擾流型噴槍頂吹管內(nèi)特殊兩相流流型實(shí)驗(yàn)

熊靚，王華，王仕博，楊濮亦，劉泛函

（昆明理工大學(xué)省部共建復(fù)雜有色金屬資源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650093）

擾流型噴槍頂吹管內(nèi)特殊兩相流流型實(shí)驗(yàn)

熊靚，王華，王仕博，楊濮亦，劉泛函

（昆明理工大學(xué)省部共建復(fù)雜有色金屬資源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650093）

主要對自主設(shè)計(jì)的漸縮管、漸擴(kuò)漸縮管、螺旋管和四孔管進(jìn)行水-空氣兩相流混合頂吹實(shí)驗(yàn)，并得出了擾流型噴管的管內(nèi)流型變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)通過對可視化特殊噴管內(nèi)的氣液兩相進(jìn)行高速拍攝，并調(diào)節(jié)水與空氣兩相各自的體積流量，獲取不同噴管中出現(xiàn)的特殊流型照片及視頻。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在表觀氣速和表觀液速變化時(shí)，除漸縮管外，其他特殊噴管的流型轉(zhuǎn)變均有一定規(guī)律性；漸擴(kuò)漸縮管內(nèi)截面半徑變化較大，易產(chǎn)生環(huán)狀-攪拌流，并有典型泡狀流出現(xiàn)，螺旋管由于軸向環(huán)流速度的影響，會(huì)產(chǎn)生大密度泡狀流并逐漸過渡到有旋流趨勢的環(huán)狀流型，特殊結(jié)構(gòu)的四孔管中流型較穩(wěn)定，短暫出現(xiàn)泡狀流、彈狀流后形成穩(wěn)定環(huán)狀流。四孔管的設(shè)計(jì)最利于冶金熔爐中柴油-氮?dú)饣旌蟽上嗔鲊姶?，形成的氣泡群中單個(gè)氣泡直徑較小，柴油被充分細(xì)化打散，渣層中的還原反應(yīng)更充分，能有效提高柴油對渣層中磁性鐵的還原率。

頂吹；擾流型噴槍；兩相流；混合；流型

Key words:top-blowing；turbulent-spray gun；two-phase flow；mixing；flow pattern

在先進(jìn)艾薩熔煉體系中，貧化電爐進(jìn)一步分離銅锍和艾薩渣，使冰銅更多地從磁性鐵中精煉出來。隨著有色冶金行業(yè)中對提高能效的要求越來越高，對冶煉工藝的要求也越來越高。電爐噴槍是貧化電爐熔煉體系中的一個(gè)核心工藝，其主要功能是將氮?dú)夂腿加洼斔腿肴廴谠鼘訁⑴c反應(yīng)，從而完成爐渣與冰銅的澄清分離[1]。噴槍中兩相流混合的程度，以及兩相流噴出后對渣層的攪拌效果，能直接影響熔煉效率。兩相流動(dòng)介質(zhì)的相界面分布情況[2]，即流型，影響著氣液兩相流的流動(dòng)特性以及兩相流系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性[3-5]，對氣液兩相流流型識(shí)別的各類研究包括流型識(shí)別模擬[6]、格子Boltzmann方法計(jì)算[7]、通過算法計(jì)算流型轉(zhuǎn)變準(zhǔn)則[8]等不僅是兩相流參數(shù)測量的一大研究方向，也是工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的一個(gè)重要技術(shù)參數(shù)。近年來，除多通道兩相流研究、低重力水平管兩相流流型識(shí)別、兩相流熱通量和傳熱傳質(zhì)通量系數(shù)以及兩相流霧化可視化識(shí)別流型的研究外[9-12]，微通道內(nèi)的兩相流研究較多，也包括矩形窄縫通道內(nèi)的間隙寬度的改變對氣液雙向逆流流型變化影響[13]以及微通道內(nèi)兩相流流型、應(yīng)用、傳質(zhì)類綜述[14-15]等。

