喷雾造粒塔内流动不稳定性的实验研究

冯留海， 卜亿峰， 孙中卫， 赵 凡， 毛 羽， 门卓武

(1.北京低碳清洁能源研究所， 北京 102209； 2.中国石油大学 重质油国家重点实验室， 北京 102249； 3.新奥科技发展有限公司， 河北 廊坊 065001； 4.兰州兰石能源装备工程研究院有限公司， 甘肃 兰州 730314)

以超临界烷烃为抽提溶剂进行重质油梯度分离是近年提出的重质油加工新工艺[1]，具有很好的应用前景。超临界溶剂可以选择性去除渣油中的沥青质，从而得到加工性能较好的脱沥青油和高软化点的脱油沥青，而脱油沥青在喷雾造粒塔内可实现沥青造粒和溶剂分离回收[2]，所以有必要研究喷雾造粒塔内的流动特性。

为实现气-固两相的高效分离，早期学者主要从宏观角度分析结构参数[3]和操作参数[4]对设备分离性能的影响规律。随着研究的深入，单纯对设备内时均流动特性进行研究已无法满足要求，因此很多学者开始研究瞬时流动特性[5]。对旋风分离器和造粒塔等旋流分离设备的研究发现，设备内除了整体的螺旋旋转流动外，还存在各种不稳定的摆动，呈现出一定的流动不稳定性，这会对分离性能、压降损失等产生不利影响。Gupta等[6]实验测量了喷嘴的流动过程，发现强旋流使得强制涡变得不稳定，形成随时间变化的旋进涡核，并且观察到几何结构对称的设备内也会出现不稳定流动。王甜等[7]采用热膜测速系统测量了旋风分离器内的瞬时速度场，并讨论了旋流摆动对切向速度的影响。Gao等[8]采用压力传感器测量了旋风分离器内轴向压力脉动，并根据频率变化确定了自然旋风长尾涡位置。随着测量技术的发展，采用非接触式技术具有更高的时间和空间分辨率。Nikiforaki等[9]和Galletti等[10]采用频谱分析方法实验研究了搅拌器的宏观不稳定性流动，发现雷诺数(Re)对宏观流动不稳定性影响较大。近年来，采用实验和数值模拟相结合的方法多角度研究设备内的流动特性成为研究的趋势。Derksen等[11-12]和吴小林等[13-14]使用数值模拟得到的旋风分离器内速度分布和旋进涡核摆动的峰值频率与实验结果吻合较好。Lebarbier等[15-16]利用实验和数值模拟研究了不同旋流数下轴流喷雾干燥器内的流动特性，采用快速傅里叶变换技术(Fast Fourier Transformation， FFT)研究了速度主频，考察了叶片角度对流动稳定性的影响。虽然前人对设备内流场摆动特性进行了研究，但是大多局限在单点研究，并未对全部流场进行系统分析。喷雾造粒塔内为稀相气-固两相流动过程(沥青相固含率小于1%)，且絮状颗粒的堆积密度较低(堆积密度大概为120 kg/m3)，说明固体颗粒具有较好的跟随性，所以本研究重点在于喷雾造粒塔内的单相流动过程。笔者拟采用激光多普勒测速仪(PDPA)测量喷雾造粒塔内单相空气的瞬时速度分布，再根据傅里叶变换处理瞬时速度获得设备内的频率分布和摆动特性，以期提高对喷雾造粒塔内瞬时流动规律的认识。

1 喷雾造粒塔速度场实验装置和测量方法

喷雾造粒塔速度场实验测量流程如图1所示。压缩机向稳压罐内注入压缩空气，通过转子流量计后进入发烟器内，与示踪粒子均匀混合后，以一定角度和速度从阵列喷嘴射入喷雾造粒塔内。流体介质在喷雾造粒塔外侧形成向下的射流旋转流场，在底部壁面的约束下反转上行并从顶部排气管排出。实验时，压力表测量稳压罐及喷嘴入口压力，浮子流量计测量气体风量。

图1 喷雾造粒塔流场测量流程图和装置照片Fig.1 Schematic and picture of experiment set-up for measurement of flow field in a spray granulation tower (a) Schematic of experiment set-up; (b) Picture of test equipment 1—Compressor; 2—Rotameter; 3—Tracer particle generator; 4—Spray granulation tower; 5—Laser emitter/detector; 6—3D traverse system; 7—Computer

