1 前言

撞击流(impinging streams，简称IS)概念于1961年由白俄罗斯的科学家Elperin提出^[1]，是一种新颖的科学技术方法，在干燥^[2]、气化^[3]、混合^[4]、吸收^[5]、萃取^[6]等方面具有独特的优点和应用潜力。到20世纪90年代，撞击流研究方向已转移到以液体连续相撞击流为主导。研究表明，作为一种新型高效的反应、混合设备，具有促进微观混合和强化相间传递的特点^[7~10]。现阶段国内外以非线性理论为基础，同时采用粒子图像测速技术(PIV)^[11]、激光多普勒测速技术(LDV或PDA)和计算流体力学(CFD)模拟技术相互验证，系统地研究了湍动撞击流的流场情况，其中Lumley等^[12]提出的本征正交分解方法(POD)，由于其降阶及特征提取特性，可以精准地描述和分析流场特性。如陈靖等^[13]用POD技术对射流火焰流场进行分解与重构，发现前五阶模态占有总能量的60%左右，且中心射流区域集中了各尺度的湍流相干结构。Henry等^[14]在湍动的撞击射流中，采用PIV提取有用的统计信息，并辅以热线风速仪(HWA)测量，利用POD技术，采取新的分形网格用于流动，提取流场的湍流特性，包括尺度和能量信息。对于流场不对称的研究，孙志刚等^[15]利用HWA对大喷嘴间距下两不对称喷嘴撞击形成的轴向速度分布和撞击驻点偏移规律进行了分析，轴向撞击驻点受两喷嘴动量比的控制，动量比为1时，两股射流关于撞击面对称；两喷嘴出口动量差别越大，撞击驻点偏离中心距离越远，并分析拟合得到大喷嘴间距下驻点偏移的公式。Wang等^[16]研究了层流下喷嘴内径之比分别2:1和3:1的平面喷嘴撞击流的混合，撞击流混合指数随喷嘴宽度之比的递增而降低。李伟锋等^{[17, 18]}采用数值模拟、热线测量和流场显示等技术，对中、小喷嘴间距撞击流进行了全面、系统的分析，并对驻点偏移规律做了深入探索。许建良等^[19]研究了大喷嘴间距下，喷嘴直径相同的撞击流流场以及驻点的偏移规律。现阶段，采用POD分析比较不对称撞击流场特征，及进一步探讨喷嘴不对称对流场能量影响的研究还较少。

目前，多组分层撞击流反应釜适用于多种不同物料同时反应(混合)的过程，反应器内的物料反应和混合过程可同步进行，避免了同类设备反应前的物料混合操作，加快了产率。本文对双组分层水平浸没不对称撞击流场进行了研究，利用POD方法对流场的TR-PIV^[20]测量结果进行后处理^[21]，即从能量的角度对速度场进行研究，识别流场中含有最大能量的模态，分析了喷嘴在不对称撞击下流场内部能量的变化规律及流动特征。所得研究成果，不仅可用于指导不对称撞击流装置的设计，而且可为立式多组分层撞击流反应釜由于出现工艺设备精度不够、工人操作不当或左右工况不同导致内部形成不对称流场时，通过改变工况使得在不对称撞击下获得较高产率和较好品质提供指导。

2 实验 2.1 实验装置

实验由测试系统和撞击流反应器两部分组成，系统如图 1所示。反应器由有机玻璃制成，内径130 mm，高度500 mm，上设溢流口，下设排水口，四个水平对置喷嘴安装在反应器竖直方向偏上位置，结构如图 2所示。为防止频率不同的激光穿透玻璃壁面发生折射而影响测量精度，在反应器测量区域外部加上与筒体等高的方形夹套，测量时夹套内注满清水。

示踪剂采用空心玻璃珠—聚苯乙烯，密度为1.05~1.15 g·cm^-3，粒径为10~15 µm，储存容器5中。实验时，清水从水箱1被离心泵2吸入，示踪粒子经蠕动泵6注入其中一根进料管中，经过一定距离充分混合后进入反应器，从反应器下层右喷嘴喷出。进行撞击实验时，反应器底部的出水口关闭，混合后的液体经上部的溢流口排出，蠕动泵6的流量极小，对流量平衡的影响可忽略不计。

