張建偉，高偉峰，馮穎，張一凡，董鑫

（沈陽化工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110142）

在石油化工、煤化工等過程工業(yè)中，時(shí)常伴有混合過程，提高混合效率一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)[1]。撞擊流作為一種新型高效的過程強(qiáng)化技術(shù)[2-3]，被廣泛用于超細(xì)粉體的制備[4]、煤氣化[5]等工業(yè)生產(chǎn)中，有著優(yōu)于傳統(tǒng)同類設(shè)備的性能。撞擊流反應(yīng)器良好的混合特性與速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、渦量場(chǎng)等特性密切相關(guān)。近年來，關(guān)于流場(chǎng)渦結(jié)構(gòu)特性成為研究熱點(diǎn)?；诖耍疚膶?duì)撞擊流混合性能、渦結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及湍流流場(chǎng)的本征正交分解（POD）分析進(jìn)行綜述，對(duì)優(yōu)化撞擊流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、提高反應(yīng)器混合效果奠定了理論基礎(chǔ)。

1 撞擊流反應(yīng)器內(nèi)結(jié)構(gòu)與混合特性

撞擊流（impinging stream）是由蘇聯(lián)學(xué)者Elperin[6]最初提出構(gòu)想，其原理如圖1 所示[7]。兩股均相或非均相流體通過噴嘴在反應(yīng)器中心形成高湍動(dòng)、高物相濃度的撞擊區(qū)，由此強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱。撞擊流反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)分為三個(gè)區(qū)域：一是噴嘴到撞擊面之間的射流區(qū)；二是兩股相向流動(dòng)的流體發(fā)生撞擊稱為撞擊區(qū)；三是撞擊后流體由軸向轉(zhuǎn)為徑向流動(dòng)，稱為徑向射流區(qū)[7-9]。其中，撞擊區(qū)內(nèi)流體的速度梯度大，撞擊駐點(diǎn)附近和徑向射流兩側(cè)形成了較大尺度的渦，渦核位置隨時(shí)間而發(fā)生移動(dòng)，同時(shí)噴嘴附近產(chǎn)生渦量較大的渦。

圖1 撞擊流反應(yīng)器流場(chǎng)區(qū)域[7]

在撞擊流反應(yīng)器湍流流場(chǎng)內(nèi)有大量不同尺度的渦旋，大渦旋具有脈動(dòng)周期長(zhǎng)、有效能量大的特點(diǎn)[10]。湍流的混合可分為宏觀混合、介觀混合和微觀混合3個(gè)尺度。在撞擊區(qū)，渦旋之間發(fā)生相互作用，較大尺度的渦分裂成小的渦旋，實(shí)現(xiàn)能量傳遞，同時(shí)達(dá)到宏觀混合。在宏觀混合中，以整個(gè)反應(yīng)器為研究對(duì)象，為直觀反映混合效果，常用反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率[11]、離集指數(shù)Xs[12]、離析度（IOS）[13]等參數(shù)來表征反應(yīng)器的混合效果。如圖2所示[14]的混合過程，流體初始進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)混合尚不完全，如圖2(a)所示，此時(shí)IOS=0.3；隨著混合的持續(xù)進(jìn)行IOS 進(jìn)一步降低，混合效果進(jìn)一步改善，如圖2(b)所示，此刻IOS=0.1；當(dāng)IOS＜0.05時(shí)認(rèn)為完全混合，如圖2(c)所示，整個(gè)過程流場(chǎng)逐漸趨于無序。宏觀混合初期，渦“生長(zhǎng)”占主導(dǎo)地位，該過程渦的空間尺寸隨著流向距離的增加而增加，邊界處的流體“深入”到軸向射流內(nèi)，由于軸向射流的能量輸入使渦的旋轉(zhuǎn)速度增加，促使渦核及附近流體運(yùn)輸?shù)綔u邊界，從而實(shí)現(xiàn)混合。渦把較大的微團(tuán)剪切成更小的微團(tuán)，通過小微團(tuán)界面之間的渦流擴(kuò)散，直到達(dá)到Kolmogorov 尺度時(shí)稱為介觀混合[15]。在該尺度下，由于渦旋的運(yùn)輸作用使微團(tuán)改變其固有位置，不同組分的流體進(jìn)行相互纏繞，從而達(dá)到混合目的。同時(shí)介觀混合尺度下渦的融合作用也不可忽略，渦的融合是渦內(nèi)部流體對(duì)等組合的過程（渦核之間的融合、邊界與邊界融合），其內(nèi)部流體密度發(fā)生變化，同時(shí)新形成的渦不斷卷吸周圍流體，整個(gè)流場(chǎng)的密度也因此趨于一致。微觀混合是發(fā)生短距離的分子擴(kuò)散，使混合物料分子達(dá)到高度均一性的隨機(jī)分布。在分析微觀混合時(shí)，僅考慮渦旋內(nèi)的分子擴(kuò)散，實(shí)際上由于撞擊流內(nèi)小渦旋內(nèi)黏性切應(yīng)力占主導(dǎo)地位，速度梯度大，離散作用不可忽略。圖2(a)為撞擊初期，此時(shí)兩股流體尚未充分混合，流場(chǎng)內(nèi)的渦尺度較大；圖2(b)則是兩股流體撞擊一定時(shí)間后大尺度渦相互剪切、卷吸產(chǎn)生大量的小尺度渦，使混合效果得到初步改善；撞擊流反應(yīng)器內(nèi)的渦由于黏性作用，不斷發(fā)生剪切，使反應(yīng)器內(nèi)的流體更趨近于無序，如圖2(c)所示，此刻認(rèn)為達(dá)到微觀混合[11,15]。

