双组分层撞击流反应器流场能量研究及混合特性分析

作     者：马繁荣 

作者单位：沈阳化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张建伟

授予年度：2019年

学科分类：080706[工学-化工过程机械] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：双组分层撞击流 本征模态 涡旋强度 流场能量 混合速率 

摘      要：撞击流反应器的流场特性研究是湍流基础理论研究的重点之一,内部流场区域流动特征及混合特性的研究,有助于人们对撞击流的进一步认识并对其工程应用至关重要。论文针对传统单层撞击流反应器仅能实现物料单次撞击的问题,设计建造了双组分层撞击流反应器测试平台,采用二维高速粒子图像测速（TR-PIV）技术和平面激光诱导荧光（PLIF）技术,对双组分层撞击流反应器内喷嘴射流工况相同的对称撞击到喷嘴射流工况不同的不对称撞击情况下的流场能量分布及混合特性进行了研究,得出不同工况参数对流场能量及混合时间的影响,同时对比结合得出流场能量与混合速率之间的联系。全文主要工作如下:实验采用TR-PIV和PLIF技术测量了反应器内的流速场和浓度场,从而得到了反应器内的瞬时速度场、时均速度场、能量场及混合特征,利用POD分析方法对二维瞬态速度场时间序列进行了分解重构,提取出流场含能大尺度结构,得出了流场主要能量集中在一阶模态,从而以第一阶模态能量为衡量标准对对称及不对称流场的能量分布规律进行了分析。对称撞击下,固定上下层喷嘴操作参数同时等量变化,考察单一变量Re、喷嘴直径或喷嘴间距对流场能量分布的影响,得出流场一阶模态能量随Re的增大而增大,而随喷嘴直径和喷嘴间距的增大呈先增大后减小的趋势,并且混合行为与其一致。在初步认识流场能量的基础上,通过变化喷嘴直径,控制雷诺数及喷嘴间距来改变两层流体轴向及径向撞击驻点位置的变化,以此进一步考察流场（不对称）驻点（上下层轴向撞击驻点、径向撞击驻点）的偏移对整体流场能量及混合影响。结果表明:不对称流场能量总是大于对称流场,而均匀混合速率却低于对称流场。对于能量,同喷嘴直径时,上下及左右不同射流雷诺数下,不对称流场能量恒大于对称流场,喷嘴直径d=10mm为最佳工况,驻点同侧的流场能量小于驻点交叉;不同间距下,流场能量随喷嘴射流雷诺数增大而增大,而随喷嘴间距增大而减小;不同喷嘴直径时,流场能量随径比K增大而增大。对于混合,在同直径左右不同射流雷诺数下,下层示踪剂（驻点）偏左（充分发展）能够促进流场混合;不同直径时,流场驻点交叉混合时间高于驻点同侧且同种撞击方式下K1混合快于K2。因此射流的这种不对称有利于提高流场能量,示踪剂的初期发展有利于流场混合。