中心气流与环形气流作用下颗粒射流的流动与混合特性

吕慧，王海永，李大龙，曹贵平，刘海峰，郭杨龙



中心气流与环形气流作用下颗粒射流的流动与混合特性

吕慧1，王海永1，李大龙1，曹贵平1，刘海峰2，郭杨龙3

（1华东理工大学化学工程联合国家重点实验室，上海200237；2华东理工大学煤气化与能源化工教育部重点实验室，上海200237；3华东理工大学工业催化研究所，上海200237）

采用PIV测速系统和高速摄像仪对同轴气固两相射流进行了实验研究，着重考察了同轴射流结构和旋流对颗粒流动与混合特性的影响。结果表明，环形气流作用下颗粒获得的轴向速度比相同条件下中心气流作用下的颗粒轴向速度大，且气固两相的混合效果更佳，在这两种同轴射流结构下，颗粒的轴向速度仅在靠近喷嘴的横截面上分布较为均匀。而旋流，特别是强旋的引入不仅可以促进远场区颗粒速度的均布，而且能够有效地改善两相混合效果。

两相流；同轴射流；旋转射流；颗粒速度分布；混合；流动

引 言

同轴射流是实现两股流体混合的有效方法，广泛应用于各种工业生产及能源转化过程中，如在粉煤气化与燃烧过程中，常常伴随着气固两相同轴射流，其中的颗粒流动与混合特性是影响设备操作性能与稳定性的重要因素。因此，深入了解和认识气固两相射流中的颗粒流动与混合特性对于相关工业设备的设计、操作与优化非常重要。另外，相比于普通射流，旋转射流的扩散性更好，卷吸能力与掺混作用更强，可显著地强化混合、提高传递速率[1]，因此有必要对引入旋流后的气固两相射流中的颗粒流动及混合规律进行深入探究。

近几十年来，众多学者针对气固两相射流进行了一系列的探索[2-14]，但对气固两相同轴射流的研究较少[9-14]，针对气固两相同轴旋转射流的报道则更为有限[9, 15-16]。Wicker等[9]考察了同轴旋转射流中的拟序涡结构对颗粒弥散的影响。结果表明拟序结构能够更有效地令颗粒弥散，并且使其聚集在涡环之间的区域。刘海峰等[12-14]研究了稠密气固两相同轴射流的颗粒弥散特性，发现了3种典型的颗粒弥散模式，即剪切弥散、波状弥散和振荡弥散，同时发现弥散模式主要受环形通道内的气流速度控制。目前常见的气固同轴射流结构多为颗粒走中心通道、气流走环形通道的情况，对于颗粒走环形通道的同轴射流结构下颗粒的流动及混合特征目前还鲜有报道。为此，吕慧等[17-20]采用高速摄像技术对稠密的环形颗粒射流在有旋与无旋的中心气流作用下的弥散特征进行了实验研究，发现了周期性的鼓泡结构，同时考察了颗粒质量流率、环形通道厚度、声激励以及气源扰动等因素对鼓泡的形成与发展的影响，分析了鼓泡结构的成因，提出了两种鼓泡机制和判断鼓泡出现的准则。对比Liu等[14]的研究结果发现，同轴射流结构的不同导致颗粒的弥散与混合特性存在显著的差异，因此不同同轴射流结构下的颗粒流动与混合规律还需进行系统的研究。

然而，迄今为止，气固两相同轴射流的研究多侧重于宏观的弥散特征与行为，对气固两相流场细节尤其是混合特性的研究较少，而且尚无具体的准则用于评价气固两相的混合效果。鉴于上述需求，本文借鉴二元固体混合物体系中常用的混合指数，将气相近似地看作一个组分，来定量表征气固两相的混合程度。该方法主要是基于统计分析发展而来的，目前这些混合指数主要用于定量评价流化床[21-22]与喷动床[23]中二元固体混合物的混合程度，其中最常用的是著名的Lacey混合指数[24]。本文将结合高速摄像和PIV测速技术分别考察不同同轴射流结构及有旋与无旋情况下的颗粒流动与混合规律，以期获得有效的基础数据，更好地指导实际工业生产。