圖2 撞擊流反應(yīng)器內(nèi)混合過程[14]

眾多學(xué)者利用不同手段研究實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)撞擊流反應(yīng)器混合效果的影響，如Lyu 等[16]通過Xs反映T形通道的混合效果，發(fā)現(xiàn)大雷諾數(shù)對(duì)混合有較大影響。Zhang 等[17]發(fā)現(xiàn)T 形反應(yīng)器中的吞噬流階段，隨Re的增大，混合效果也更為理想。表1為實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)混合的影響結(jié)果匯總。

從表1可知，流速和流速比是影響混合的重要條件，增大流速可以增加流場(chǎng)的湍動(dòng)程度，減小撞擊面兩側(cè)渦的脫落周期和撞擊駐點(diǎn)振蕩周期，進(jìn)而加大對(duì)整個(gè)流場(chǎng)的擾動(dòng)，從而加速流場(chǎng)的混合。減小流速比可有效改善流場(chǎng)內(nèi)部的混合效果，尤其是等流速時(shí)，使撞擊面保持在反應(yīng)器中部，通過撞擊面周期的偏轉(zhuǎn)和渦周期性的生成與脫落，使撞擊面兩側(cè)的流體充分接觸進(jìn)而改善混合。除此之外，反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)流場(chǎng)的混合存在影響，噴嘴直徑越小，混合效果越好，L/D=3 時(shí)混合效果存在峰值。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)混合的影響

總之，在不同的混合尺度下，渦有助于整個(gè)流場(chǎng)的混合，可通過渦空間尺度增大的渦運(yùn)輸作用、渦內(nèi)部流體對(duì)等融合的渦融合作用、撞擊面兩側(cè)周期性的渦脫落作用和撞擊區(qū)域大尺度渦受剪切力破裂成小尺度渦的渦破裂作用4個(gè)方面解釋。

2 撞擊流流場(chǎng)渦特性

在湍流場(chǎng)中存在大量不同尺度的渦，且不同尺度的渦之間存在非線性作用力，這使得湍流流動(dòng)狀態(tài)更復(fù)雜[24]。研究人員主要通過模擬和實(shí)驗(yàn)的方法來探究渦結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。渦結(jié)構(gòu)特性常常受反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)類型、物料相態(tài)和雷諾數(shù)的影響，因此，渦結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。

2.1 撞擊流渦特性實(shí)驗(yàn)

為客觀真實(shí)地反映出流場(chǎng)內(nèi)的渦特性，研究人員通過激光多普勒技術(shù)（LDV）、平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)（PLIF）、粒子圖像技術(shù)（PIV）等實(shí)驗(yàn)手段對(duì)渦形成的位置、渦系的轉(zhuǎn)變、脫落機(jī)理進(jìn)行研究分析。Zhang 等[25]通過PLIF 研究發(fā)現(xiàn)非定常吞噬流中渦合并的振蕩現(xiàn)象顯著改善混合效果。大量研究人員對(duì)渦特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，其研究成果見表2。

