非牛頓流體下冶金熔池中氣泡運動的研究進展

趙 凱,申耀宗,張興華,魏志芳,王 彬

(華北理工大學 冶金與能源學院,河北 唐山 063210)

在冶金領域中,熔池中的多相流熔煉主要分為牛頓流體和非牛頓流體,當前研究對于簡化后的牛頓流體居多,而在實際生產中,熔池的熔煉并非理想狀態,由于煤粉、渣等存在于熔煉過程中,流體往往呈現出非牛頓流體狀態。目前,針對于氣泡運動的研究主要有數值模擬以及實驗分析的方法[1-4],氣泡相關特性的應用被廣泛運用于石油、環境以及化工等領域[5-10]。本文通過對比在不同條件下牛頓流體和非牛頓流體熔煉中氣泡的運動規律,結合自身課題中側吹熔池熔煉中的研究現狀,對氣泡運動在相關流體中的變化和機理進行了分析,提出了氣泡運動在未來的發展方向。

1 氣泡行為的運動機理

對于反應器中的多相流行為,氣泡尺寸以及形狀的變化是一個關鍵參數,由于氣泡和氣泡之間的相互作用以及氣泡和周圍環境的相互作用,不同氣泡的尺寸和形狀使得不同的運動階段會呈現出不同的影響效果。

1.1 牛頓流體中的氣泡行為

氣泡在產生后,會出現聚合與破裂行為,其過程也十分復雜。對于氣泡的聚合,在目前沒有統一的表達式來描述,通常要根據自身的實驗條件來進行擬定；對于氣泡的破裂,目前的認知主要是認為氣泡在運動的過程中,由于液相作用促發湍流漩渦,引發碰撞,以此獲得變形能量,發生破碎[11]。

目前,對于氣泡運動路徑的研究,大多學者都會采用高速攝像機的方法進行采集,而對于氣泡周圍速度場的研究,PIV的方法顯得更為普遍[12]。其中,閆紅杰[13]等對靜止水中的單氣泡行為進行了研究,氣泡在液體中運動時,主要受重力、慣性力以及浮力和表面張力的作用,因此采用了不同的準則數進行描述,由此得到We 和Re的預測效果最優,除此之外,還發現氣泡在靜止液體上升的過程中,氣泡的運動路徑會隨著氣泡的不斷變形而呈現出不同的運動軌跡。氣泡的形狀變化還會受到周圍條件的制約,從各項研究結果可以了解,流動環境對小氣泡的影響程度遠大于流動環境對大氣泡的影響,且隨著氣泡尺寸的逐步增大,流動的依賴性會逐漸減小,關于這一點,Ziegenhein T 等[14]運用了PIV 技術在不同流動條件下的鼓泡塔實驗研究中也有所論述。

對于牛頓流體來說,在不同的流體體系中,氣泡的生長機理可以簡要概括為氣泡之間的上浮碰撞、湍流隨機碰撞以及湍流剪切碰撞,在大部分的浸入式氣泡中,都會經歷氣泡的聚合和破裂。徐玲君等[15]通過采用基于流體體積法下的幾何重構技術以及相關的處理程序對單個氣泡在靜水中的特性進行研究,得知氣泡的變形在不同的氣泡大小狀態下是不一樣的,氣泡越小,其內外壓差越大,此時更容易維持球形,而氣泡越大,內外壓差反而會減小,此時會在氣泡兩側以及尾部形成尾跡流,進而產生推力,促使氣泡發生形變。

對于氣泡上升和聚并的過程,王樂等[16]以及邢少鵬等[17]都通過數值模擬的方法對多氣泡的運動進行了研究,一方面,發現氣泡間距的變化會直接影響氣泡相互融合的結果,除此之外,不同直徑和不同位置的切換也是影響氣泡聚并行為的重要因素；另一方面,研究表明氣泡直徑以及運動速度的增加會加劇尾隨氣泡的上升。

