中心氣流與環形氣流作用下顆粒射流的流動與混合特性

呂慧，王海永，李大龍，曹貴平，劉海峰，郭楊龍

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中心氣流與環形氣流作用下顆粒射流的流動與混合特性

呂慧1，王海永1，李大龍1，曹貴平1，劉海峰2，郭楊龍3

（1華東理工大學化學工程聯合國家重點實驗室，上海200237；2華東理工大學煤氣化與能源化工教育部重點實驗室，上海200237；3華東理工大學工業催化研究所，上海200237）

采用PIV測速系統和高速攝像儀對同軸氣固兩相射流進行了實驗研究，著重考察了同軸射流結構和旋流對顆粒流動與混合特性的影響。結果表明，環形氣流作用下顆粒獲得的軸向速度比相同條件下中心氣流作用下的顆粒軸向速度大，且氣固兩相的混合效果更佳，在這兩種同軸射流結構下，顆粒的軸向速度僅在靠近噴嘴的橫截面上分布較為均勻。而旋流，特別是強旋的引入不僅可以促進遠場區顆粒速度的均布，而且能夠有效地改善兩相混合效果。

兩相流；同軸射流；旋轉射流；顆粒速度分布；混合；流動

引 言

同軸射流是實現兩股流體混合的有效方法，廣泛應用于各種工業生產及能源轉化過程中，如在粉煤氣化與燃燒過程中，常常伴隨著氣固兩相同軸射流，其中的顆粒流動與混合特性是影響設備操作性能與穩定性的重要因素。因此，深入了解和認識氣固兩相射流中的顆粒流動與混合特性對于相關工業設備的設計、操作與優化非常重要。另外，相比于普通射流，旋轉射流的擴散性更好，卷吸能力與摻混作用更強，可顯著地強化混合、提高傳遞速率[1]，因此有必要對引入旋流后的氣固兩相射流中的顆粒流動及混合規律進行深入探究。

近幾十年來，眾多學者針對氣固兩相射流進行了一系列的探索[2-14]，但對氣固兩相同軸射流的研究較少[9-14]，針對氣固兩相同軸旋轉射流的報道則更為有限[9, 15-16]。Wicker等[9]考察了同軸旋轉射流中的擬序渦結構對顆粒彌散的影響。結果表明擬序結構能夠更有效地令顆粒彌散，并且使其聚集在渦環之間的區域。劉海峰等[12-14]研究了稠密氣固兩相同軸射流的顆粒彌散特性，發現了3種典型的顆粒彌散模式，即剪切彌散、波狀彌散和振蕩彌散，同時發現彌散模式主要受環形通道內的氣流速度控制。目前常見的氣固同軸射流結構多為顆粒走中心通道、氣流走環形通道的情況，對于顆粒走環形通道的同軸射流結構下顆粒的流動及混合特征目前還鮮有報道。為此，呂慧等[17-20]采用高速攝像技術對稠密的環形顆粒射流在有旋與無旋的中心氣流作用下的彌散特征進行了實驗研究，發現了周期性的鼓泡結構，同時考察了顆粒質量流率、環形通道厚度、聲激勵以及氣源擾動等因素對鼓泡的形成與發展的影響，分析了鼓泡結構的成因，提出了兩種鼓泡機制和判斷鼓泡出現的準則。對比Liu等[14]的研究結果發現，同軸射流結構的不同導致顆粒的彌散與混合特性存在顯著的差異，因此不同同軸射流結構下的顆粒流動與混合規律還需進行系統的研究。

然而，迄今為止，氣固兩相同軸射流的研究多側重于宏觀的彌散特征與行為，對氣固兩相流場細節尤其是混合特性的研究較少，而且尚無具體的準則用于評價氣固兩相的混合效果。鑒于上述需求，本文借鑒二元固體混合物體系中常用的混合指數，將氣相近似地看作一個組分，來定量表征氣固兩相的混合程度。該方法主要是基于統計分析發展而來的，目前這些混合指數主要用于定量評價流化床[21-22]與噴動床[23]中二元固體混合物的混合程度，其中最常用的是著名的Lacey混合指數[24]。本文將結合高速攝像和PIV測速技術分別考察不同同軸射流結構及有旋與無旋情況下的顆粒流動與混合規律，以期獲得有效的基礎數據，更好地指導實際工業生產。