表2 渦特性實(shí)驗(yàn)研究發(fā)展

三維LDV、PIV技術(shù)通過測(cè)量流場(chǎng)的速度信號(hào)分析渦的運(yùn)動(dòng)特性，其優(yōu)勢(shì)為：對(duì)一點(diǎn)（或區(qū)域）的速度信號(hào)持續(xù)測(cè)量，方便研究渦體速度變化規(guī)律。PLIF 技術(shù)則是通過濃度信號(hào)角度測(cè)量流場(chǎng)內(nèi)的渦特性，尤其適合描述渦對(duì)混合的影響以及渦體形態(tài)演變過程。通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)撞擊流反應(yīng)器內(nèi)最典型的渦是噴嘴兩側(cè)產(chǎn)生一對(duì)Dean 渦，該渦具有尺度大、對(duì)混合效果影響明顯等特點(diǎn)。其原理可以理解為：流體經(jīng)過噴嘴后因發(fā)生撞擊使得流體改變?cè)械倪\(yùn)動(dòng)方向，形成逆壓梯度，撞擊區(qū)域壓力增加、流速降低，流體在離心力作用下轉(zhuǎn)為徑向擴(kuò)散，再與反應(yīng)器壁面撞擊后形成產(chǎn)生二次回流，形成渦對(duì)。由于Dean 渦對(duì)具有較大的尺度和較高的角速度，其渦核中心的壓力更小，通過卷吸渦邊界流體使其與渦核內(nèi)部流體充分混合，該區(qū)域流場(chǎng)也更趨于無序。同時(shí)，流場(chǎng)中渦體之間會(huì)發(fā)生碰撞、相互卷吸，甚至渦系還會(huì)發(fā)生變化，渦結(jié)構(gòu)特性更加復(fù)雜，也使得流場(chǎng)分析起來較為困難。為此，研究人員利用數(shù)值模擬手段進(jìn)一步對(duì)渦特性進(jìn)行分析。

2.2 撞擊流渦特性數(shù)值模擬

歐拉法和拉格朗日法是現(xiàn)階段流場(chǎng)研究的主流方法。拉格朗日方法適用于描述渦結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生、演化、消亡。在對(duì)渦結(jié)構(gòu)模擬分析時(shí)，Haller[34]應(yīng)用Lyapunov指數(shù)法，觀測(cè)到三維流動(dòng)含拉格朗日性質(zhì)的渦結(jié)構(gòu)。楊越[35]根據(jù)渦面場(chǎng)方法，得出渦面場(chǎng)的等值面是由渦線所構(gòu)成的渦面。同時(shí)，渦面場(chǎng)也適用研究高對(duì)稱流與壁流動(dòng)[36]中的渦結(jié)構(gòu)生成與演化過程。拉格朗日方法可以準(zhǔn)確描述渦面在轉(zhuǎn)捩過程中的幾何變形與渦重聯(lián)，及其對(duì)阻力生成等重要物理過程[37-38]。由于歐拉法獲得的是瞬時(shí)場(chǎng)，不涉及時(shí)間序列，更適合描述渦的尺度與形態(tài)。因此，在分析渦特性時(shí)歐拉法被科研人員廣泛接受。典型的有基于渦矢量的渦線識(shí)別法；基于特征值的Q判據(jù)、Δ 判據(jù)、λ2判據(jù)、λci判據(jù)等識(shí)別方法。目前，有多種模擬研究手段對(duì)撞擊流反應(yīng)器流場(chǎng)特性進(jìn)行研究，如大渦模擬LES、改進(jìn)直接數(shù)值模擬DSMC、格子Boltzmann 方法，研究人員根據(jù)研究對(duì)象的不同來選擇合適的研究方法，具體見表3。

