循环射流混合槽内液液两相混合特性数值模拟

循环射流混合槽作为一种高效的混合装置在化工过程强化处理技术中具有潜在的工业应用前景。由于缺乏对其内多相体系流动和混合行为的研究,制约了循环射流混合反应器的优化设计与工业化应用。本文选取水和二甲基硅油两相体系,采用计算流体力学软件ANSYS FluentV16.1中Eulerian-Eulerian多相流模型和SST k-ɷ湍流模型,对两种不同加料方式下循环射流混合槽内液液两相射流中心线速度、离析强度、拉伸率等参数进行研究。研究结果表明:分散相浓度(α_(d))增大射流卷吸能耗增大,在l/s<0.4内α_(d)=1.80%和2.86%量纲为1的射流中心线速度衰减趋势与α_(d)=6.00%相比减弱51%和21%;在低分散相浓度时,量纲为1的射流中心线速度随Re的增大衰减趋势变化小,在l/s<0.24内Re=6346、9519和12692量纲为1的射流中心线速度衰减趋势与Re=3173相比分别减弱2.60%、2.87%和12.69%。离析强度随混合时间的增大而减小,随周向角度增大呈W形变化趋势。在相含率和雷诺数相同时,对称球状较圆柱状加料达到混合时间减少65.5%;不同喷嘴之间的拉伸率随迹线长度的增大而增大,jet1和jet9位置处的拉伸率与其余喷嘴相比较大;相同喷嘴之间拉伸率随Re的增大而增大,Re=6346、9519和12692的拉伸率与Re=3173相比分别提高289%~320%、418%~454%和607%~667%。

基于局域波分解的循环射流混合槽内压力脉动信号时频特性分析

为了探讨循环射流混合槽射流混合区内瞬态流动特性,在Re=3660～32940范围内利用动态数据采集系统对射流混合区内不同轴向、径向和周向位置的瞬态脉动压力进行了测量,并采用基于局域波分解的方法分析了循环射流混合槽内压力脉动信号的时频分布。研究表明:瞬态压力波动信号的波动能量分布随瞬时频率的提高明显降低;在θm=π/6和π/3时,频率集中分布在为0～0.25 Hz,而θm=π/4和θm=5π/12时,瞬时波动频率主要分布在0～6Hz和0～20Hz。低雷诺数下流体运动随机性频繁,Re=3660时存在32Hz,25Hz,7Hz和5Hz等多个频率集中分布段,而Re=18300和Re=25620时频率范围为0～8 Hz和0～3 Hz。随着测量位置z/H增加,0～1 Hz内低频能量比例先减小然后增加再减少;z/H=0.85时受到自由液面的影响,集中能量频率分布范围较其他轴向位置要广,且0～5 Hz低频能量比例减少。

循环射流混合槽内压力脉动时间序列多尺度分析

为探讨循环射流混合槽（Circulating jet tank,CJT）内瞬态压力脉动的复杂性特性,采用动态数据采集系统对射流混合区内不同轴向、径向和周向位置的压力脉动信号（Pressure fluctuation signal,PFS）进行测量。根据PFS的标准差、峰度和偏度分布,优化PFS序列最佳样本数i=110 000。基于有限统计复杂性,比较综合法、动态法和静态法等三种时间序列符号化方法,得出综合法比动态法和静态法的适应性强,并确定最佳小波分解尺度。对CJT内各尺度的PFS进行有限统计复杂性和复杂度分析,发现CJT内PFS的两种复杂性分布趋势相似。通过对PFS多尺度分析发现：随着分解尺度的增加,复杂度先急剧衰减后趋于平稳,表明CJT内PFS随机性减弱周期性增强;PFS分解得到0～0.98 Hz低频A10尺度概貌信号的复杂度趋于0,揭示CJT内动力系统为整体稳定、局部不稳定的多尺度结构。

循环射流混合槽内油-水两相流复杂动力学特性分析

采用流体力学计算软件ANSYS FLUENT V16.1中的Eulerian-Eulerian多相流模型和剪切应力输运(SST)k-ω湍流模型,对循环射流混合槽内油-水两相流的动力学特性进行研究,分析不同雷诺数Re和不同相含率对多孔射流中心线速度自相似性、涡量和剪切速率的影响。研究发现:在不同Re及分散相相含率条件下,射流方向上连续相水的流动状态满足自相似性;Re=6 346、9 519和12 692时无量纲高度z/H=0.9处的涡量与Re=3 173时相比分别增大118.3%、253.7%和373.4%;轴向、径向和周向位置处涡量等值线图揭示高涡量区域主要集中在射流孔附近,射流中心线两侧存在反向对涡,射流中心线附近涡的相对强度与中心主体混合区域相比高2个数量级;与涡量及Q准则相比,第三代涡判别法Liutex对流场中大尺度涡结构的识别基本相同,对主体混合区域细小涡结构的识别相对更加准确;剪切速率随周向位置的增大呈现先增后减的趋势,在θ=12°处随着Re从3 173增加到12 692,平均剪切速率增大86.2%~257.7%。

循环射流混合槽压力波动时间序列差异性分析

为了研究循环射流混合槽内压力波动信号的前向和后向符号时间序列的动力学特征的差异性,利用等概率原则对PFS(pressure fluctuation signals)时间序列进行符号化转换,通过修正的Shannon熵选取最佳符号集大小和子序列长度。利用子序列编码图、时间不可逆转性、秩次图和秩次距离等参数对PFS时间序列进行STSA(symbolic time series analysis)研究。研究结果表明:修正的Shannon熵最小时确定优化符号化参数为n=2和L=10。前向与后向时间序列的子序列编码分布相似但其频数不等,表明CJT(circulating jet tank)内湍流流动呈现多尺度混沌确定性特征。PFS的时间不可逆性值随着周向角的增加不断增加,随z/H的增大呈现先降低再上升最后降低的趋势,随雷诺数的增加呈现"W"型分布。时间不可逆性值与秩次距离对PFS前后向序列动力学特征的差异性判断相互吻合。

循环射流混合槽内湍流强化传热数值模拟及射流层优化

循环射流混合槽(CJT)作为一种过程强化设备可以提高湍流的混合效率及反应选择性。为进一步提高其工业应用价值,对循环射流混合槽流场的传热能力进行分析并对其射流层数进行结构优化。在恒壁温的条件下,采用SST k-ω模型分析循环射流混合槽流场区域的非稳态流动传热特性。在充分湍流状态下研究了Re=3260~16303,射流层数M=5~9对循环射流混合槽壁面对流传热特性及流场传热特性的影响。结果表明,M=9时对流换热系数的变异系数C_(h)随Re增加而减少,壁面传热均匀性提高2.8%~19.3%;流场与温度场协同性随Re增加而增加,Re=16 303时的协同角为75.5o比Re=3260时减小约0.5°。Re=9782时C_(h)随M增加而降低,壁面传热均匀性提高2.7%~16.3%;速度矢量与温度梯度协同性随M增加而减小,M=9时全局协同性相较于M=5时降低了6.1%。当M=7时中心混合区与射流混合区的场协同角均在73°~74°之间,两区域流场间热量传递能力匹配程度较好;当M<7时中心混合区的协同性优于射流混合区,当M>7时射流混合区协同性优于中心混合区。研究Re及射流层数M对循环射流混合槽热量吸收和传递性能的影响,发现Re的变化对循环射流混合槽吸热量的影响大于射流层数M的变化。