2.2 TR-PIV测试系统

实验所用TR-PIV测试系统系丹麦DANTEC公司生产，主要由连续激光器、同步器、CCD相机及图像处理系统组成。双腔Nd:YAG激光器重复频率为15 Hz，波长532 nm，拍照CCD相机为FlowSenseEo相机，最高采集频率18 Hz，图像采集窗口大小为1440×1920，曝光时间500 ms，在相机前加滤光片以去除荧光波长外的光信号。激光器发射片状光源，照射反应器，相机置于照射平面垂直方向，采用双帧模式拍摄。LIF^[22]实验采用的示踪剂为浓度0.1 mg·L^-1的罗丹明6G，采集模式为单帧。

图 3是对POD模态进行收敛性分析，发现模态在远小于300阶模态的基础上特征值逐次递减，趋向于0，在300阶之前已达到收敛状态。实验中，在满足采集帧数是激光频率的2倍时，采用最佳采集频率15Hz，连续采集300幅瞬态速度场和浓度场灰度图。利用TR-PIV系统的示踪粒子示踪标定坐标系统，建立测量平面实际尺寸与所拍照片像素点映射关系，以实现测量功能。利用Dynamic Studio进行图像的后续处理分析，每次实验图片采集完成以后及时清洗反应器以避免对后续测量造成影响。

2.3 实验方法

本文主要考察了双组分层撞击流不对称撞击产生的内部流场流动特征，同时研究了上下两层喷嘴水平、竖直撞击后形成撞击驻点偏移对流场特征及能量变化的影响。分析了喷嘴直径在相同工况下，不同间距和左右、上下不同射流雷诺数下的不对称撞击实验以及同等射流雷诺数工况下，不同喷嘴直径所形成的不对称撞击实验。(本文所得数据为三次实验数据均值)

实验选取直角坐标系，如图 2(XOY面)所示。其中：u₁、u₂、d₁、d₂、Re₁、Re₂分别为下层左右喷嘴出口流速、直径及出口射流雷诺数。喷嘴间距为L，等效直径D=(d₁+d₂)/2，喷嘴直径d取6、8、10、12、14 mm，直径比K=d₁/d₂，d₂=10 mm时，K=0.6、0.8、1.0、1.2、1.4。其中Re=duρ/µ，取常温下水的密度ρ=0.997x10³ kg·m^-3，黏度µ=1.005x10^-3 Pa·s，流量Q，单位：L·h^-1，m³·s^-1，其中具体工况如表 1、2所示。

3 实验处理及分析 3.1 TR-PIV测量结果

图 2黄色区域为TR-PIV测量区域，采集的TR-PIV图像序列进行Adaptive correlation处理可获得瞬态矢量速度场，计算判读窗口为32像素×32像素，相邻窗口重叠率50%。另外，TR-PIV采用多级网格迭代的图像变形算法，对图像进行偏置及窗口变形。

实验选取O(原点)作为径向撞击驻点，对O-X和O-Y (中心线)上各点的速度进行了测量，在对称流场喷嘴间距L=3d、直径d = 10 mm下(四个喷嘴工况相同)，分析了喷嘴射流雷诺数Re分别为13000、16000、19000下流场的轴向(O-X)及径向(O-Y)点的速度分布。

图 4所示，由于上下径向射流的相互撞击，速度在径向撞击驻点处最小(压力最大)，随后压力的释放使得轴向速度向左右两边扩展时呈先增大后减小的趋势，对应了上下径向射流撞击后所形成的横向射流现象；驻点右侧速度有些波动，可能与驻点偏斜或不稳定(左右震荡)有关。图 5中，径向速度在上下组轴向驻点及径向驻点处速度较小；在上下组射流区域内出现双峰现象，因受向上水流的作用，左峰高于右峰；同时在轴向驻点向径向驻点移动的过程中，速度呈先增大后减小的趋势，离开上下组区域时，上区域受水流向上的影响，速度增长快于下区域。由图 6可以直观看出，在不同射流雷诺数下的流场中，径向速度分布依旧满足双峰规律，整个流场的径向速度随喷嘴Re的增大而增大。