表3 渦特性模擬研究進(jìn)展

研究人員通過數(shù)值模擬的方式研究流場(chǎng)內(nèi)的渦特性，得出渦的脫落機(jī)理。如圖4所示[44]為渦脫落的3 個(gè)部分，其中a 部分流體被吸入并不斷增長(zhǎng)形成前脫落旋渦，一部分被輸送的流體b切斷了對(duì)流的剪切層環(huán)流的供應(yīng)，而流體c以逆時(shí)針循環(huán)的方式供給新形成的渦流，且該渦流強(qiáng)度在一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)加強(qiáng)。并且用來表征渦脫落強(qiáng)度的量綱為1環(huán)流強(qiáng)度（Γω,max）隨Re的增大而增大。對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析利于研究人員直觀了解渦的結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)而方便分析流場(chǎng)與渦的特征。對(duì)湍流流場(chǎng)模擬分析時(shí)，得到了流場(chǎng)中典型的馬蹄形渦（圖4[40]），其特點(diǎn)是具有較大的尺度、在反應(yīng)器的邊界產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)方向搖擺不定。

圖3 馬蹄形渦結(jié)構(gòu)[40]

圖4 渦脫落機(jī)理[44]

2.3 不同種類撞擊流反應(yīng)器的渦特性

近些年，研究人員發(fā)現(xiàn)渦的形成不僅與Re有關(guān)，還與反應(yīng)器的種類、尺寸有很大的關(guān)聯(lián)度[45]。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)Re對(duì)渦度的大小和渦的數(shù)量也有影響[46]。通過大量文獻(xiàn)總結(jié)出不同類型撞擊流反應(yīng)器渦結(jié)構(gòu)特性，并對(duì)其匯總，見表4。

從表4中可以看出，無論是T形反應(yīng)器、受限撞擊流反應(yīng)器還是微小型撞擊流反應(yīng)器，渦結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有幾處共性：①對(duì)于湍流來說，隨著雷諾數(shù)的增加，撞擊區(qū)域變薄，流場(chǎng)的湍動(dòng)能更大；②針對(duì)層流而言，不同結(jié)構(gòu)的撞擊流反應(yīng)器都有渦發(fā)生的臨界值，且臨界值和反應(yīng)器幾何尺寸有關(guān)，隨著Re的增加流場(chǎng)上方出現(xiàn)渦，Re繼續(xù)增大，渦的尺度加大，整個(gè)過程混合效果逐漸加強(qiáng)。

表4 不同種類撞擊流反應(yīng)器渦特性的研究進(jìn)展

2.4 撞擊流反應(yīng)器多相流渦特性

在撞擊流研究領(lǐng)域中，除液-液相之外，還有氣-液、氣-固等多相撞擊流反應(yīng)器，研究者首先提出的是以氣體為連續(xù)相的撞擊流反應(yīng)器[56]，液-液撞擊流反應(yīng)器在20 世紀(jì)90 年代后才逐步成為研究熱點(diǎn)。郭棟等[57]對(duì)氣-液式撞擊流反應(yīng)器的流場(chǎng)特性進(jìn)行數(shù)值分析，研究表明由于進(jìn)口速度的增大使駐點(diǎn)位置產(chǎn)生的渦更多，因此該位置的速度與壓強(qiáng)梯度更大，混合效果也得到顯著改善。Liu 等[58]對(duì)氣固兩相流中顆粒旋轉(zhuǎn)進(jìn)行數(shù)值分析。氣體流動(dòng)如圖5所示，研究顯示，射流的兩側(cè)形成方向相反的氣體旋渦并攜有固體顆粒，這使得顆粒沉積大大減少。撞擊區(qū)內(nèi)的顆粒受相互碰撞和渦的共同作用，顆粒濃度隨氣體入口速度的增加而降低。蔣貴豐等[59]利用本征正交分解（POD）對(duì)氣固兩相撞擊流結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，撞擊流徑向流動(dòng)形成一對(duì)反向旋轉(zhuǎn)的渦結(jié)構(gòu)。加入固體顆粒后，導(dǎo)致軸向產(chǎn)生脈動(dòng)結(jié)構(gòu)，平動(dòng)能向湍動(dòng)能轉(zhuǎn)化，大尺度的渦也被破壞成小尺度的湍流結(jié)構(gòu)，同時(shí)耗散作用增強(qiáng)。

