液体连续相撞击流波动特性的研究进展

赵一峰，李福宝

(沈阳工业大学，辽宁 沈阳 111000)

撞击流[1]最初是针对气固体系提出的。在过程工业中，包括化学和石化工业，其中许多过程都是采用液相为连续相，并且这些过程基本上都涉及各种各样的能量交换和化学反应。由于液体内部微观粒子间有很强的相互作用系统，致使分子的运动被限制。因此，对于液体微观混合，只有通过分子扩散才能达到良好的混合效果。对以液体为连续相的撞击流的研究大致从20世纪50年代后期就已起步，但最初主要是从流体力学角度进行的。自90年代以来，发现其具有有效强化微观混合的重要特性，对撞击流领域的研究重点逐渐转向液体连续相撞击流(Liquid-continuous Impinging Streams，LIS)。研究LIS的波动特性对LIS的开发和应用具有极其重要的意义。

1 撞击流性能与其连续相性质的关系

由于气体分子和液体分子它们之间相互作用力不同，导致它们的物理性质有很大的不同。气体连续相和液体连续相相比，液体的密度要比气体的密度大三个数量级，而粘度要大上两个数量级；从分子扩散的角度来说，气体分子具有相当大的扩散能力，而液体分子只能在平衡位置附近作位移极其有限的振动。这些性质的不同可以影响到撞击流的以下性能。

1.1 相间传递系数

气体连续相撞击流中相间传递过程主要是因为在两向气体来流相撞时撞击面处相对速度大，瞬时动能很大，致使气流中的颗粒渗透进入反向来流内，如此往复，进行震荡运动。固体或液体可以作为液体连续相撞击流的分散相。在LIS中，由于液体粘度大，相间传递不可能明显强化。实际上，已有关于盐溶解的数据[3]证实了LIS没有明显的强化传递作用。

1.2 两流体间的相互作用

就撞击的速度而言，虽然LIS通常比GIS低,但因二者的密度相差三个数量级，所以液体间的动量传递要比气体强烈很多。这种高动量传递强度加上液体属于凝聚体系流体间不可避免的发生剧烈的相互作用，从而使LIS具有明显的波动特性。

2 液体连续相撞击流的波动特性

LIS的波动特性包括压力波动和强速度场。在LIS中，液体微团间进行强烈碰撞、挤压和剪切进而产生强烈的压力波动。这种波动证实了流场中流体微观粒子受到了外力的作用，进而改变了原有的位置和运动轨迹。同时，产生的压力波动会促进液相间能量的传递和转换。另一方面，LIS场最重要的操作参数是撞击速度。它决定了参与撞击流体拥有的动能，进而决定了撞击流场速度场的大小，对压力波动有重大的影响。

3 研究进展

早在70年代，Sato[4]等人分别研究了直径为65.8 mm、高122 mm的玻璃圆柱筒中空气和水的流速，将流型分为四种，并会绘制了流型边界图，测试了柱内的压力脉动，但只是通过示波器将波形拍摄下来，并没有对数据进行记录。此后，Dimenstein和NG[5]对此也进行了压力波动测量，并且得到了波动的周期。Helwick[6]等人将通过将传感器与微机相联，得到了非常详细的压力波动数据。对于LIS撞击流反应器内压力波动信号的测量，国外Musmara[7]、Verloop[8]、Fan[9]、 Alzahrani[10]和Bi[11]等研究者通过精密压力传感器来测量和记录无规则压力波动信号，用统计方法来分析压力信号波动特征以及在流化床中的传播特征。

在国内，程振民等人[12]建立了一套压力在线测量系统。得到的结论是：(1)压力脉动信号的采集速度为97次/秒时即可满足需要，本测量系统的采样速度可达686次/s，远远高于这一标准。(2)滴流与脉冲流之间存在较强的周期性，该结果与滴流床的观测结果相差无几。

孙怀宇等[13]用小波变换方法对浸没撞击流反应器中测得的压力波动信号进行分析。实验结果显示，波动能量集中在1 kHz以下的范围内，通过统计分析能量的空间分布，发现波动强烈区域是关于轴及关于撞击面对称的。

王亭杰等[14]对冲击射流的动压特性进行了实验研究。利用压电传感器测量了射流中湍流产生的动压瞬时信号，并用计算机进行了记录。在不同的流体压力下，对射流中心轴向位置的压力信号进行采样。被测信号具有明显的周期性特征。通过对动态压力信号的FFT分析，发现动态压力信号存在固有频率。固有频率随喷嘴出口射流平均速度的增加而增大，这与理论分析相一致。可以认为射流中的湍流引起流体速度波动，从而产生动态压力信号。固有频率对应于湍流射流中的最小涡流尺度。涡流尺度越小，固有频率越高。出口处的流体速度越高，湍流强度越强。高固有频率的波动速度产生了强大的剪切力场，使流体快速混合，固体颗粒团聚得到有效的分散。

伍沅[3]在己获专利基础上对浸没循环撞击流反应器(Submerged Circulative Impinging StreamReactor，简称SCISR)[15]中的流场特性进行了深入的研究，得到以下结论:反应器内撞击区域存在强烈的压力波动;在一定的实验条件下，压力波动的主频率在1 kHz以下，压力波动的最大幅值可达到1.38 kPa。

张建伟[16-20]采用多种方法系统的研究了浸没式循环撞击流反应器的压力波动特性。得出了以下结论：(1)混合器撞击区域压力波动信号的奇异谱基本呈单峰形。(2)压力波动的能量值主要集中在1 kHz范围内。(3)采用不同尺度分析时，波动信号的分析结构形式也会不同。

万攀[21]等研究了斜桨型下的液体连续相撞击流反应器，发现反应器内的压力随着桨叶转速的增大而增大，但导流筒的间距对内部撞击流体的最大速度没有明显的影响。

罗燕等[22]利用CFD模拟了液体连续相撞击流反应器的混合过程，发现反应器内的压力波动强度与桨叶的倾角和转速有关。

4 结语

通过上述国内外的研究可知液体连续相撞击流的波动特性具有重要的研究和应用价值。但由于目前装置结构的限制，已实验的撞击速度还不够宽，缺少更高撞击速度下的数据。为了获得更完整的定性规律，以利于进一步研究能量转换的定量规律，获得更高撞击速度下的波动数据是必要的。

因此，液体连续相撞击流的波动特性问题迄今还是一个需要继续深入研究的论题。