股流體完全隔離時，IOS=1，當流體均勻混合時，IOS=0，其他混合程度下，IOS值介于0與1之間，即IOS值越小，兩股流體的混合效果越好。特別地，當IOS<0.05時，體系達到了95%以上的均勻混合，可粗略地認為兩流體已經完全混合。圖5為位置特征圖，圖片為無激勵時，Re=150的瞬時偽彩圖。通過分析不同截面的IOS值就能定量地表征不同位置截面的混合程度。

2 實驗結果與討論

2.1 無激勵時受限撞擊流反應器內的混合特征

首先考察無激勵時受限撞擊流反應器內的混合特征，圖6為無激勵時不同Reynolds數下受限撞擊流反應器內示蹤劑濃度分布（=0平面）。當=75時，受限撞擊流反應器內出現分離流模式，此時兩股流體僅在撞擊面上發生因濃度差引起的分子擴散的靜態微觀混合，混合效果較差。隨著噴嘴射流入口Reynolds數的增大，受限撞擊流反應器內的流動模式開始出現變化，當=100時，撞擊面的中心區域仍為分離流模式，而撞擊面邊緣出現微小的擾動，混合效果較=75時有所提升，但整個流場的混合效果仍然較差。當Reynolds數增大至150時，受限撞擊流反應器內流動模式已轉變為自持振蕩模式[11]，撞擊面發生劇烈的拉伸與卷吸，促進了流體間的傳質與混合，反應器出口處濃度分布均勻。以上結果說明Reynolds數增大引起的流動模式轉變能顯著提升流體的混合效果，同時也表明撞擊流為分離流模式時，流體間的混合效果不好。

2.2 激勵作用下受限撞擊流反應器內的混合特征

圖7列出了=75、=20%時不同激勵頻率下受限撞擊流反應器內示蹤劑濃度分布（=0平面）。可視化實驗結果表明，激勵能誘導撞擊面周期性的軸向振蕩(如圖8所示，為撞擊駐點在時刻在軸上的位置點，為反應器內徑)，進而誘導撞擊面發生周期性的偏斜振蕩，最終誘導撞擊面上周期性地生成旋渦，促進了兩股流體的混合。

但是隨著激勵頻率增大，撞擊面軸向振蕩的振幅變小，撞擊面上生成旋渦的尺度也隨之減小，當>2.5 Hz時振蕩和旋渦逐漸消失。這符合本課題組之前研究[19]推導出的半經驗公式/(0)=(1/)的結論。由該公式可知，撞擊面的振幅與激勵頻率呈反比關系，也即當噴嘴入口初速度和激勵振幅一定時，激勵頻率越大，撞擊面的振幅也會越小。因而同一Reynolds數下，=20%時，隨著激勵頻率的增大，激勵對撞擊流的作用逐漸減弱。

2.3 受限撞擊流反應器內混合過程的定量表征

圖9為無激勵時受限撞擊流反應器內不同/截面的IOS值。從圖中可以看出，隨著/的增大，不同Reynolds數的IOS值均不斷變小。而在=100，/=0.25處，其IOS值出現先減小后增大的變化，是由于在此工況下，/=0.25截面位置處形成了大尺度卷吸旋渦，對流體間的混合有一定的提升作用，其IOS值也隨之減小。但是這種宏觀大尺度結構的形成對流體間混合的提升作用也是有限的，因為所有≤100的工況，/截面上的IOS值都大于0.2，遠沒達到完全混合95%要求，這也充分驗證了分離流模式流體的混合效果較差。可是當=150，/≥0.5時，IOS值小于0.05，滿足完全混合95%要求，說明撞擊面的自持振蕩可以極大地強化流體間的混合。所以隨著Reynolds數的增大，不同截面的IOS值都隨之減小，特別是Reynolds數從100到150時，IOS值急劇降低。