在多相撞流反應(yīng)器內(nèi)，由于多相物性存在差異，相對(duì)密度大的粒子會(huì)發(fā)生沉積，撞擊區(qū)域兩側(cè)形成具有較大速度梯度反向旋轉(zhuǎn)的渦，反應(yīng)器內(nèi)的大尺度的、高角速度的渦通過卷積作用使發(fā)生沉積的粒子再次達(dá)到湍動(dòng)區(qū)，強(qiáng)化多相間接觸，即提高粒子的接觸時(shí)間和有效碰撞概率；多相撞擊流反應(yīng)器中存在粒子使原有流場(chǎng)分布規(guī)律發(fā)生改變，軸向射流部分呈脈動(dòng)狀態(tài)，撞擊面兩側(cè)的渦變得更加無序，大尺度的渦破碎也導(dǎo)致規(guī)律性渦系結(jié)構(gòu)消失，同時(shí)在撞擊駐點(diǎn)附近的渦數(shù)量增多，速度、壓力梯度變大，可以強(qiáng)化反應(yīng)器內(nèi)混合效果。

3 湍流場(chǎng)的POD模態(tài)分析

在湍流流場(chǎng)中，存在不同尺度相干結(jié)構(gòu)、非相干結(jié)構(gòu)和平均流。通過POD 分析捕捉湍流流場(chǎng)的大尺度相干結(jié)構(gòu)[60]，再利用低維動(dòng)力系統(tǒng)，得到其動(dòng)力學(xué)特性[61]。其優(yōu)點(diǎn)為通過時(shí)間模式替換空間模式，使計(jì)算量大幅減少。在分析結(jié)果中，占主導(dǎo)地位的模態(tài)通常代表流場(chǎng)中較高能量的大尺度結(jié)構(gòu)，其特征值可以表示出該階模態(tài)所含能量所占湍動(dòng)能的比例，也可以是速度場(chǎng)在對(duì)應(yīng)特征空間投影的平均能量[62]。根據(jù)Lamotte[63]、Mallor[64]等的研究，在撞擊流反應(yīng)器內(nèi)，前4階模態(tài)能量比較突出，并且隨階數(shù)的增加特征值迅速衰減，湍動(dòng)能降低。實(shí)際流動(dòng)可視為各界模態(tài)以一定權(quán)重比在時(shí)空域中的組合[65]。Saha 等[66]研究表明隨著模態(tài)階數(shù)的增加，含能比與變化率不斷降低，其能量比如圖6 所示[67]，高階模態(tài)對(duì)總動(dòng)能的貢獻(xiàn)很低，對(duì)混合的影響效果很小。因此，在對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行POD 分析時(shí)，一般重點(diǎn)研究前4階模態(tài)。當(dāng)前，針對(duì)射流領(lǐng)域?qū)u特性的研究主要集中在圓柱射流、平板射流、撞擊射流等形式，POD分析方法在該領(lǐng)域取得了豐碩成果。

圖6 前若干階本征模態(tài)函數(shù)的能量累積貢獻(xiàn)[67]

3.1 圓柱射流的POD分析

圓柱射流與撞擊流有很大的相似之處，射流在經(jīng)過圓柱壁面后發(fā)生的尾跡擾動(dòng)，與撞擊流的徑向射流區(qū)的流動(dòng)方式接近。此外，流體在撞擊圓柱后形成的交變尾跡渦使圓柱發(fā)生振動(dòng)。研究人員通過POD 方法對(duì)圓柱射流渦特性進(jìn)行分析，其研究成果詳情見表5。

表5 圓柱射流的POD研究進(jìn)展

圓柱繞流流場(chǎng)中的渦與撞擊流場(chǎng)的渦相似，同樣具有周期性，在初始射流失穩(wěn)觸發(fā)的情況下，自由射流渦形成了對(duì)稱的二次渦結(jié)構(gòu)；不同的是產(chǎn)生的渦周期和渦本身會(huì)發(fā)生自身撞擊。對(duì)撞擊流反應(yīng)器而言，要優(yōu)化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)充分利用二次渦，提高反應(yīng)器的混合效率。