1 實驗裝置與方法

實驗流程如圖1所示，來自鋼瓶的空氣經流量計計量后與加料罐中的固體顆粒分別自同軸噴嘴的內外通道噴出，形成氣固兩相同軸射流，通過改變空氣與顆粒的進料通道，可以得到兩種同軸射流結構，即中心氣流和環形氣流作用下的顆粒射流。本實驗中的加料罐結構與文獻[17]中相同，由于加料罐中的壓力恒定，且料位高度遠大于出口直徑，根據顆粒物質的特性，此時加料罐中料位的改變不會影響顆粒的下料速率[25]，這樣，即可在很大的實驗范圍內保證顆粒流率的穩定。對單位時間內流出噴嘴的顆粒進行稱重，即可計算出顆粒的質量流率。氣固兩相的流動形態采用Photron公司生產的FASTCAM APX-RS型高速攝像儀進行連續拍攝，拍攝速度為1000幀/秒，曝光時間為1/12000 s。顆粒相的速度由帶有集成光柵器件的脈沖Nano Nd: YAG激光(=532 nm，脈沖能量為200 mJ, 脈沖頻率為15 Hz)和CCD相機(FlowSense EO 4M camera)組成的PIV測速系統進行測量。

1—computer; 2—laser; 3—CCD camera; 4—coaxial nozzle; 5— high-speed camera

本實驗使用的收縮式雙通道噴嘴的結構如圖2所示。中心通道直徑=10 mm，環形通道內徑i=14 mm，環形通道外徑o=17.2 mm，環隙寬度=1.6 mm，噴嘴交匯角=70°，=30°。噴嘴出口氣體射流的Reynolds數定義為

式中，為當量直徑，當氣流走中心通道時=；當氣流走環形通道時=o-i。為了研究旋流對氣固混合的強化，當顆粒走環形通道，空氣走中心通道時，在中心通道放置了螺旋葉片式旋流器[圖2(a)虛線處]，其結構與文獻[17]中的旋流器結構相同。同樣地，為了表征旋流的強度，引入了量綱1的旋流數，其計算式[26]為

式中，0為旋流器外邊緣處的葉片角度；為阻塞系數，定義為

(3)

式中，為葉片安裝角，0和之間存在如下關系

實驗中使用的固體顆粒為玻璃微珠，顆粒走中心通道和環形通道時其質量流率均為1.1 kg·h-1，氣固兩相的詳細實驗參數見表1。

表1 氣固兩相實驗參數
Table 1 Experimental parameters of gas phaseand particle phase

為了評價氣固兩相的混合效果，本文將計算區域中除顆粒相以外的氣相近似地看作一個與顆粒直徑相同的球形組分，借鑒二元固體混合物體系中常用的Lacey混合指數[24]來定量表征氣固兩相的混合程度。該混合指數MI的表達式為

式中，20與2r分別代表氣固兩相混合物處于完全分離與均勻混合狀態時顆粒體積分數的方差，2為任意混合瞬間顆粒體積分數的方差，其計算式分別為[24]

(6)

(8)

式中，-v為所有采樣單元中顆粒的平均體積分數，vi為每個采樣單元中顆粒的實際體積分數，-表示每一個采樣單元中所包含的顆粒的平均數目，代表所劃分的采樣單元總數。MI為量綱1量，當氣固兩相完全分離時其值為0，達到均勻混合時其值為1，在實際混合過程中0

其中，顆粒直徑p已知，激光光柵的厚度為2 mm，si表示每一個采樣單元中顆粒的實際表面積分數，通過編寫Matlab程序對每個采樣單元中像素的灰度值進行統計，即可確定si的值，再由式(5)～式(9)便可得到不同的同軸射流結構及有旋和無旋條件下氣固兩相的混合指數。

2 結果與討論

2.1 顆粒流動現象與分析

圖3(a)、(b)分別給出了兩種同軸射流結構下(顆粒走中心、氣流走環形通道以及氣流走中心、顆粒走環形通道)的兩相流動形態。可見，在環形氣流的作用下，顆粒在向下游運動的過程中逐漸彌散開來，距離噴嘴越遠其彌散范圍越大，但此時部分顆粒會在噴嘴中心軸線上富集(尤其是近噴嘴處)；在中心氣流作用下，顆粒在向下游發展時，其彌散范圍并未顯著擴大，但并不存在顆粒的局部富集現象，因而在局部區域顆粒的彌散較環形氣流作用下更為均勻，但其整體彌散效果不佳，說明這兩種同軸射流結構下的顆粒彌散效果各有優點和缺陷。

為了進一步強化氣固兩相的混合，改善顆粒的彌散效果，本文還考察了旋流的引入對顆粒流動混合特性的影響。不同強度的旋轉中心氣流作用下的顆粒流動形態見圖3(c)、(d)。顯然，當旋流數較小時，顆粒的彌散特征與相同同軸射流結構下無旋時的情況無明顯差異[圖3(b)、(c)]，這說明較小的旋流強度還不足以改變顆粒的運動規律，因此無法有效地改善顆粒的彌散效果。然而，當旋流數增大至0.835時，顆粒的流動形態發生了顯著的改變[圖3(d)]，與圖3(a)～(c)相比，顆粒的彌散效果要更為優越，尤其與環形氣流作用下的情況相比，噴嘴中心軸線上并未出現顆粒富集現象。

