撞击流反应器的流场测量及数值模拟研究

孙怀宇， 王 宇

(沈阳化工大学化学工程学院，辽宁沈阳110142)

撞击流是使两股流体沿轴相向流动，并在中点处的撞击区域产生撞击.撞击流技术最早应追溯到1953年Koppers-Totsek粉煤气化炉的研发和应用［1］.20世纪60年代初原苏联的 Elperin等学者率先开展了这一系统的研究［2］.20世纪70年代末，以色列Tamir［3］及其领导的研究组从设备形式及应用上进行了较深入系统的研究.我国学者从20世纪90年代开始对撞击流进行研究.伍沅设计了用于制备超细粉体的浸没循环撞击流反应器［4］.

由流体的不同，撞击流分为以气相为连续相的撞击流及以液相为连续相的撞击流.近年来，撞击流领域的研究明显转向以液体为连续相.这种研究重点的转移是由于液体的密度和黏度分别比气体大3个和2个数量级，致使两股相向流体撞击时发生强烈的动量传递和流团间相互剪切、挤压作用，还在撞击区产生波动，其结果将有效地促进微观混合［5］.

本文主要研究撞击流反应器内流体的压力分布及流速分布，以便更好地了解流动情况，为反应器的放大设计及应用提供理论依据.同时应用FLUENT软件对流场进行数值模拟，更深入地解流场情况.

1 实验部分

1.1 反应器及实验方法

使用有机玻璃制作撞击流反应器，设备尺寸为20 cm×10 cm×5 cm，上端开有10 cm×2 cm的长方形溢流口，两导流管为Φ0.75 cm×0.1 cm，管口间距为2 cm.定义以撞击面中心为坐标中心的三维坐标系，x轴与导流管轴线重合，y轴为垂直方向，y-z平面称为撞击面，x-z平面称为水平面，x-y平面称为垂直面.实验使用水为工质.实验流程如图1所示.

图1 设备流程图Fig.1 Equipment flow chart

测量时用阀门调节两管流量.压力探头垂直插入液面下指定位置，使用双液倒U形管压差计(水和柴油做指示剂)对撞击流反应器内压力进行测量.用热电阻作为测温探头，使用PCI-1710数据采集卡建立数据采集系统，以1 kHz的采样率对探头处温度进行测量.在流动方向上放置2个间隔一定距离的探头，并在管出口处迅速加入一定量的热水，通过分析两探头测量得到温度脉冲峰的时间差，可得到两探头间的流体速度.

1.2 实验结果与分析

图2和图3分别是撞击速度u=0.4 m/s时x-z面的压力分布和流速分布.

图2 u=0.4m/s时x-z面压力分布Fig.2 Pressure distribution on x-z plane when u=0.4 m/s

从图2可以看出:压力分布关于撞击面基本对称，在撞击面的中心周围存在一个高压力区域，撞击面中心的压力最大，这是因为在两股流体撞击过程中部分动压头转换为静压头.而在此区域外的压力较低.

图3 u=0.4m/s时x-z面流速分布Fig.3 Velocity distribution on x-z plane when u=0.4 m/s

从图3可以看出:速度分布关于撞击面基本对称.撞击面中心周围存在一个低速区域，撞击面中心的速度基本为0.在此低速区域周围存在一个锥形的流速较高的区域.从流体力学角度分析，在低速区域周围的流动速度较高，而两侧的压力差又较大，所以在此区域流动的流体容易产生旋涡，并产生较强的混合及反应促进作用.

2 使用FLUENT进行流体力学数值模拟

使用FLUENT软件建立反应器模型［6］，并对撞击流反应器的流场进行三维数值模拟.几何模型和网格模型使用前处理器GAMBIT完成，求解器选为FLUENT 5/6，利用Tgrid程序将包括入口管的反应器划分为四面体网格.设置两入水管出口为velocity-inlet边界条件，顶面长方形溢流口为outflow边界条件.为简化计算，假设撞击流反应器内流体的时均运动为稳定流动;流体为连续、不可压缩牛顿流体;反应器与外界无热量交换;不考虑重力影响;壁面为无滑移光滑界面.选用标准k-ε双方程作为流体力学模型，此模型可对湍流发展非常充分的流体进行计算.通过模拟计算，得到指定流速下反应器中的压力场及速度场.

3 实验与模拟结果比较分析

图4和图5为撞击速度u=0.4 m/s、中心水平面x=0时沿z轴压力和速度的实验结果与模拟结果比较.

图4 u=0.4 m/s时z轴压力模拟值与实验值的比较Fig.4 Simulation compared with the experimental values of pressure on z-axis when u=0.4 m/s

在入口流速相同情况下，数值模拟与实验所得z轴上压力分布和速度分布基本一致.表明使用数值模拟软件对此反应器中的流场进行模拟可行.但实验值与模拟值存在一定的差别，说明使用流体力学模型在模拟撞击流时还有一定的误差，这方面有待于在流体力学模型方面进行进一步的研究及改进.数值模拟得到的在u=0.4 m/s时x-y平面和y-z平面的压力分布和速度分布如图6～图9所示.

图5 u=0.4 m/s时z轴速度模拟值与实验值的比较Fig.5 Simulation compared with the experimental values of velocity on z-axis when u=0.4 m/s

图6 u=0.4 m/s时x-y面压力分布Fig.6 Pressure distribution on x-y plane when u=0.4 m/s

图7 u=0.4 m/s时y-z面压力分布Fig.7 Pressure distribution on y-z plane when u=0.4 m/s

图8 u=0.4 m/s时x-y面流速分布Fig.8 Velocity distribution on x-y plane when u=0.4 m/s

图9 u=0.4 m/s时y-z面流速分布Fig.9 Velocity distribution on y-z plane when u=0.4 m/s

从图6～图9可进一步证实，在撞击面的中心有一个高压力低流速区域，区域关于撞击面对称，基本为轴对称.流体在进行撞击时，绕这个区域进行流动，在区域的周围产生强烈的湍流，这个强烈的湍流区域对混合过程及反应过程有很强的促进作用.

4 结论

(1)通过实验得到撞击流反应器内的压力分布及速度分布.证明在撞击面中心部分存在一个撞击区，此区域关于撞击面对称，基本上轴对称.区域内压力较高，流速很低，围绕此区域有一个强烈湍动的区域，会促进混合及反应的进行.

(2)使用FLUENT对反应器建模，使用k-ε方程进行流体力学模拟计算，得到的模拟结果与实验结果基本一致.

［1］ Tamir A.撞击流反应器——原理和应用［M］.伍沅，译.北京:化学工业出版社，1996:172－173.

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

［3］ 伍沅.撞击流性质及其应用［J］.化工进展，2001，20(11):8－13.

［4］ 伍沅.浸没循环撞击流反应器:中国，CNZL002303264［P］.2000－07－06.

［5］ 伍沅.撞击流中连续相研究重点的转移［J］.化工进展，2003，22(10):1066－1071.

［6］ 于勇.Fluent入门与进阶教程［M］.北京:北京理工大学出版社，2008:1－2.