1.2 非牛頓流體氣泡行為

非牛頓流體中的氣泡行為同樣會經歷生成、上升以及破裂過程,由于非牛頓流體中存在較為復雜的流變性,導致氣泡的聚并、碰撞所表現出來的一些相關特性異于牛頓流體。

在氣泡的生成過程中,Acharya 等[18]通過高速攝像機對有機玻璃管中的流體進行觀測,發現在黏彈性溶液氣泡形成過程中,聚合物溶液的彈性會對氣泡造成一定的影響,表現在氣泡聚并速率小、聚合次數多。Miyahara 等[19]研究了非牛頓流體中浸沒孔口的氣泡形成,建立了兩階段氣泡生成模型,用以預測氣泡體積。該模型考慮了非牛頓流體中的流變參數等影響,分析結果認為在流變參數大的情況下,氣泡會趨向于非球形變化,慣性力是影響氣泡形成的主導因素,導致在非牛頓流體中氣泡所形成的體積會比牛頓流體中所形成的大。關于這一結論,Costes 等[20]在關于非牛頓流體的氣泡形成中也有同樣的論述。除此之外,Favelukis 等[21]針對非牛頓流體中的氣泡生長建立了動力學模型,通過研究發現,隨時間的變化,氣泡半徑的變化呈現指數函數趨勢,并且在氣泡形成的后期,氣泡形態的變化是區別于前期的,主要受傳質控制。

非牛頓流體中氣泡聚并過程的基本運動機理和牛頓流體相似,首先尾隨氣泡需要到達前行氣泡的尾流區,由于力的作用促使氣泡發生碰撞,從而發生聚并。Shiloh 等[22]通過對稀分散體中的氣泡聚并行為進行研究,把氣泡的聚并效率和碰撞速率相聯系,得出了液滴尺寸和聚并速率兩者與滯留率的基本關系,并表明流體的黏性會影響氣泡的聚并速率；碰撞和聚并行為并非先后伴隨發生。Crabtree 等[23]通過高速攝像機對黏性流體中氣泡的聚并行為進行研究,并建立關聯模型,發現尾跡流可以較好地描述氣泡的聚并現象,分析原因是由于氣泡浮力以及慣性阻力的共同作用所控制。LI H Z 等[24]采用粒子圖像測速和雙折射測量技術對非牛頓流體中的氣泡相互作用及聚并行為進行了研究,提出氣泡所產生的應力以及松弛形成的動力競爭控制了氣泡之間的相互作用,對于線性氣泡的研究提供了較好的指導。

在氣泡的破裂過程中,非牛頓流體下的球形氣泡發生破裂對氣泡周圍的流體產生拉伸作用,而這種拉伸行為對工業研究有著重要作用[25]。針對于非牛頓流體中的氣泡破裂行為,Tanasawa 等[26]通過建立三參數線性模型對黏彈性液體中的氣泡破裂行為進行了研究,發現在同時具備黏性和彈性的條件下,其液體對氣泡破裂所產生的黏性阻力要小,并且在氣泡的破裂過程中,氣泡伴隨著發生一定的擺動。Yoo 等[27]選用了相關數學模型,采用有限差分法對其進行求解,對黏性液體的氣泡行為進行了研究,指出氣泡在快速擴散下會發生擺動行為,但這一行為的產生是有前提條件的,在極低的擴散情況下,同樣存在氣泡的擺動,但此時這一現象與流變性質無關,氣泡擺動行為都是伴隨著氣泡的破裂而產生的。

對比牛頓流體和非牛頓流體下的氣泡特性機理,可以得知非牛頓流體在相關的氣泡機理上和牛頓流體下的氣泡機理相似,氣泡都會經歷生成、聚并以及破裂的過程,且在氣泡上升到破裂的整個過程里,同樣會受到與氣泡本身相關的力的作用,但是面對同樣的過程,非牛頓流體下的氣泡行為會呈現出不同的形態特性以及運動特性。

2 非牛頓流體中的技術應用

非牛頓流體中的氣泡行為具有和牛頓流體中氣泡行為不同的特性,關于非牛頓流體下的氣泡運動對周圍流場的影響以及氣泡之間相互作用的認知,對于實際熔煉效率的提高和能耗的控制都具有重要意義。目前對非牛頓流體中的多相流探索主要是在射流特性研究以及非牛頓流體下的噴嘴特性影響研究等方面[28-31],而在冶金領域中,則主要集中于冶金渣的相關研究中。