2.2 兩種同軸射流結構下的顆粒流動及混合特性

圖4給出了g0=7.08 m·s-1時，環形氣流作用下顆粒的軸向速度u在不同的軸徑向截面上的變化規律。本文以豎直向下為軸向速度的正方向，表示噴嘴軸線上各個水平位置距噴嘴出口的軸向距離，則代表豎直截面與噴嘴中心軸線之間的徑向距離。如圖4(a)所示，由于在噴嘴出口處氣固兩相開始發生相互作用，兩相的相對速度較大，顆粒會在氣相的卷吸作用下向上運動，從而出現負的顆粒軸向速度，在離中心軸線越遠的截面上該速度越大，而隨著顆粒逐漸向下游運動，該現象則不再出現。直到顆粒運動至距噴嘴3處，不同徑向位置的顆粒速度呈現出了顯著的差異，即遠離中心軸線的顆粒軸向速度開始衰減。而圖4(b)展示的是不同軸向截面上顆粒軸向速度隨徑向距離的變化規律，可見在接近噴嘴的橫截面上，顆粒的軸向速度分布較為均勻，且速度的最大值并不在中心軸線上，而隨著顆粒向下游運動，其軸向速度僅在中心軸線上達到最大，且整個截面上的速度差異較大。

圖5給出了g0=7.08 m·s-1時，中心氣流作用下顆粒的軸向速度在不同的軸徑向截面上的變化規律。其中，圖5(a)給出的是不同徑向截面上顆粒軸向速度隨軸向距離的變化規律，可見，在中心氣流的作用下，不同徑向截面上的顆粒速度存在顯著差異。另外，如圖5(b)所示，近噴嘴處(/=1, 2)顆粒的軸向速度在徑向上存在小幅波動，但整體分布較為均勻，但隨著顆粒向下游運動(/=5)，速度分布的均勻性逐漸被破壞，中心軸線上的顆粒軸向速度最大，整個截面上的顆粒速度梯度較大。

圖6對比了上述兩種同軸射流結構下的顆粒軸向速度分布。由噴嘴尺寸可知，中心通道與環形通道的面積近似相等，故能夠保證兩種同軸射流結構下的噴嘴出口氣速一致。圖6(a)、(b)中的速度變化規律表明，環形氣流作用下的顆粒(P-center)獲得的軸向速度要比中心氣流作用下的顆粒(G-center)大。這可能是由于氣流走環形通道時，氣流在氣固兩相界面的剪切發揮主要作用，此時氣相動量的損失較小，氣固兩相的動量交換導致顆粒相主要獲得了軸向速度，但此時氣流的卷吸難以將中心通道的顆粒帶到遠離中心軸線的徑向位置上，因而在近噴嘴處顆粒會富集在中心軸線上，直到運動至下游才會隨著氣相的發展彌散開來[圖3(a)]。而當氣流走中心通道時，會與包圍著它的顆粒相發生較強的相互作用，在兩相動量傳遞的過程中會使顆粒在獲得軸向速度的同時獲得一定的徑向速度，從而表現為顆粒獲得的軸向速度較氣流走環形通道時小，而中心氣流的卷吸又能夠將外圍顆粒帶到噴嘴的中心軸線附近，因此該情況下近場區的顆粒軸向速度呈現出了小幅波動，但由于氣相的發展受顆粒相限制，且兩相相互作用導致氣相動量損耗較大，故顆粒運動至下游后其彌散效果仍不理想[圖3(b)]。

為了研究兩種同軸射流結構下的顆粒混合特性，本文將噴嘴出口100 mm×100 mm的流場區域劃分為8×8個取樣單元，每個采樣單元的尺寸為12.5 mm×12.5 mm×2 mm。由Matlab程序計算出si的值求得每一個采樣單元中顆粒的實際體積分數，由此便可獲得相應的混合指數。圖7給出了上述兩種同軸射流結構下混合指數隨表觀氣速的變化趨勢，結果表明盡管混合指數均隨表觀氣速的增大而略有提高，但增加的幅度并不明顯，而環形氣流作用下得到的混合指數明顯大于中心氣流作用下的混合指數，這與圖3中的顆粒彌散效果吻合良好，以上結果說明了在本實驗的氣速范圍內，表觀氣速的改變對混合指數的影響不顯著，但同軸射流結構的改變能在很大程度上影響氣固兩相的混合效果。

