側吹氣流流動特性實驗研究

周萍，成慰，馬驥，夏中衛，廖舟

(1. 中南大學能源科學與工程學院，流程工業節能技術湖南省重點實驗室，湖南長沙，410083；2. 株洲冶煉集團股份有限公司，湖南株洲，412004)

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側吹氣流流動特性實驗研究

周萍1，成慰1，馬驥1，夏中衛2，廖舟2

(1. 中南大學能源科學與工程學院，流程工業節能技術湖南省重點實驗室，湖南長沙，410083；2. 株洲冶煉集團股份有限公司，湖南株洲，412004)

通過搭建側吹模型實驗裝置，對側吹氣流流動特性進行實驗研究。利用高速攝影儀記錄氣體側吹流動過程，并運用MATLAB圖像處理方法對實驗所得氣流流動特性參數等實現自動批量處理。研究結果表明：氣泡脫離頻率與修正弗勞德數呈非線性減小關系，與液體黏度呈非線性增加關系；量綱一氣體穿透深度隨修正弗勞德數呈非線性增加趨勢，而與噴管直徑、液體黏度呈非線性減小趨勢。

浸入式側吹；水模型；氣體穿透深度；氣泡脫離頻率

氣體噴射熔池熔煉是通過向熔池中噴入氣體，利用氣體上浮對熔池內的熔體產生強烈的攪拌作用，以提高熔池的傳熱、傳質和冶金反應速率，從而促進渣與金屬的混合，加快固體料熔化，縮短冶煉時間，最終達到提高產品質量和生產率的目的[1]。側吹技術作為氣體噴射熔池熔煉方式中的一種，被廣泛應用于鉛鋅冶煉、銻冶煉、吹氣煉銅等冶金工業領域[2]。側吹流動過程中表征氣體流動特性的參數主要有氣泡脫離頻率和氣體穿透深度，它們直接影響著熔池熔煉過程中熔體的攪拌區域與攪拌程度，是熔池熔煉設備結構設計的重要參考依據[3]，因此，研究側吹流動過程中的氣流穿透速度以及氣泡脫離頻率具有十分重要的意義。目前，研究者針對冶金側吹爐的相關模型實驗主要研究氣泡直徑[4]、氣相流型[5?9]、氣泡分布情 況[10]、氣泡直徑特性[11?16]、射流行為[17?19]，而對側吹氣流流動過程中氣液兩相流氣泡脫離頻率以及氣體穿透深度的研究較少。隨著信息技術的發展，對于模型實驗數據的提取方法有了很大突破，而高效的MATLAB圖像處理法[20]就是其中之一。本文作者通過搭建側吹模型實驗裝置，運用高速攝影技術對實驗過程中氣液兩相流動過程進行跟蹤拍攝，并利用MATLAB圖像處理法對實驗數據實現批量處理，系統研究氣體流量、液體黏度、噴管直徑等對氣泡脫離頻率和氣體穿透深度的影響規律。

1 實驗裝置

側吹水模型實驗裝置是參照某廠側吹熔池熔煉爐體原型，依據相似定律，按照幾何比例1:8進行設計的。為了對實驗進行可視化操作，其模型結構采用在高度方向上標有長度刻度的透明有機玻璃制作。實驗選用難溶于水、不易反應、無毒無色的N2作為噴吹氣體，實驗液體為水。實驗裝置連接示意圖如圖1所示。

1—氮氣罐；2—減壓閥；3—質量流量控制系統；4—閥門；5—溫度計；6—高速攝像機。

1) 供氣部分。N2氣源以液態形態被儲存在N2存儲罐中，并通過減壓閥的減壓氣化作用使具有一定壓力和流速的氣態N2經過連接管道由側吹模型容器噴嘴噴射進入容器內部。其中，氣流流量通過SEVEN- STAR?D07?19B質量流量控制器和D07?19BM質量流量計進行控制和檢測。

2) 水模型系統。該系統主要由容器、實驗液體、溫度計3部分組成。在實驗過程中，根據不同試驗工況對實驗液體進行加熱，利用溫度計檢測溫度。

3) 攝像系統。本實驗采用RedlakeTMMotionPro X?3高速攝影儀，設定采樣頻率為1 kHz，通過Na燈光源的強光照射，將側吹流動過程通過照片形式保存至計算機終端，實現對流動過程的實時檢測。為了增強拍攝效果，需要在燈源側壁面添加硫磺紙以均勻 光線。