國內(nèi)外有越來越多的研究傾向于優(yōu)化噴槍和改進(jìn)噴槍噴嘴結(jié)構(gòu)，以期達(dá)到節(jié)約能耗的目的。從生產(chǎn)的角度出發(fā)，采用氧煤噴槍、旋流式氧煤噴槍以及高爐噴槍斜切[16-18]都有一定的節(jié)能效果；從研究的角度出發(fā)，T形結(jié)構(gòu)通道內(nèi)的環(huán)狀流兩相分離著重研究了表觀速度和表面張力對采出分率的影響[19-20]，基于傳熱及流動(dòng)特性優(yōu)化直立式埋入噴槍內(nèi)部結(jié)構(gòu)[22]，多組元噴射器的結(jié)構(gòu)性能、實(shí)驗(yàn)及模擬研究[22-24]，錐形、螺旋形水力噴射器以及特殊阻力噴頭設(shè)計(jì)對兩相流的影響[25-28]。

這些研究中大部分以機(jī)理和特性實(shí)驗(yàn)研究為主，結(jié)合噴槍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的論文相對較少。為了進(jìn)一步研究兩相流噴槍結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，本文結(jié)合噴槍設(shè)計(jì)以及流型識(shí)別，對各類特殊噴槍的兩相流頂吹實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，以便深入了解噴槍結(jié)構(gòu)的改變對液體攪拌的影響。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與條件

實(shí)驗(yàn)用頂吹噴管為Y形高透光有機(jī)玻璃管，內(nèi)徑3.5mm，外徑5mm，主管與支管夾角為45°，通過試管架懸掛放置。特殊噴槍為玻璃制品，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要分別設(shè)計(jì)了漸縮管、漸擴(kuò)漸縮管、螺旋管和四孔管，如圖1所示。通過軟膠皮管連接到Y(jié)形玻璃管上形成完整的特殊頂吹噴槍，噴管連接方式如圖2所示。

圖1 特殊噴槍

圖2 噴管連接

實(shí)驗(yàn)主體為多相流流動(dòng)-傳熱耦合模擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的小型水模型，采用8mm厚高透光有機(jī)玻璃制成，尺寸為60cm×40cm×30cm，噴槍垂直懸掛在水模型正上方。實(shí)驗(yàn)用氣泵為HAILEA系列ACO-208型電磁式空氣壓縮泵，水泵為ATMAN系列At-203型潛水泵，流量計(jì)為LZB-3型玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)，為保證拍攝時(shí)水模型內(nèi)光源均勻，水模型后壁外側(cè)張貼白紙，采用功率1300W的新聞燈進(jìn)行照明補(bǔ)償，并使用德國PCO.dimax高速攝像機(jī)記錄氣泡群噴吹瞬時(shí)照片及短周期運(yùn)動(dòng)視頻，最大分辨率為1920×1080像素，最大幀頻為10000幀/s，且1080×1000像素下攝像速度為4502幀/s，快門時(shí)間最短1.5μs，佳能5DMarkⅢ數(shù)碼單反相機(jī)同步拍攝氣泡更長時(shí)間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并記錄特殊現(xiàn)象。環(huán)境溫度穩(wěn)定在(20±2)℃，實(shí)驗(yàn)在環(huán)境大氣壓下進(jìn)行。

1.2 實(shí)驗(yàn)與測量方法

特殊噴管頂吹兩相流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布置如圖3所示。氣相支路通過電磁空氣壓縮泵直接抽取，流經(jīng)控制閥、氣體流量計(jì)、止回閥后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)噴槍，單相止回閥能防止液體回流入氣路內(nèi)損壞流量計(jì)和氣泵。液路中，采用單循環(huán)設(shè)計(jì)，儲(chǔ)水罐提供液路循環(huán)液相，罐體上方開口以處于環(huán)境大氣壓，液體流經(jīng)控制閥、液泵、液體流量計(jì)、止回閥后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)用水模型槽內(nèi)，水模型側(cè)下方開口，回流液體經(jīng)單向止回閥、液體流量計(jì)、控制閥后循環(huán)進(jìn)入儲(chǔ)水罐，通過液體流量計(jì)和控制閥雙向作用，保持進(jìn)出液體流量平衡，從而保持水模型中實(shí)驗(yàn)水位基本不變。實(shí)驗(yàn)中所使用到的流量計(jì)均為體積流量計(jì)，實(shí)驗(yàn)后處理時(shí)根據(jù)噴管內(nèi)徑截面換算成所需的表觀氣速νG及表觀液速νL。高速攝像儀拍攝時(shí)分辨率為816×600像素，快門時(shí)間設(shè)置為1ms，正面拍攝水模型內(nèi)兩相流動(dòng)狀況；數(shù)碼單反相機(jī)快門時(shí)間設(shè)置為0.5ms，最高分辨率為5760×3840像素，主要拍攝實(shí)驗(yàn)臺(tái)整體布置、特殊噴管及特殊兩相流流動(dòng)現(xiàn)象。