3.2 POD分析

通过对采集到的PIV图像进行自适应互相关分析，再采用快照版POD方法进行处理。本征正交分解(POD)根据Karhunen-Loeve将流场进行分解，从一段时间内的流场中提取出一定数量的本征模态，按能量比计算出各阶模态，识别流动中的大尺度能级结构，按照对应特征值λ所含流场能量的大小进行排序，特征值λ等于每个模态流体动能的两倍，它代表了其本身对应的每个流动模态所含能量占总湍动能的比重，同时将大尺度结构及其所包含的能量联系起来，流场能量与大尺度结构直接相关，即从能量的角度对速度场进行分解，并识别流场中含能最大的模态。POD方法主要优势在于能够通过有限阶本征函数的线性组合来捕捉湍流流动中的相干结构，描述和分析流场特性。本课题组曾对双组分层撞击流反应器湍流场进行过研究，提取出了流场含能大尺度结构，分析发现流场的能量主要集中在前四阶模态，由于能量较高，可认为前四阶模态是整个流动的载体。随着模态阶数的增加，特征值衰减很快，高阶模态能量占比能量份额迅速减少。其中一阶模态含能最高，具有流场主要大尺度结构，可认为其流动特征为脉动流场主要特征，易于描述整个流场的脉动特性。2~4阶模态能量贡献次之，可认为这些模态对脉动流场起了重要作用，而较高阶模态能量低，可认为包含着小尺度的复杂结构流动信息。由于一阶模态具有流场的主要流动结构，在脉动流场中占据支配地位，所以一阶模态的能量变化间接的反映了流场流动特征。

由于全场能量及湍动能具有轴对称性，可只对其一侧的撞击方式进行了细致分析。本文主要分析不对称流场三种工况下一阶本征模态流场能量变化，来研究流场不对称对双组分层撞击流流场流动特性的影响。工况如图 7所示：

3.3 同直径下的不对称流场 3.3.1 左右不同雷诺数

图 7所示，撞击驻点交叉指上下层驻点偏向相反，所对应的喷嘴工况也相反；撞击驻点同侧指上下层驻点偏向一致，其上下对应的喷嘴工况相同；撞击驻点在中心，指左右喷嘴射流等量撞击。

在上下层喷嘴d=10 mm工况下，保证上下层喷嘴左右射流Re之和相等，改变左右喷嘴射流雷诺数，使得撞击驻点发生偏移，得出其模态能量分布规律如表 3、图 8所示(横坐标为左右喷嘴射流雷诺数均值)；同时对三种不同撞击方式下的轴向及径向点的速度分布进行了分析。

同喷嘴直径下，喷嘴对称撞击时，驻点形成的上下径向射流等量撞击，流体动能相互抵消，流场能量被消耗；驻点同侧的流场能量小于驻点交叉。主要原因在于：驻点同侧，径向射流相互撞击、剪切和互扰，但另一侧，流场出现死区，扰动极差，整体能量偏低；上下驻点交叉错开，能量没有消耗，其驻点产生的径向射流在流场左右两侧进行扰动、带动全场，并受上下喷嘴轴向射流的卷吸影响，在流场中形成一个大的涡旋流动形式，从而加剧了流场扰动、相互剪切及掺混，流场压力波动变大，能量提高。从图 9、10中可以看出不管是轴向还是径向，交叉撞击方式速度最大，可以说明全场流体的速度都很大，其次是同侧，最小是等量撞击。最后从图表中得出，不对称流场能量恒大于对称流场能量。

3.3.2 上下不同雷诺数

测量上下层径向射流不对称撞击，设定总输入射流雷诺数Re=64000不变，喷嘴间距L=3d，左右喷嘴工况相同，上下层单个喷嘴射流之和满足Re=32000时，变化上下喷嘴射流雷诺数使得比值E=0.8、0.9、1.0、1.1、1.2下，得到流场一阶模态能量分布规律。

如图 11所示，上下层径向射流形成的不对称撞击能量高于上下对称撞击，且在喷嘴直径d=10 mm工况下，流场整体能量最高。原因在于喷嘴内径较小时，射流撞击面积小，能量不能完全释放；随着内径增大，撞击区域变大，能量得到释放；但随着内径进一步增大，同工况下，射流速度降低，撞击强度减弱。