3.2 平板射流渦特性的POD分析

撞擊流最初被Powell[72]認(rèn)為是一種鏡像模型，雖沒有關(guān)注到兩股相向撞擊流的相互作用，但平板射流部分類似撞擊流的鏡像模型，可通過鏡像模型對(duì)平板射流渦特性進(jìn)行初步研究。使用POD 方法通過捕捉大尺度渦能量分析渦的運(yùn)動(dòng)特性、區(qū)分渦系結(jié)構(gòu)、探究脫落頻率等。近年來平板射流的POD分析研究進(jìn)展匯總見表6。

表6 平板射流的POD研究進(jìn)展

如圖7 所示，1 階模態(tài)的渦能量明顯高于2 階模態(tài)，渦的尺度也更大。對(duì)于不同參數(shù)的平板射流而言，渦特征存在一定的共性：一是渦主要發(fā)生在噴嘴出口處；二是射流在撞擊平板時(shí)會(huì)形成一對(duì)同向渦。差異性主要體現(xiàn)在不同的Re、Ls/Ds、Hs/Ds的渦系結(jié)構(gòu)和空間形態(tài)存在區(qū)別。

圖7 弦厚比Ls/Ds=1時(shí)，不同雷諾數(shù)所對(duì)應(yīng)第1、2階模態(tài)[73]

3.3 撞擊流渦特性的POD分析

撞擊流的渦特性復(fù)雜多樣，主要受反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式（如水平對(duì)置、雙層撞擊流反應(yīng)器等）、研究工況（如Re、L/D）和物料相態(tài)（氣液、液液、氣固等）的影響。其中，張建偉等[79]首次采用POD方法對(duì)撞擊流混合器內(nèi)渦量場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，結(jié)果如圖8所示，發(fā)現(xiàn)1階模態(tài)結(jié)構(gòu)宏觀表現(xiàn)為撞擊面兩側(cè)大尺度地反向旋轉(zhuǎn)的一對(duì)渦結(jié)構(gòu)，并確定了同種動(dòng)量比下，L/D=3 時(shí)1 階模態(tài)能量占比最高，其結(jié)果如圖9所示。栗晶等[80]對(duì)氣固兩相撞擊流反應(yīng)器進(jìn)行POD 分析，發(fā)現(xiàn)顆粒的加入使原有的軸向射流中渦的流向尺度增大。

圖8 流場(chǎng)速度矢量圖[79]

圖9 不同L/D下流場(chǎng)能量的變化[79]

為進(jìn)一步探究反應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式對(duì)撞擊流反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)渦結(jié)構(gòu)的影響，張建偉等[10]對(duì)雙層撞擊流反應(yīng)器進(jìn)行研究。以上下噴嘴雷諾數(shù)之比K作為變量，在K=1 時(shí)混合效果最好，通過對(duì)稱流場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，L/D=3 時(shí)1 階模態(tài)占比最高，占總能量的23.9%，其混合效果要優(yōu)于不對(duì)稱場(chǎng)。對(duì)稱撞擊優(yōu)于不對(duì)撞擊，原因是對(duì)稱射流撞擊后形成的徑向射流速度較大，對(duì)下層噴嘴形成的徑向射流速度發(fā)展產(chǎn)生促進(jìn)，產(chǎn)生的渦旋較多，渦旋強(qiáng)度增大，提高混合效率。同時(shí)通過POD 方法對(duì)速度場(chǎng)進(jìn)行分解，從能量的角度來表征渦的消散，大尺度渦有更高的強(qiáng)度和能量，在撞擊破裂成小尺度渦后強(qiáng)度和湍動(dòng)能降低，但此時(shí)流場(chǎng)具有較高的脈動(dòng)特性。隨后，小尺度渦由于流體的黏性作用而發(fā)生耗散。

通過對(duì)不同結(jié)構(gòu)撞擊流裝置進(jìn)行模態(tài)分析可知，改變反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和噴嘴間距、進(jìn)口流量都能使1 階模態(tài)能量增大，能量占比增加[81]，提高混合效果。