2 頂吹兩相流動(dòng)典型流型

圖3 氣液兩相頂吹實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

在表觀液速νL為1m/s和2m/s時(shí)，漸擴(kuò)漸縮管、螺旋管、四孔管這3種特殊噴管分別有各自的典型代表流型。漸擴(kuò)漸縮管主要有環(huán)狀-攪拌流和泡狀流兩種流型出現(xiàn)；螺旋管出現(xiàn)了密度較大的泡狀流過度到彈狀流直至環(huán)狀流的完整流型過度，在此基礎(chǔ)上各流型均有旋流的趨勢；四孔管由于側(cè)面開孔的特殊結(jié)構(gòu)，氣液兩相流噴出時(shí)的垂直攪拌深度不大，氣泡群主要往水平四周運(yùn)動(dòng)，管內(nèi)流型由泡狀流依次過度到環(huán)狀流。由于漸縮管入口內(nèi)徑為3.5mm，出口內(nèi)徑接近1mm，在低氣速且表觀液速νL為0.5m/s時(shí)，由于管口毛細(xì)作用，在液相完全充斥管內(nèi)并達(dá)到一定高度的液柱形成出口壓力前，無法從漸縮管口噴出，且從漸縮管嘴噴出時(shí)會(huì)迅速形成多個(gè)直徑較大的氣泡，隨后氣泡上升，至液面處破裂時(shí)對液面的擾動(dòng)程度也相當(dāng)劇烈，形成具有一定時(shí)間周期的兩相流現(xiàn)象，且隨著νL和νG的改變，管內(nèi)流型無太大變化。

2.1 漸擴(kuò)漸縮管

由于設(shè)計(jì)管段特殊結(jié)構(gòu)，氣液混合兩相流從上端進(jìn)入管段后管徑迅速擴(kuò)大，兩相流直接沖擊第一漸擴(kuò)段下端，形成漏斗形液面，并在管橫截面上出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)趨勢。當(dāng)表觀液速νL為1m/s時(shí)，代表流型為環(huán)狀-攪拌流，為包裹著管內(nèi)壁的環(huán)狀流，并在漸擴(kuò)段至漸縮段處有輕微的攪拌流出現(xiàn)，表觀液速不變的情況下，表觀氣速由0.2m/s變化到1m/s時(shí)，出口前漸擴(kuò)段從有氣泡析出直至較飽滿的環(huán)狀流出現(xiàn)，如圖4(a)所示。

當(dāng)表觀液速為2m/s時(shí)，代表流型為典型的泡狀流型，且在低氣速時(shí)，泡狀流大多聚集在漸擴(kuò)段下端，隨著表觀氣速的增加，泡狀流的密度增加至充滿整個(gè)管腔，如圖4(b)所示。

2.2 螺旋管

在垂直下降管的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出螺旋結(jié)構(gòu)，使氣液混合兩相流從上端進(jìn)入管段后具有軸向環(huán)流速度，流型的出現(xiàn)規(guī)律與垂直下降管流型[30]類似。當(dāng)表觀液速νL為1m/s時(shí)，代表流型表現(xiàn)為大密度的泡狀流，而隨著表觀氣速的增加，圖5(a)表明在噴管出口處，小氣泡逐漸合并成大的彈狀氣泡繼而形成大密度彈狀流。

在表觀液速較大時(shí)，管內(nèi)主要以環(huán)狀流流型出現(xiàn)，由于液相體積分?jǐn)?shù)較大，雖有彈狀氣泡出現(xiàn)，但氣泡形態(tài)均較細(xì)長，且在出口直管處能明顯看到由軸向環(huán)流速度帶來的旋轉(zhuǎn)環(huán)狀流現(xiàn)象[圖5(b)]，同時(shí)由數(shù)碼單反相機(jī)記錄到的視頻中顯示，從螺旋噴管噴出的兩相流氣泡群呈旋轉(zhuǎn)向下運(yùn)動(dòng)趨勢。