4) 數據處理系統。利用MATLAB圖像處理技術對保存在計算機終端的圖像進行處理，并提取特征參數即氣泡脫離頻率與氣體穿透深度。

2 實驗結果及分析

2.1 氣體流動形態

實驗裝置具體結構參數及操作參數見表1。從表1可知：本實驗中修正弗勞德數′在0.5~608.0之間，此時側吹流動過程中氣體流態處于氣體泡狀流到間歇式乳狀流的變化范圍之內[19]，如圖2所示。

表1 實驗裝置具體結構參數及操作參數

Table 1 Experimental structure and operation parameters

(a) 泡狀流，′=0.5；(b) 彈狀流，′=27.9；

(c) 間歇式乳狀流，′=608

圖2 側吹流動過程中氣流3種不同流態

Fig. 2 Three flow patterns of side-blown processing

由圖2可知：泡狀流流型特征是氣泡有規律地生成，且具有嚴格的周期性，氣泡間不存在相互作用；彈狀流流型特征是氣泡間發生融合聚并作用，并出現氣泡破碎現象；前者氣泡的體積與未發生聚并的流型下的氣泡體積相比明顯增大，且前者氣泡的尾流效應比較強烈，會導致尾隨氣泡被拉長；間歇式噴乳狀流型特征為氣泡在噴口附近發生連續性聚并，氣流連續性增強。

2.2 氣泡脫離頻率

2.2.1 修正弗勞德數′對氣泡脫離頻率的影響

在噴管直徑為0.005 m，修正弗勞德數′的變化范圍為1.27~31.70時，氣泡脫離頻率與修正弗勞德數′的變化情況如圖3所示。由圖3可以看到：當液體黏度相同時，隨著修正弗勞德數′增加，氣泡脫離頻率呈非線性減小的趨勢，且氣泡脫離頻率的變化率不斷減小；當氣流流型從泡狀流向彈狀流轉變時，氣泡脫離頻率變化率較大，氣泡脫離頻率平均減小10 Hz。這是因為當修正弗勞德數′較小時，氣泡處于泡狀流狀態(如圖2(a)所示)，此時氣泡呈現有規律的生成狀態，氣泡間不存在相互作用；隨著修正弗勞德數′逐漸增大至17.8，氣泡呈現彈狀流流態現象(如圖2(b)所示)，此時氣泡間的相互作用逐漸顯現出來。可以觀察到氣泡間已經開始發生融合聚并作用，導致前者氣泡會與尾隨氣泡相互作用而不能完全脫離，致使氣泡脫離周期增大，氣泡脫離頻率減小。從圖2(c)可以看出：當修正弗勞德數′繼續增加至608.0時，氣流流型呈現彈狀流向間歇式乳狀流轉變的狀態，氣泡間的融合聚并作用愈發明顯，并伴有氣泡破碎現象，同時，由于上一個氣泡的尾流效應更加強烈，尾隨的氣泡被拉長，與前者氣泡在噴嘴附近就發生聚并，此時脫離周期繼續增大，氣泡脫離頻率進一步減小，但此時氣泡脫離頻率變化率趨于穩定。

黏度/(10?6m2·s?1)：1—0.404；2—0.466；3—0.553；4—0.658；5—0.800；6—1.003。

2.2.2 液體黏度對氣泡脫離頻率的影響

在實驗過程中，液體黏度的變化通過改變液體溫度得到。在修正弗勞德數′等條件一定的情況下，液體黏度由0.404×10?6 m2·s?1增加到1.003×10?6 m2·s?1時對氣泡脫離頻率的影響如圖4所示。從圖4可見：當液體黏度增加到1.003×10?6 m2?s?1時，氣泡脫離頻率增加約4 Hz。這主要是因為當液體黏度較大時，液體黏性阻力較大，此時氣泡生成體積會變 大[3]，而較大體積的氣泡更容易出現融合聚并作用，因而氣泡脫離周期變小，氣泡脫離頻率增大。