1 实验装置与方法

实验流程如图1所示，来自钢瓶的空气经流量计计量后与加料罐中的固体颗粒分别自同轴喷嘴的内外通道喷出，形成气固两相同轴射流，通过改变空气与颗粒的进料通道，可以得到两种同轴射流结构，即中心气流和环形气流作用下的颗粒射流。本实验中的加料罐结构与文献[17]中相同，由于加料罐中的压力恒定，且料位高度远大于出口直径，根据颗粒物质的特性，此时加料罐中料位的改变不会影响颗粒的下料速率[25]，这样，即可在很大的实验范围内保证颗粒流率的稳定。对单位时间内流出喷嘴的颗粒进行称重，即可计算出颗粒的质量流率。气固两相的流动形态采用Photron公司生产的FASTCAM APX-RS型高速摄像仪进行连续拍摄，拍摄速度为1000帧/秒，曝光时间为1/12000 s。颗粒相的速度由带有集成光栅器件的脉冲Nano Nd: YAG激光(=532 nm，脉冲能量为200 mJ, 脉冲频率为15 Hz)和CCD相机(FlowSense EO 4M camera)组成的PIV测速系统进行测量。

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

本实验使用的收缩式双通道喷嘴的结构如图2所示。中心通道直径=10 mm，环形通道内径i=14 mm，环形通道外径o=17.2 mm，环隙宽度=1.6 mm，喷嘴交汇角=70°，=30°。喷嘴出口气体射流的Reynolds数定义为

式中，为当量直径，当气流走中心通道时=；当气流走环形通道时=o-i。为了研究旋流对气固混合的强化，当颗粒走环形通道，空气走中心通道时，在中心通道放置了螺旋叶片式旋流器[图2(a)虚线处]，其结构与文献[17]中的旋流器结构相同。同样地，为了表征旋流的强度，引入了量纲1的旋流数，其计算式[26]为

式中，0为旋流器外边缘处的叶片角度；为阻塞系数，定义为

(3)

式中，为叶片安装角，0和之间存在如下关系

实验中使用的固体颗粒为玻璃微珠，颗粒走中心通道和环形通道时其质量流率均为1.1 kg·h-1，气固两相的详细实验参数见表1。

表1 气固两相实验参数
Table 1 Experimental parameters of gas phaseand particle phase

为了评价气固两相的混合效果，本文将计算区域中除颗粒相以外的气相近似地看作一个与颗粒直径相同的球形组分，借鉴二元固体混合物体系中常用的Lacey混合指数[24]来定量表征气固两相的混合程度。该混合指数MI的表达式为

式中，20与2r分别代表气固两相混合物处于完全分离与均匀混合状态时颗粒体积分数的方差，2为任意混合瞬间颗粒体积分数的方差，其计算式分别为[24]

(6)

(8)

式中，-v为所有采样单元中颗粒的平均体积分数，vi为每个采样单元中颗粒的实际体积分数，-表示每一个采样单元中所包含的颗粒的平均数目，代表所划分的采样单元总数。MI为量纲1量，当气固两相完全分离时其值为0，达到均匀混合时其值为1，在实际混合过程中0

其中，颗粒直径p已知，激光光栅的厚度为2 mm，si表示每一个采样单元中颗粒的实际表面积分数，通过编写Matlab程序对每个采样单元中像素的灰度值进行统计，即可确定si的值，再由式(5)～式(9)便可得到不同的同轴射流结构及有旋和无旋条件下气固两相的混合指数。

2 结果与讨论

2.1 颗粒流动现象与分析

图3(a)、(b)分别给出了两种同轴射流结构下(颗粒走中心、气流走环形通道以及气流走中心、颗粒走环形通道)的两相流动形态。可见，在环形气流的作用下，颗粒在向下游运动的过程中逐渐弥散开来，距离喷嘴越远其弥散范围越大，但此时部分颗粒会在喷嘴中心轴线上富集(尤其是近喷嘴处)；在中心气流作用下，颗粒在向下游发展时，其弥散范围并未显著扩大，但并不存在颗粒的局部富集现象，因而在局部区域颗粒的弥散较环形气流作用下更为均匀，但其整体弥散效果不佳，说明这两种同轴射流结构下的颗粒弥散效果各有优点和缺陷。