喷雾造粒塔结构及测量位置分布如图2所示，筒体高度和内径分别为500 mm和200 mm，筒体下端与高度为208 mm的锥体相连，锥体底部密封。喷雾造粒塔的核心部件是距离顶盖下方90 mm处的阵列喷嘴，4个内径d=4 mm的喷嘴均布在直径为96 mm的圆周上。实验过程中可以通过旋转喷嘴来控制射流方向，选择的喷嘴角度α=45°。设阵列喷嘴所在平面为水平面(z=0 mm)，沿轴向向下布置5个测量位置，各测量位置沿径向到壁面等间距布置33个测点，即相邻两测点间距为3 mm。PDPA理论上不需要进行校正，并具有很好的测量精度[17]。王江云等[18]验证了卫生香具有较好的跟随性，所以在本研究中也选择卫生香作为示踪粒子。测量时每个测点取5000个样本，且保证数据有效性在70%以上。

图2 喷雾造粒塔示意图和测量点布置Fig.2 Physical model and the location of measurement points for a spray granulation tower

PDPA记录的是测点的瞬时速度，对其进行相应的处理，可以得到各测点的统计结果。对测点的数据进行加和平均可以得到平均值，其公式见式(1)。

(1)

同时，还可以根据速度场求得均方根和湍流度，其公式见式(2)和式(3)。

(2)

(3)

2 结果与讨论

前人通过喷雾造粒塔内时均速度分布发现流场存在明显的分区特性[19]，上部区域流动复杂、规律性较差，所以笔者重点分析下部流动规律性较好区域的瞬时不稳定流动过程。

2.1 喷雾造粒塔内瞬时速度分布

图3为入口流量Q=6.0 m3/h时z=-300 mm截面沿径向瞬时切向速度波动变化规律。从图3可以看出，瞬时速度在时均速度附近波动，不同位置处瞬时切向速度波动都比较大，说明喷雾造粒塔内的气相流动处于高度脉动变化状态。中心区瞬时切向速度的波动范围约为1.5 m/s，而外侧区域的波动范围约为1.0 m/s。

图4为入口流量Q=6.0 m3/h时z=-300 mm截面沿径向瞬时轴向速度波动变化规律。从图4可以看出，瞬时轴向速度与瞬时切向速度波动规律类似，都随时间作较大的振荡波动，进一步说明了喷雾造粒塔内气相流动为高度湍动变化状态，且各位置的波动范围约为1.0 m/s。

2.2 喷雾造粒塔内均方根和湍流度分布

图5为不同入口流量下各纵截面的切向均方根和切向湍流度分布趋势。从图5(a)可以看出，切向均方根数值在壁面附近比较大，这是由于流体受壁面的阻碍作用导致在壁面附近速度变化比较剧烈，说明壁面附近存在较大的速度梯度，产生了较强的湍流。因为喷雾造粒塔内为弱旋流动，速度的脉动变化不是很剧烈，从而导致其他区域的切向均方根数值都比较小，所以切向湍流度能更直观地描述流场的湍流状态。从图5(b)可以看出，切向湍流度在不同位置的分布趋势基本相似，沿径向都呈先减小后增加的“W”型分布趋势。由于中心区流体摆动使得流动比较紊乱，导致切向湍流度较大，而湍流度的强弱表明摆动的剧烈程度。由于壁面附近的切向均方根较大，而平均切向速度值较小，所以切向湍流度在壁面附近较高。对比不同入口流量下的切向均方根和切向湍流度发现，其分布规律基本一致，且量值上也基本相同，说明流量的改变对分布趋势的影响较小。

图3 不同径向位置瞬时切向速度(vt)随时间的波动关系Fig.3 Variation of instantaneous tangential velocity (vt) along with time in different radial positions Q=6.0 m3/h； z=-300 mm r/R: (a) 0; (b) 0.2; (c) 0.3; (d) 0.5; (e) 0.6; (f) 0.8

图6为不同入口流量下各纵截面的轴向均方根和轴向湍流度分布趋势。从图6(a)可以看出，轴向均方根的分布趋势比较平缓，仅在壁面附近有较明显的波动，说明在壁面附近存在较大的速度梯度，与切向均方根结果相印证，但是整体而言各处的波动并无明显变化。从图6(b)可以看出，轴向湍流度的变化非常复杂，这是由于在中心区和壁面附近轴向速度较小，且喷雾造粒塔内的上、下行流流动过程使得分界面附近的轴向速度较小，从而导致轴向湍流度在上、下行流的分界面附近变化明显。