圖4 表觀氣速（νG）變化時(shí)漸擴(kuò)漸縮管內(nèi)流型

2.3 四孔管

四孔管結(jié)構(gòu)是出于冶金行業(yè)熔煉需求設(shè)計(jì)，從噴管噴出的兩相流氣泡群具有較大的橫向攪拌半徑，同時(shí)縱向攪拌深度較小，以便滿足冶金行業(yè)渣層充分?jǐn)噭?dòng)但不影響下層沉降金屬的要求。

四孔管在垂直下降管基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)成下方封口，側(cè)面開孔，氣液兩相流在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的垂直速度突變成管孔處的水平速度，具有一定的動(dòng)力特性，形成橫向攪拌氣泡群。在表觀液速νL為1m/s時(shí)，管內(nèi)流型為穩(wěn)定環(huán)狀流，基本不隨表觀氣速的變化而變化。而當(dāng)表觀氣速為2m/s時(shí)，管內(nèi)規(guī)律出現(xiàn)泡狀流、彈狀流、環(huán)狀流（圖6）。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 流型轉(zhuǎn)變

通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及照片，在水-空氣兩相流動(dòng)條件下，繪制不同的結(jié)構(gòu)噴管內(nèi)的流型轉(zhuǎn)變圖。圖7所示為漸擴(kuò)漸縮管流行轉(zhuǎn)變圖，管內(nèi)流型以泡狀流和環(huán)狀流為主，中間彈狀流和攪拌流極少出現(xiàn)，與垂直下降管流型轉(zhuǎn)變有明顯區(qū)別。

圖5 表觀氣速（νG）變化時(shí)螺旋管內(nèi)流型

圖6 表觀氣速（νG）變化時(shí)四孔管內(nèi)流型

圖7 漸擴(kuò)漸縮管流型轉(zhuǎn)變圖

圖8 螺旋管流型轉(zhuǎn)變圖

螺旋管與垂直下降管流型變化基本相似，如圖8所示。螺旋管內(nèi)形成的高密度泡狀流中單個(gè)氣泡形態(tài)較大，比較接近彈狀流。攪拌流過渡層較寬，這是由于螺旋管的軸向環(huán)流速度導(dǎo)致兩相流旋轉(zhuǎn)趨勢，從而形成不太穩(wěn)定的環(huán)狀流伴隨攪拌流出現(xiàn)。

四孔管底部封閉，側(cè)面底部均勻開四孔，流型基本上相對穩(wěn)定，在低液速時(shí)以環(huán)狀流為主，較高液速下泡狀流和彈狀流依次出現(xiàn)，但隨著表觀氣速的上升會(huì)很快過度到環(huán)狀流，如圖9所示，管內(nèi)基本不出現(xiàn)攪拌流，且兩相流頂吹時(shí)四孔管底端晃動(dòng)幅度很小。

圖9 四孔管流型轉(zhuǎn)變圖

3.2 特殊噴管管外氣泡群形態(tài)

不同形式的擾流型噴槍不僅在管內(nèi)流型上有很大不同，而且兩相流噴出管外后的氣泡群形態(tài)也有很大差異。漸擴(kuò)漸縮管由于管內(nèi)截面半徑的變化影響，管口氣泡群大多為梨形形狀，氣泡大頭朝上，且大小分布不均；螺旋管兩相流氣泡群俯視狀態(tài)下呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，其中大氣泡為扁平形氣泡，小氣泡多為圓形；四孔管管外氣泡群形態(tài)十分特殊，從四方側(cè)孔線性噴出，垂直于噴管向水平方向噴射，在水平動(dòng)力速度和浮力作用下弧線上升，如圖10所示，且噴管出口處單個(gè)氣泡直徑較小，在上升過程中有氣泡合并生長趨勢；漸縮管管口過細(xì)，單個(gè)氣泡生長到一定體積后才能脫離管口上浮，管外氣泡群多為大氣泡。

對于冶金行業(yè)實(shí)際生產(chǎn)理論上來說，四孔管的設(shè)計(jì)最利于冶金熔爐中柴油-氮?dú)饣旌蟽上嗔鲊姶等朐鼘?，且形成的氣泡群中單個(gè)氣泡直徑較小，柴油被充分細(xì)化打散，十分利于渣層中的還原反應(yīng)進(jìn)行，能有效提高柴油對渣中磁性鐵的還原率。