为了进一步强化气固两相的混合，改善颗粒的弥散效果，本文还考察了旋流的引入对颗粒流动混合特性的影响。不同强度的旋转中心气流作用下的颗粒流动形态见图3(c)、(d)。显然，当旋流数较小时，颗粒的弥散特征与相同同轴射流结构下无旋时的情况无明显差异[图3(b)、(c)]，这说明较小的旋流强度还不足以改变颗粒的运动规律，因此无法有效地改善颗粒的弥散效果。然而，当旋流数增大至0.835时，颗粒的流动形态发生了显著的改变[图3(d)]，与图3(a)～(c)相比，颗粒的弥散效果要更为优越，尤其与环形气流作用下的情况相比，喷嘴中心轴线上并未出现颗粒富集现象。

2.2 两种同轴射流结构下的颗粒流动及混合特性

图4给出了g0=7.08 m·s-1时，环形气流作用下颗粒的轴向速度u在不同的轴径向截面上的变化规律。本文以竖直向下为轴向速度的正方向，表示喷嘴轴线上各个水平位置距喷嘴出口的轴向距离，则代表竖直截面与喷嘴中心轴线之间的径向距离。如图4(a)所示，由于在喷嘴出口处气固两相开始发生相互作用，两相的相对速度较大，颗粒会在气相的卷吸作用下向上运动，从而出现负的颗粒轴向速度，在离中心轴线越远的截面上该速度越大，而随着颗粒逐渐向下游运动，该现象则不再出现。直到颗粒运动至距喷嘴3处，不同径向位置的颗粒速度呈现出了显著的差异，即远离中心轴线的颗粒轴向速度开始衰减。而图4(b)展示的是不同轴向截面上颗粒轴向速度随径向距离的变化规律，可见在接近喷嘴的横截面上，颗粒的轴向速度分布较为均匀，且速度的最大值并不在中心轴线上，而随着颗粒向下游运动，其轴向速度仅在中心轴线上达到最大，且整个截面上的速度差异较大。

图5给出了g0=7.08 m·s-1时，中心气流作用下颗粒的轴向速度在不同的轴径向截面上的变化规律。其中，图5(a)给出的是不同径向截面上颗粒轴向速度随轴向距离的变化规律，可见，在中心气流的作用下，不同径向截面上的颗粒速度存在显著差异。另外，如图5(b)所示，近喷嘴处(/=1, 2)颗粒的轴向速度在径向上存在小幅波动，但整体分布较为均匀，但随着颗粒向下游运动(/=5)，速度分布的均匀性逐渐被破坏，中心轴线上的颗粒轴向速度最大，整个截面上的颗粒速度梯度较大。

图6对比了上述两种同轴射流结构下的颗粒轴向速度分布。由喷嘴尺寸可知，中心通道与环形通道的面积近似相等，故能够保证两种同轴射流结构下的喷嘴出口气速一致。图6(a)、(b)中的速度变化规律表明，环形气流作用下的颗粒(P-center)获得的轴向速度要比中心气流作用下的颗粒(G-center)大。这可能是由于气流走环形通道时，气流在气固两相界面的剪切发挥主要作用，此时气相动量的损失较小，气固两相的动量交换导致颗粒相主要获得了轴向速度，但此时气流的卷吸难以将中心通道的颗粒带到远离中心轴线的径向位置上，因而在近喷嘴处颗粒会富集在中心轴线上，直到运动至下游才会随着气相的发展弥散开来[图3(a)]。而当气流走中心通道时，会与包围着它的颗粒相发生较强的相互作用，在两相动量传递的过程中会使颗粒在获得轴向速度的同时获得一定的径向速度，从而表现为颗粒获得的轴向速度较气流走环形通道时小，而中心气流的卷吸又能够将外围颗粒带到喷嘴的中心轴线附近，因此该情况下近场区的颗粒轴向速度呈现出了小幅波动，但由于气相的发展受颗粒相限制，且两相相互作用导致气相动量损耗较大，故颗粒运动至下游后其弥散效果仍不理想[图3(b)]。