2.3 喷雾造粒塔内流动不稳定性分析

借助Matlab软件编译傅里叶变换算法，可以获得不同位置瞬时速度信号对应的频率和幅值等信息。图7为瞬时切向速度变换得到的频谱图。从图7可以看出，每个测点位置都存在一个明显的主频，除此之外也有许多次频和幅值很低的高频。由主频可以看出，喷雾造粒塔内存在较稳定的周期性摆动；存在多个次频说明流场是由多个频率的速度波动叠加组成的混合流动过程；幅值很低的高频信号反映了湍流的随机特征。从频谱图可以看出喷雾造粒塔内流动的复杂性。由于脉动速度反映了气相的湍流变化，具有一定的随机性，且是无规则的高频振荡，所以理应存在的是连续波谱，而不应该存在一个集中分布的频率。因此这个集中分布的频率是喷雾造粒塔内大尺度摆动引起的。

图4 不同径向位置瞬时轴向速度(va)随时间的波动关系Fig.4 Variation of instantaneous axial velocity (va) along with time in different radial positions Q=6.0 m3/h; z=-300 mm r/R: (a) 0; (b) 0.2; (c) 0.3; (d) 0.5; (e) 0.6; (f) 0.8

图8为z=-300 mm截面瞬时速度对应的频率沿径向分布。从图8可以看出，各测点瞬时切向速度和轴向速度经傅里叶变换得到的主频基本一致。以r/R=0.2为界存在两组不同频率的摆动，其中中心区主频大概为7.6 Hz，外侧区域主频大概为8.6 Hz。由于中心切向速度较小，中心下行流受环形上行流的黏性力剪切作用较低，从而使得内部旋流速度滞后于外侧旋流，最终导致喷雾造粒塔内出现两个主频，对比发现，频率与上、下行流分界面吻合较好[5]。

图5 不同流量下纵截面切向均方根(σt)和 切向湍流度(δt)分布Fig.5 Profiles of tangential RMS (σt) and tangential turbulence intensity (δt) under different flow Q1=6.0 m3/h; Q2=3.0 m3/h (a) Tangential RMS (σt); (b) Tangential turbulence intensity (δt)

图6 不同流量下纵截面轴向均方根(σa)和 轴向湍流度(δa)分布Fig.6 Profiles of axial RMS (σa) and axial turbulence intensity (δa) under different flow Q1=6.0 m3/h; Q2=3.0 m3/h (a) Axial RMS (σa); (b) Axial turbulence intensity (δa)

图7 不同径向位置瞬时切向速度频谱图Fig.7 Spectrum of instantaneous tangential velocity in different radial positions Q=6.0 m3/h; z=-300 mm r/R: (a) 0; (b) 0.2; (c) 0.3; (d) 0.5; (e) 0.6; (f) 0.8

图8 不同径向位置瞬时切向和轴向速度对应的频率分布Fig.8 Frequency of instantaneous tangential and axial velocity in different radial positions Q=6.0 m3/h; z=-300 mm

3 结 论

(1)非接触式测量技术具有更高的时空分辨率，具有更好的解析复杂流场的流动特性。喷雾造粒塔内瞬时速度随时间波动较大，体现了射流旋转流场流动不稳定。喷雾造粒塔内切向和轴向湍流度在边壁附近强度高于中心区域，说明边壁附近瞬时速度的湍流脉动强烈。

(2)瞬时速度频谱图基本都是由一个明显主频、多个次频和低幅高频组成，说明设备内流场是由一个较强摆动、多个波动和湍流脉动叠加的流场，反映了喷雾造粒塔内流动的复杂性。

(3)对于流场内确定的点，其瞬时切向和轴向速度所对应的主频基本相同，并且由于黏性切应力的作用使得内部旋流速度滞后于外侧旋流速度，从而造成以r/R=0.2为界，中心区主频低于外侧区域。

符号说明：

N——测量采样数；

Q——入口流量，m3/h；

r——沿半径方向的位置，mm;

R——筒体的半径，mm；

t——时间，s；

vi——瞬时速度，m/s；

x、y、z——笛卡尔坐标系，mm；

Ф——直径，mm；

α——喷射角度，°；

δ——湍流度；

σ——速度均方根，m/s；

下标

a——轴向；

i——i方向；

t——切向。

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