4 目前研究工作進(jìn)展

對(duì)水平對(duì)置撞擊流反應(yīng)器的渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，分別得到徑向Q值（圖10）、渦量ω（圖11）。根據(jù)張建偉課題組[79]之前工作可推知，反應(yīng)器的徑向速度對(duì)分布徑向Q值、渦量分布有著較大影響，并且趨勢(shì)相同呈雙峰分度。Q值在噴嘴邊緣達(dá)到最大，因出口邊緣流體的速度與噴嘴壁面垂直，極易產(chǎn)生渦，因此呈雙峰形式。由于流體噴嘴出口壁面處的剪切力大，進(jìn)而產(chǎn)生渦強(qiáng)度較大，因此呈雙峰分布，受出口影響導(dǎo)致左峰高于右峰。Y在±30mm附近時(shí)，兩股流體在撞擊面撞擊后發(fā)生合流，再次出現(xiàn)較大強(qiáng)度的渦。圖12 為不同高度界面過中線沿X方向的分布曲線。從圖中可以看出在撞擊面兩側(cè)出現(xiàn)渦量峰值，且在Y=10mm 時(shí)渦量最大，沿Y軸向上渦量峰值逐漸減小，說明渦體的能量在持續(xù)衰落。但在Y=0mm 處出現(xiàn)大幅度衰落，因?yàn)樵撐恢脼閮晒闪黧w的射流區(qū)，兩股流體速度大，削弱了切向力，即產(chǎn)生的渦量也較小。

圖10 徑向Q值

圖11 徑向渦量

圖12 軸向渦量分布曲線

5 結(jié)語與展望

從撞擊流反應(yīng)器的混合機(jī)理入手，通過對(duì)流場(chǎng)渦特性進(jìn)行分析，總結(jié)出流場(chǎng)內(nèi)渦的生成條件、影響渦量因素、渦的脫落周期等。再結(jié)合三種不同射流形式的POD 模態(tài)分析得到了流場(chǎng)內(nèi)渦的演變規(guī)律以及對(duì)混合的影響。未來可以在以下幾個(gè)方向進(jìn)一步對(duì)撞擊流反應(yīng)器內(nèi)的渦特性進(jìn)行研究。

（1）通過優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和改變外部條件來改變反應(yīng)器內(nèi)的微觀混合效果。如采用多層、多向流撞擊和加入超聲激勵(lì)等，都更有利于流場(chǎng)小尺度渦的形成，從而引發(fā)撞擊區(qū)域劇烈湍動(dòng)，強(qiáng)化流場(chǎng)的傳質(zhì)傳熱的效率。

（2）在對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析時(shí)，可以對(duì)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)模型等進(jìn)行優(yōu)化。反應(yīng)器的網(wǎng)格質(zhì)量關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的精確度和準(zhǔn)確性，良好的網(wǎng)格質(zhì)量可以減少計(jì)算機(jī)的計(jì)算量同時(shí)具有較高的精度。在劃分網(wǎng)格時(shí)，結(jié)合大數(shù)據(jù)、智能算法等手段優(yōu)化網(wǎng)格，可以提高網(wǎng)格的精度和質(zhì)量，進(jìn)而提高計(jì)算結(jié)果的精確度，保證模擬結(jié)果的可靠性。再結(jié)合PIV、PLIF、VIV等實(shí)驗(yàn)方法來揭示流動(dòng)混合機(jī)理。

（3）對(duì)于反應(yīng)器內(nèi)的渦結(jié)構(gòu)的形成、長(zhǎng)大、消失機(jī)理的理解還不夠深刻，限制了撞擊流技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用和新型裝置的研發(fā)。對(duì)此可以嘗試通過非線性分析手段，完善撞擊流的湍流渦特性理論。

符號(hào)說明

D—— 噴嘴直徑，mm

D0—— 圓柱直徑，mm

Ds—— 弓形平板直徑，mm

Hs—— 弓形平板高度，mm

h—— 圓柱高度，mm

IOS —— 離析度

K—— 上下噴嘴雷諾數(shù)之比

L—— 噴嘴間距，mm

L0—— 行程長(zhǎng)度，mm

Ls—— 弓形平板弦長(zhǎng)，mm

Q—— 渦強(qiáng)度，s-2

Re—— 雷諾數(shù)

t—— 時(shí)間，s

Xs—— 離集指數(shù)

ω—— 渦量，s-1

Γω,max—— 量綱為1環(huán)流強(qiáng)度