为了研究两种同轴射流结构下的颗粒混合特性，本文将喷嘴出口100 mm×100 mm的流场区域划分为8×8个取样单元，每个采样单元的尺寸为12.5 mm×12.5 mm×2 mm。由Matlab程序计算出si的值求得每一个采样单元中颗粒的实际体积分数，由此便可获得相应的混合指数。图7给出了上述两种同轴射流结构下混合指数随表观气速的变化趋势，结果表明尽管混合指数均随表观气速的增大而略有提高，但增加的幅度并不明显，而环形气流作用下得到的混合指数明显大于中心气流作用下的混合指数，这与图3中的颗粒弥散效果吻合良好，以上结果说明了在本实验的气速范围内，表观气速的改变对混合指数的影响不显著，但同轴射流结构的改变能在很大程度上影响气固两相的混合效果。

2.3 旋流的引入对颗粒流动及混合特性的影响

为了进一步研究旋流的引入对颗粒流动特性的影响，考察了不同旋流数下的颗粒轴向速度的变化规律。以g0=7.08 m·s-1，=0.835的情况为例，中心旋转气流作用下的颗粒的轴向速度在不同轴径向截面上的分布如图8所示。可见，在近喷嘴区域(/<5)颗粒的轴向速度沿径向略有衰减，当颗粒继续向下游运动，其轴向速度几乎不随径向位置的改变而发生变化(/≥5)，即颗粒的轴向速度沿径向的分布在远离喷嘴的区域更为均匀[图8(b)]，这与图4(b)和图5(b)中的速度分布规律刚好相反，这可能与旋流较强的卷吸能力和掺混作用有关，同时说明旋流的引入能够有效地改变远场区的颗粒速度分布规律，使其更趋均匀。

图9中分别对比了中心轴线上以及/=5的截面上不同旋流数下的颗粒轴向速度。与无旋的情况相比，旋流特别是强旋的引入能够显著提高近喷嘴处的颗粒轴向速度[图9(a)]，然而由于旋转射流的能量会随着旋流强度的增加而快速衰减，传递给颗粒相的能量也会相应减少，因此远离喷嘴处的颗粒轴向速度随着旋流强度的提高而最终趋于平缓[图9(b)]。

不同旋流数下的混合指数随表观气速的变化规律如图10所示，可以发现，表观气速的提高对混合的影响仍然有限，但有旋条件下的混合指数均大于无旋条件下的混合指数，尤其当旋流数提高至0.835时，其混合指数显著增大，甚至超过了环形气流作用下的值，该结果进一步表明旋流特别是强旋引入中心气流对颗粒速度的均布以及两相混合的强化具有重要的作用。

3 结 论

采用粒子成像测速仪(PIV)和高速摄像仪分别对不同同轴射流结构以及有旋和无旋条件下的颗粒流动与混合规律进行了实验研究，得到如下结论。

（1）在近场区，环形气流作用下的颗粒射流的整体弥散效果要比中心气流作用下的颗粒射流好，但此时常伴随着局部颗粒富集现象；当颗粒走环形通道时，在中心气流中引入旋流，能够有效地改善颗粒弥散效果。

（2）在两种同轴射流结构下，颗粒的轴向速度均在接近喷嘴的横截面上分布较为均匀。在中心气流的作用下，近喷嘴截面上的颗粒轴向速度存在小幅波动，其最大值不只在中心轴线上，由于该同轴射流结构下气相动量损失大，颗粒获得的轴向速度要比相同条件环形气流作用下的轴向速度为小。另外，环形气流作用下的两相混合指数远大于中心气流作用下的两相混合指数，说明同轴射流结构的改变对两相混合效果有重要影响。

（3）旋流特别是强旋的引入不仅可以改变颗粒速度分布规律(尤其是远离喷嘴的区域)，使其更趋均匀，而且能够有效地强化气固两相的混合，显著提高混合指数。

符 号 说 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

中国博士后科学基金项目(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。

联系人：曹贵平。第一作者：吕慧(1985—)，女，博士。