由圖7可知，激勵對受限撞擊流反應器內的混合過程具有明顯的促進作用，不僅使撞擊面出現周期性的振蕩現象，也使流體的濃度分布更加均勻。為了定量考察激勵對受限撞擊流反應器內混合過程的影響，對=20%時不同Reynolds數下反應器出口/=1.5截面處的IOS值隨激勵頻率的變化做了分析，結果如圖10所示。隨著激勵頻率的增大，IOS值呈現先急劇增大后趨于平緩不變的變化趨勢，且拐點都出現在激勵頻率=2.5 Hz時。可見，IOS值隨的變化趨勢與實驗中觀察到的撞擊面振幅隨激勵頻率增大而減小的現象相互吻合。而對比圖9中/=1.5截面處的IOS值可知，當=75，100時，激勵作用下的IOS值較無激勵時的IOS值都明顯減小，當=150時，激勵作用下的IOS值對比無激勵作用時變化不大。說明流動為分離流模式時，激勵使流體間的混合效果明顯改善，而對處于自持振蕩模式的撞擊流影響較小。這是因為自持振蕩是受限撞擊流固有的，在較低激勵振幅下，外界的擾動難以對其產生影響。而分離流模式流體的混合效果本就較差，激勵誘導撞擊面發生周期性振蕩，促進了湍動小尺度結構的生成，加劇了兩股流體間的相互卷吸，從而強化了撞擊流的混合。

為了進一步定量考察激勵提升混合效果的程度，對相對混合系數進行分析。圖11是不同Reynolds數下反應器出口/=1.5截面處的相對混合系數隨激勵頻率的變化。當=75，100時，同一激勵振幅下，激勵頻率越小，激勵對流體混合的強化作用越強。到=150時，值在1附近，激勵對流體的混合效果影響不明顯。這說明對于受限撞擊流反應器內的混合過程，激勵對混合效果較差的分離流模式有效，對自持振蕩模式的影響較小。

一般地，在小型受限撞擊流反應器的實際應用中，流體介質的黏度較高，噴嘴直徑小，導致入口的Reynolds數偏低。如果反應器內出現分離流模式時，本文的激勵方法能有效地誘導撞擊面發生周期性的振蕩，促進流體之間相互卷吸，加劇流體的質量傳遞，達到很好的混合效果。此方法對強化小型受限撞擊流反應器的混合過程具有重要的借鑒價值。

3 結 論

本文采用平面激光誘導熒光技術對小型受限撞擊流反應器內的混合特征及激勵強化進行了可視化實驗研究，得出以下結論。

（1）在無激勵時，受限撞擊流反應器內處于分離流模式時，兩股流體間的混合效果較差。而轉變為自持振蕩模式時，兩股流體間的混合效果顯著提升，反應器出口達到完全混合的程度。說明Reynolds數是影響流體混合的重要因素。

（2）當流動為分離流模式時，激勵能夠較好地改善流體的混合效果，而對處于自持振蕩模式流體的混合效果的影響較小。

（3）本文為強化小型反應器內流體間的混合效果提供一種有效方法，研究結果也能為小型受限撞擊流反應器的設計、結構優化和工業方法提供理論指導。

符 號 說 明

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Mixing characteristics and enhancement of excitation in mini confined impinging jets reactor

DU Kejiang, LI Weifeng, SHAN Zhihao, LIU Haifeng, WANG Fuchen

(Key Laboratory of Coal Gasification and Energy Chemical Engineering of Ministry of Education, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)

An experimental study is undertaken on liquid mixing process in mini confined impinging jets reactor (CIJR) with excitation by using planar laser induced fluorescence (PLIF) technique quantitatively, and the jet inlet Reynolds number is in the range of 75 to 150. The results show that the mixing effect of two fluids significantly increases during the segregated steady flow translates to the dynamic chaotic flow regime in CIJR. The excitation affects the mixing process in CIJR and the mixing performance is enhanced in the segregated flow regime. However, the excitation has no significant influence on the mixing for the flow in the oscillation regime.

mixing；mass transfer；flow；excitation；mini CIJR；planar laser induced fluorescence

10.11949/j.issn.0438-1157.20141811

TQ 021.1

國家自然科學基金項目（91434130）。

2014-12-08.

LI Weifeng, liweif@ecust.edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China (91434130).

A

0438—1157（2015）07—2395—07

2014-12-08收到初稿，2015-03-16收到修改稿。

聯系人：李偉鋒。第一作者：杜柯江（1989—），男，碩士研究生。