3.3.3 不同喷嘴间距

由于上层撞击驻点交叉能量最高，本实验在驻点交叉及d=10 mm工况下，分别考察了四种不同喷嘴间距L下流场能量变化。

从图 12直观看出，由于喷嘴射流雷诺数增加，流速加快，射流相互撞击强度剧烈，湍动能提高，整个流场的模态能量变大。同工况下，喷嘴间距进一步扩大的同时，流场模态能量在逐步变小，这是由于射流撞击方式为上下交叉撞击，随着喷嘴间距的扩大，上下驻点产生的径向射流相互之间的干扰由减少到完全消失，驻点都过于偏向反应器壁面。另外，喷嘴间距的增大，射流的初期动能受损，撞击区振荡减弱，压力波动减小，流场能量降低。

3.4 不同直径下的不对称流场

在喷嘴射流Re=16000的工况下，固定一侧喷嘴直径不变，变化另一侧喷嘴直径来达到不同径比下的射流不对称撞击，形成驻点上下交叉错开或在同侧的实验。

不同直径下两喷嘴不对称撞击示意图及LIF流动显示图如图 13、14所示，图中两侧流体以不同的出口直径，不同的出口流速，在轴线某处形成不对称撞击实验。从LIF流动看出，撞击点处，示踪剂是以伞状的形式向周围流体进行扩散及扰动。

表 4和图 15所示，不同直径下的不对称流场中，流场能量随内径比K增大而增大；驻点同侧的流场能量高于驻点交叉时的流场能量。K较小时，两喷嘴直径小，射流撞击面积小，能量不能完全释放；当K不断增大，喷嘴直径增大，射流撞击面变大，能量得到释放，流场能量提高。喷嘴直径不同，射流不能等量撞击，驻点偏向壁面一侧，产生的径向射流(图 14所示)方向与Y轴不再平行，而是以伞状形式倾斜、发散的偏向壁面，撞击点的撞击强度减弱。撞击驻点交叉，喷嘴间距大，两侧驻点靠近壁面，径向射流倾斜偏向壁面，相互之间的干扰几乎没有，同时各自对流场的旋转扰动贡献极小；撞击驻点同侧，径向射流发展与其一样，但是其上下层之间产生了撞击干扰、掺混、波动，对流场的扰动具有促进作用。

图 14中喷嘴直径的不对称撞击，撞击面形成伞状形式。表 4下，K=1.2、1.4的能量与表 3驻点交叉及同侧的能量相比，在Re=16000的同工况下，发现撞击面为伞状(不同直径撞击)形式的不对称撞击方式，其流场能量小于同直径下的不对称撞击能量。

4 结论

采用TR-PIV和PLIF流动显示技术对双组分层撞击流反应器湍流场进行了测量，利用POD方法对瞬态流场能量分布进行分析，对双组分层撞击流反应器上下层喷嘴不对称撞击的流场流动特征及模态能量展开了实验研究，均在小喷嘴直径下进行，结论如下：

(1) 对称撞击下：流场轴向点速度在径向射流撞击驻点(O)处最小；径向点速度在竖直射流区域内出现双峰现象，并且总体随喷嘴射流Re的增大而增大。

(2) 同直径喷嘴不对称撞击：左右及上下不同射流雷诺数下，不对称流场能量恒大于对称流场，喷嘴直径d=10 mm为最佳工况，驻点同侧的流场能量小于驻点交叉时的流场能量；不同间距下，流场能量随喷嘴射流雷诺数增大而增大，而随喷嘴间距的增大而减小。

(3) 不同直径不对称撞击：流场能量随径比K的增大而增大；驻点同侧的流场能量大于驻点交叉时的流场能量；不同直径下的不对称流场能量小于同直径下的不对称能量。

(4) 径比K≧1时，不对称撞击流场能量总是恒大于对称流场。

符号说明：

D  —等效直径(d1+d2)/2，mm	Re2  —下层右侧喷嘴雷诺准数
d  —喷嘴直径，mm	u  —喷嘴流速，m·-1
d1  —下层左侧喷嘴直径，mm	u1  —下层左侧喷嘴流速，m·-1
d2  —下层右侧喷嘴直径，mm	u2  —下层右侧喷嘴流速，m·s-1
f  —频率，Hz	ρ  —密度，kg·m-3
K  —下层喷嘴内径比d1/d2	μ  —黏度，Pa·s
L  —喷嘴间距，mm	下标
Q  —喷嘴流量，L·h-1，m3·s-1	1  —下层左侧喷嘴
R  —喷嘴雷诺准数	2  —下层右侧喷嘴
Re1  —下层左侧喷嘴雷诺准数