圖10 擾流型噴管管內(nèi)兩相流型與管外氣泡群對比

4 結(jié) 論

針對設(shè)計(jì)出的漸縮管、漸擴(kuò)漸縮管、螺旋管和四孔管這4種不同結(jié)構(gòu)特殊噴槍，經(jīng)過大量的兩相流混合頂吹實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，在兩相流頂吹過程中，不同結(jié)構(gòu)噴管內(nèi)的流型轉(zhuǎn)變有著各自的轉(zhuǎn)變規(guī)律，具體結(jié)論如下所述。

（1）由于漸縮管出口管徑過小，液相堆積形成一定高度液柱后，與氣相一同從管口噴出，并伴隨著較大氣泡的產(chǎn)生，管內(nèi)無典型流型出現(xiàn)。

（2）漸擴(kuò)漸縮管結(jié)構(gòu)特殊，混合頂吹兩相流在第一漸擴(kuò)管段截面半徑突變，易形成對下部漸縮段的水力沖擊，出現(xiàn)漏斗形環(huán)狀流，管內(nèi)流型多以環(huán)狀-攪拌流和典型泡狀流為主。

（3）氣液兩相流流經(jīng)螺旋管時(shí)具有軸向環(huán)流速度，管內(nèi)流型由高密度泡狀流過度到彈狀流時(shí)且管內(nèi)易形成具有旋流趨勢的環(huán)狀流。

（4）底端封閉的四孔管，氣液兩相混合后只能從側(cè)面底孔中噴出，低液速時(shí)管內(nèi)以典型環(huán)狀流為主，隨著表觀液速的提高，管內(nèi)短暫出現(xiàn)泡狀流和彈狀流后形成穩(wěn)定的環(huán)狀流。

（5）根據(jù)擾流型噴管管外氣泡群形態(tài)及運(yùn)動(dòng)軌跡特征，細(xì)密度的氣泡群呈弧線上升，四孔管的設(shè)計(jì)從理論上較利于冶金生產(chǎn)熔池中燃油燃燒效率的提高。

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Experiment study on the top-blowing special two-phase flow patterns in the pipe of turbulent-spray gun

XIONG Liang，WANG Hua，WANG Shibo，YANG Puyi，LIU Fanhan
（State Key Laboratory of Complex Nonferrous Metal Resources Clean Utilization，Kunming 650093，Yunnan，China）

This paper focused on the design of tapered tube，converging diverging tube，spiral tube and the four-hole tube for gas-liquid two-phase flow mixing top-blowing experiments. The variations of flow patterns in the pipe of turbulent-spray gun were obtained. The experiment investigated the high-speed photography through the two-phase mixture of gas-liquid in the visualized special nozzle，the adjustment of volume flow in each phase，and visualization of the special flow patterns in different nozzles. The experimental results showed that the following:the flow pattern transition changed regularly with the changes in superficial gas velocity and superficial liquid velocity in all tubes except for the tapered tube；With the great change in section radius in the converging diverging tube，annular-churn flow could be easily produced，and typical bubble flow could also exist；under the influences of the axial velocity，spiral tube could have a high density of bubble flow pattern and annular flow and slug flow for a short period of time，and then form steady annular flow；the design of four-hole pipe was beneficial to two-phase flow of diesel-nitrogen mixture in metallurgical furnaces，the single bubble formed in this type of tube was smaller in diameter，resulting sufficiently scattered diesel fuel，the reduction reaction of slag layer was therefore more efficient with higher，reaction rate of magnetic iron in diesel.

O 359+.1

A

1000-6613（2014）09-2309-06

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.09.013

2014-03-12；修改稿日期：2014-04-17。

云南省自然科學(xué)基金（2013FB020、KKSY201258156）及校企聯(lián)合基金（KKK0201352027）項(xiàng)目。

熊靚（1988—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)槎嘞嗔鱾鳠醾髻|(zhì)。E-mail echo.xiongliang@163.com。聯(lián)系人：王仕博，講師，主要從事冶金過程模擬研究。E-mail 462736327@qq.com。