2.3 旋流的引入對顆粒流動及混合特性的影響

為了進一步研究旋流的引入對顆粒流動特性的影響，考察了不同旋流數下的顆粒軸向速度的變化規律。以g0=7.08 m·s-1，=0.835的情況為例，中心旋轉氣流作用下的顆粒的軸向速度在不同軸徑向截面上的分布如圖8所示。可見，在近噴嘴區域(/<5)顆粒的軸向速度沿徑向略有衰減，當顆粒繼續向下游運動，其軸向速度幾乎不隨徑向位置的改變而發生變化(/≥5)，即顆粒的軸向速度沿徑向的分布在遠離噴嘴的區域更為均勻[圖8(b)]，這與圖4(b)和圖5(b)中的速度分布規律剛好相反，這可能與旋流較強的卷吸能力和摻混作用有關，同時說明旋流的引入能夠有效地改變遠場區的顆粒速度分布規律，使其更趨均勻。

圖9中分別對比了中心軸線上以及/=5的截面上不同旋流數下的顆粒軸向速度。與無旋的情況相比，旋流特別是強旋的引入能夠顯著提高近噴嘴處的顆粒軸向速度[圖9(a)]，然而由于旋轉射流的能量會隨著旋流強度的增加而快速衰減，傳遞給顆粒相的能量也會相應減少，因此遠離噴嘴處的顆粒軸向速度隨著旋流強度的提高而最終趨于平緩[圖9(b)]。

不同旋流數下的混合指數隨表觀氣速的變化規律如圖10所示，可以發現，表觀氣速的提高對混合的影響仍然有限，但有旋條件下的混合指數均大于無旋條件下的混合指數，尤其當旋流數提高至0.835時，其混合指數顯著增大，甚至超過了環形氣流作用下的值，該結果進一步表明旋流特別是強旋引入中心氣流對顆粒速度的均布以及兩相混合的強化具有重要的作用。

3 結 論

采用粒子成像測速儀(PIV)和高速攝像儀分別對不同同軸射流結構以及有旋和無旋條件下的顆粒流動與混合規律進行了實驗研究，得到如下結論。

（1）在近場區，環形氣流作用下的顆粒射流的整體彌散效果要比中心氣流作用下的顆粒射流好，但此時常伴隨著局部顆粒富集現象；當顆粒走環形通道時，在中心氣流中引入旋流，能夠有效地改善顆粒彌散效果。

（2）在兩種同軸射流結構下，顆粒的軸向速度均在接近噴嘴的橫截面上分布較為均勻。在中心氣流的作用下，近噴嘴截面上的顆粒軸向速度存在小幅波動，其最大值不只在中心軸線上，由于該同軸射流結構下氣相動量損失大，顆粒獲得的軸向速度要比相同條件環形氣流作用下的軸向速度為小。另外，環形氣流作用下的兩相混合指數遠大于中心氣流作用下的兩相混合指數，說明同軸射流結構的改變對兩相混合效果有重要影響。

（3）旋流特別是強旋的引入不僅可以改變顆粒速度分布規律(尤其是遠離噴嘴的區域)，使其更趨均勻，而且能夠有效地強化氣固兩相的混合，顯著提高混合指數。

符 號 說 明

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Flow and mixing characteristics of granular jet exposed to central and annular air jet

Lü Hui1, WANG Haiyong1, LI Dalong1, CAO Guiping1, LIU Haifeng2, GUO Yanglong3

(1State Key Laboratory of Chemical Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China;2Key Laboratory of Coal Gasification and Energy Chemical Engineering of Ministry of Education, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China;3Research Institute of Industrial Catalysis, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)

An experimental study was conducted on gas-particle coaxial jets by PIV and high-speed camera. The effects of the coaxial jets form and the addition of swirl on the flow and mixing characteristics of particle phase were investigated. The results showed that the axial velocity of the granular jet exposed to an annular air jet was higher than that of the granular jet with a central air jet. In addition, the mixing effect of the case with an annular air jet was found to be much better. For the two coaxial jets forms, the particle axial velocity profile in the cross-section close to the nozzle was more even. The addition of swirl, especially for the strong swirl, could not only achieve the uniform distribution of the particle axial velocity in the far field, but also improve the mixing effect of the two-phase efficiently.

two-phase flow; coaxial jets; swirling jet; particle velocity profile; mixing; flow

10.11949/j.issn.0438-1157.20150088

TQ 021.1

中國博士后科學基金項目(2014M551347)。

2015-01-20.

Prof. CAO Guiping, gpcao@ecust.edu.cn

supported by the China Postdoctoral Science Foundation (2014M551347).

A

0438—1157（2015）07—2411—09

2015-01-20收到初稿，2015-04-22收到修改稿。

聯系人：曹貴平。第一作者：呂慧(1985—)，女，博士。