Fr′：1—1.27；2—7.29；3—17.8；4—31.7。

2.3 氣體穿透深度

2.3.1 修正弗勞德數′對氣體的影響

當液體黏度、噴管直徑相同時，噴入的N2的隨不同修正弗勞德數′的變化情況如圖5所示。

黏度υ/(10?6 m2·s?1)：1—0.404；2—0.466；3—0.553；4—0.658；5—0.800；6—1.003。

由圖5可知：當修正弗勞德數′由1.27增加至17.8時，氣體的與修正弗勞德數′呈非線性增加的關系，其穿透深度增加約3；當修正弗勞德數′較小時，氣體變化量較大；當修正弗勞德數′增加時，其變化量逐步減小。這主要是因為當修正弗勞德數′較小時，此時氣體穿透深度主要受限于單氣泡的直徑；隨著修正弗勞德數′的增大，噴入氣流量增大，氣相密集存在于噴嘴附近，其在液相中的連續性增強，同時，在較大修正弗勞德數′條件下的氣流噴入速度較大，因而使氣體增大。

2.3.2 液體黏度對氣體的影響

在修正弗勞德數′等條件一定的情況下，液體黏度對于氣體的影響如圖6所示。從圖6可見：當液體黏度增加到1.1×10?6 m2?s?1時，氣體的平均減小2左右。這主要是因為在相同的修正弗勞德數′等條件下，當液體黏度增大時，液體對氣體的黏性阻力會增加，使得氣體穿透深度減小；同時，由于黏度增加，前者氣泡對于尾隨氣泡的尾流效應加劇，使得氣泡被縱向拉長，導致其在水平方向的穿透深度減小。

Fr′：1—1.27；2—7.29；3—17.8；4—31.7。

2.3.3 噴管直徑對氣體的影響

在不同的氣體流量條件下，氣體隨噴管直徑變化情況如圖7所示，其中修正弗勞德數′變化范圍為0.5~608.0。

Q/(L·min?1)：1—3；2—6；3—9；4—15。

從圖7可知：在相同的氣體流量下，氣體隨著噴管直徑呈非線性減小趨勢；當噴管直徑由1.5 mm增加到4.0 mm時，氣體穿透深度平均減小18。其原因主要是當氣體流量一定時，噴管噴吹速度與管徑的2次方成正比，管徑越大，噴嘴氣流噴入速度越小，氣相所具有的入射動能越小，因而氣體的越小。

3 結論

1) 氣泡脫離頻率隨修正弗勞德數′增大而呈非線性減小趨勢，當氣流流型處于泡狀流向彈狀流轉變時，其變化率最大，氣泡脫離頻率平均減小10 Hz；氣泡脫離頻率隨液體黏度呈非線性增加關系，當液體黏度由0.404×10?6 m2?s?1增加到1.003×10?6 m2?s?1時，氣泡脫離頻率平均增加約4 Hz。

2) 氣體隨修正弗勞德數′呈非線性增加關系，當′由1.27增加至31.7時，氣體平均增加4左右；當液體黏度由0.404×10?6 m2?s?1增加到 1.1×10?6 m2?s?1時，氣體穿透深度平均減小2。

3) 氣體穿透深度隨噴管直徑增加而非線性減小，當噴管直徑由1.5 mm增加到4.0 mm時，氣體穿透深度平均減小18。

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(編輯 陳燦華)

Experimental study on side-blown flowing characteristics

ZHOU Ping1, CHENG Wei1, MA Ji1, XIA Zhongwei2, LIAO Zhou2

(1. Key Laboratory of Energy Conservation in Process Industry of Hunan Province,School of Energy Science & Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. Zhuzhou Smelter Group Co. Ltd., Zhuzhou 412004, China)

The investigation on the bubble departure characteristics and gas penetration behavior was performed by using the experimental model method and the imaging method for the immersion side-blowing model. The experimental feature parameterwas extracted by the imaging processing method. The results show that the bubble departure frequency of the bubbles nonlinear decreases with the increase of the modified Froude number’ and liquid viscositywhen the nozzle diameterand liquid temperatureare constant. The dimensionless penetration depth/increases with the increase of the modified Froude number’ and decreases with the increase of the nozzle diameterand liquid viscosity.

immersion side-blown; hydraulic model; air penetration depth; bubble departure frequency

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.08.045

O359+.1

A

1672?7207(2016)08?2879?05

2015?09?10；

2015?11?22

國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目(2011AA061003)(Project(2011AA061003) supported by the National High Technology Research and Development Program (863 Program) of China)

馬驥，博士研究生，從事熱工過程與設備數值仿真研究；E-mail：yunwenzhu@126.com