2.1 非牛頓流體在冶金渣中的應用

冶金領域內的泡沫渣問題在近年來越來越被重視,太強的泡沫渣會引起過量的噴濺,而適量的泡沫渣則有利于反應的進行。

吳鏗等[32-33]針對泡沫對冶金過程中熔渣的影響進行了研究,通過對熔渣的一維本構方程進行分析,提出了一種判斷泡沫化程度的方法,同時,也對非牛頓流體下的熔渣流變特性進行了相關研究,探究了溫度變化以及添加劑的加入對流變特性的影響,通過研究發現:針對不同粒度條件下的添加劑,泡沫所呈現出來的流變特性是不一樣的,且非牛頓流體的流變特性在粒度小的添加劑中更為顯著。該研究不足之處就在于所采用的測量熔體流變曲線的方法是一種相對的測量方法,存在一定的誤差,雖在后期對所得本構方程進行了對比性的誤差分析,但此方法還存在理想因素考慮偏多的問題。

關于非牛頓流體下的冶金熔渣和泡沫化的關系,Y.Ogawa 等[34]對減渣冶煉中的氣泡行為以及相關碳質材料的控制進行了研究,采用了X 射線透視法,觀察熔融還原爐實驗,發現提高含碳材料的加入量可以較為有效地減小爐渣的起泡率,增大氣泡的接觸面積和頻率也有類似的效果,除此之外,也發現大顆粒碳質材料因本身尺寸較大且含有活性孔隙,對氣泡的排出有利。該研究的不足之處就在于實驗做了很多理想化的假設,使得結果存在一定的局限性。針對于此,白晨光等[35]對非牛頓流體條件下熔渣流變特性的研究情況進行了說明,提出了在熔渣體系中,產生泡沫化的原因和本身所具有的非牛頓流體特性是密不可分的,且不同大小粒度的材料作為添加劑所造成的熔渣流變特性也不同。

在其他方面,Y.Zhang 等[36]采用X 射線觀察法研究了含碳顆粒物和泡沫之間的相互作用,發現在顆粒物的總表面積和液態渣表面積之比逐步增大的過程中,泡沫指數會出現明顯的降低,并指出焦炭對液態渣具有消泡作用。岳宏瑞等[37]以高爐渣為基礎,研究含鈦熔渣的非牛頓流體現象,指出在加入不同質量分數的TiC時,熔渣所表現出來的觸變特性也是不同的。具體來講,TiC含量的增加以及溫度的降低都會使這種特性更為顯著,而針對含TiC的熔渣,吳鏗等[38]對碳還原TiO2所導致的發泡過程進行了研究,通過對當前發泡特性方程的改進,進行了相關實驗,提出了發泡系數和消泡系數可以對發泡程度進行定量的描述,而針對整個過程的發泡情況,也可用發泡強度和發泡壽命進行定量描述,不足之處在于該項研究僅僅實現了定量分析的突破,在實際研究中還存在一定的局限性。

非牛頓流體下的冶金渣是未來冶金行業的重要課題,而對于其中的氣泡行為,現階段的研究都進行了大量的簡化假設,未來還需要對實驗機理進一步把控,對實驗過程實現進一步完善,從而實現從理想研究到實際應用的過渡。

2.2 非牛頓流體中射流、噴嘴特性研究

無論是在熔池熔煉領域還是其他反應器內反應機理研究領域,射流特性以及噴嘴特性都是影響反應效率、發現相關機理的重要途經。

Miyahara 等[39]對浸沒孔口下的氣泡形成進行了研究,所用液體為甘油水、乙醇水等溶液,主要對單氣泡行為進行了實驗,從而得出了不同種類的流型,但是由于當時技術限制并沒有對大孔徑下同時產生的氣泡形成以及漏液現象進行實驗驗證。Dekee 等[40]對非牛頓流體條件下的氣泡運動進行了實驗研究,通過對兩個噴嘴所產生的氣泡進行觀察,發現尾流氣泡是在進入先前氣泡的尾跡后,再加速完成碰撞,并繪制了初始孔口分離距離和氣泡聚集形成的體積之間的函數關系圖,不足之處在于,在氣泡注入的同時,黏性流體會存在輕微的干擾作用。Davidson 等[41]通過攝影觀測對水平噴孔下的氣泡形成進行研究,研究對象為礦物油和水,應用相關數學模型理論,發現在低流量下,孔口氣泡形態通常為單“靜態”氣泡,此時氣泡體積僅和孔口半徑和表面張力有關,與流量無關；在高流量下,隨著氣泡頻率的增大,氣泡體積變為和流速相關,而與表面張力無關。楊輝等[42]研究了雙噴嘴下的非牛頓流體中的氣泡運動,通過VOF-CSF 法模擬雙噴嘴下的氣泡形成以及碰撞過程,發現了3種不同的流型,流型的形成受周圍環境的影響,且在周圍液相環境的影響下,兩個噴嘴所產生的氣泡的聚并也有所區別,但是該實驗所研究的液相僅局限于不可壓縮流體,存在一定的局限性。

關于非牛頓流體中的射流研究,王玉龍等[43]通過搭建高速攝影光學研究平臺,對冪律流體下的射流現象進行了研究,發現在冪律流體中,因為高黏度剪切變稀的物性,降低了射流的軸轉換振蕩現象,但隨著射流的進行,這種現象還會受到射流速度的影響。曹偉等[44]同樣對冪律流體下的射流進行了研究,對于霧化速度場,運用了PIV 技術,發現了冪律流體的霧化效果之所以會被氣流的擾動所影響,主要是通過影響液膜表面波強度,從而使液膜出現破裂,造成液膜寬度減小,最終影響霧化。而關于非牛頓流體中的霧化應用,蔣麗莎等[45]對其射流特性進行了相關研究,指出牛頓流體霧化張角要大于黏彈性流體,且噴射霧滴的粒徑會隨距離的增大而增大。冪律流體研究的不足之處就在于其進行了大量的簡化假設,和實際應用還存在一定的差距。

2.3 氣泡運動研究的局限性及未來發展方向

目前關于氣泡運動的研究僅局限于牛頓流體下的氣液兩相流研究,大多研究首先通過數值模擬的方法探究牛頓流體下的熔池噴濺現象以及速度場和流場情況,其次通過物理模擬的方法對理想條件下的模擬結果進行了水模型實驗驗證,而對于熔池中的研究都忽略了實際熔煉工況下存在的固態爐料。在實際熔煉過程中,熔池中的流體并非是理想條件下的牛頓流體,而是包含氣、液、固三相流的非牛頓流體,基于此,在未來關于側吹熔池熔煉爐的課題研究中,需要在原先牛頓流體下的熔池氣泡運動的研究基礎上做出相關改進。當流體作為非牛頓流體形式存在時,進一步探究熔池中噴吹氣泡在流變特性的作用下,對周圍流場、速度場以及產生的攪動噴濺效果的相關現象變化,從而實現理論分析和實際應用的結合。

3 結語

氣泡運動的研究在工程領域內有著較大的作用,而對冶金反應器中氣泡行為的研究又是提高冶金熔池反應效率、實現高效熔煉的一個至關重要的環節。近年來針對于氣泡行為的研究大多停留在牛頓流體中,而對非牛頓流體下的氣泡運動研究并不多。但對于冶金領域來說,由于在實際的熔煉過程中往往伴隨著冶金渣、煤粉的存在,大部分的實際熔煉往往呈現的是非牛頓流體特性。而非牛頓流體中的氣泡運動和牛頓流體中的氣泡運動是相似的,同樣會經歷氣泡的產生、聚并以及破裂過程,但非牛頓流體以其自身復雜的流變性,使得氣泡在非牛頓流體中的運動區別于牛頓流體中的運動特性、形態特性以及由于氣泡運動對周圍液相產生的影響,從而導致實際運行過程不同。結合當下對非牛頓流體的了解,未來還需對非牛頓流體下的氣泡行為特性進一步研究,特別是對當前非牛頓流體研究中存在的簡化假設太過理想、氣泡運動研究單一以及相關理論機理分析不全面等不足之處,需要加強突破研究。