侧吹气流流动特性实验研究-有色金属在线

型实验装置，对侧吹气流流动特性进行实验研究。利用高速摄影仪记录气体侧吹流动过程，并运用MATLAB图像处理方法对实验所得气流流动特性参数等实现自动批量处理。研究结果表明：气泡脱离频率与修正弗劳德数Fr’呈非线性减小关系，与液体黏度υ呈非线性增加关系；量纲一气体穿透深度H/D随修正弗劳德数Fr’呈非线性增加趋势，而与喷管直径D、液体黏度υ呈非线性减小趋势。

关键词：

浸入式侧吹；水模型；气体穿透深度；气泡脱离频率；

中图分类号：O359⁺.1 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2016)08-2879-05

Experimental study on side-blown flowing characteristics

ZHOU Ping¹, CHENG Wei¹, MA Ji¹, XIA Zhongwei², LIAO Zhou²

(1. Key Laboratory of Energy Conservation in Process Industry of Hunan Province,

School of Energy Science & Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. Zhuzhou Smelter Group Co. Ltd., Zhuzhou 412004, China)

Abstract: The investigation on the bubble departure characteristics and gas penetration behavior was performed by using the experimental model method and the imaging method for the immersion side-blowing model. The experimental feature parameter f was extracted by the imaging processing method. The results show that the bubble departure frequency of the bubbles nonlinear decreases with the increase of the modified Froude number Fr’ and liquid viscosity υ when the nozzle diameter D and liquid temperature T are constant. The dimensionless penetration depth H/D increases with the increase of the modified Froude number Fr’ and decreases with the increase of the nozzle diameter D and liquid viscosity υ.

Key words: immersion side-blown; hydraulic model; air penetration depth; bubble departure frequency

气体喷射熔池熔炼是通过向熔池中喷入气体，利用气体上浮对熔池内的熔体产生强烈的搅拌作用，以提高熔池的传热、传质和冶金反应速率，从而促进渣与金属的混合，加快固体料熔化，缩短冶炼时间，最终达到提高产品质量和生产率的目的^[1]。侧吹技术作为气体喷射熔池熔炼方式中的一种，被广泛应用于铅锌冶炼、锑冶炼、吹气炼铜等冶金工业领域^[2]。侧吹流动过程中表征气体流动特性的参数主要有气泡脱离频率和气体穿透深度，它们直接影响着熔池熔炼过程中熔体的搅拌区域与搅拌程度，是熔池熔炼设备结构设计的重要参考依据^[3]，因此，研究侧吹流动过程中的气流穿透速度以及气泡脱离频率具有十分重要的意义。目前，研究者针对冶金侧吹炉的相关模型实验主要研究气泡直径^[4]、气相流型^[5-9]、气泡分布情况^[10]、气泡直径特性^[11-16]、射流行为^[17-19]，而对侧吹气流流动过程中气液两相流气泡脱离频率以及气体穿透深度的研究较少。随着信息技术的发展，对于模型实验数据的提取方法有了很大突破，而高效的MATLAB图像处理法^[20]就是其中之一。本文作者通过搭建侧吹模型实验装置，运用高速摄影技术对实验过程中气液两相流动过程进行跟踪拍摄，并利用MATLAB图像处理法对实验数据实现批量处理，系统研究气体流量、液体黏度、喷管直径等对气泡脱离频率和气体穿透深度的影响规律。

1 实验装置

侧吹水模型实验装置是参照某厂侧吹熔池熔炼炉体原型，依据相似定律，按照几何比例1:8进行设计的。为了对实验进行可视化操作，其模型结构采用在高度方向上标有长度刻度的透明有机玻璃制作。实验选用难溶于水、不易反应、无毒无色的N₂作为喷吹气体，实验液体为水。实验装置连接示意图如图1所示。

1) 供气部分。N₂气源以液态形态被储存在N₂存储罐中，并通过减压阀的减压气化作用使具有一定压力和流速的气态N₂经过连接管道由侧吹模型容器喷嘴喷射进入容器内部。其中，气流流量通过SEVEN-STARD07-19B质量流量控制器和D07-19BM质量流量计进行控制和检测。

2) 水模型系统。该系统主要由容器、实验液体、温度计3部分组成。在实验过程中，根据不同试验工况对实验液体进行加热，利用温度计检测温度。

图1 实验装置连接示意图

Fig. 1 Connection diagram of experimental equipment

3) 摄像系统。本实验采用Redlake^TMMotionPro X-3高速摄影仪，设定采样频率为1 kHz，通过Na灯光源的强光照射，将侧吹流动过程通过照片形式保存至计算机终端，实现对流动过程的实时检测。为了增强拍摄效果，需要在灯源侧壁面添加硫磺纸以均匀光线。

4) 数据处理系统。利用MATLAB图像处理技术对保存在计算机终端的图像进行处理，并提取特征参数即气泡脱离频率与气体穿透深度。

2 实验结果及分析

2.1 气体流动形态

实验装置具体结构参数及操作参数见表1。从表1可知：本实验中修正弗劳德数Fr′在0.5~608.0之间，此时侧吹流动过程中气体流态处于气体泡状流到间歇式乳状流的变化范围之内^[19]，如图2所示。

表1 实验装置具体结构参数及操作参数

Table 1 Experimental structure and operation parameters

由图2可知：泡状流流型特征是气泡有规律地生成，且具有严格的周期性，气泡间不存在相互作用；弹状流流型特征是气泡间发生融合聚并作用，并出现气泡破碎现象；前者气泡的体积与未发生聚并的流型下的气泡体积相比明显增大，且前者气泡的尾流效应比较强烈，会导致尾随气泡被拉长；间歇式喷乳状流型特征为气泡在喷口附近发生连续性聚并，气流连续性增强。

图2 侧吹流动过程中气流3种不同流态

Fig. 2 Three flow patterns of side-blown processing

2.2 气泡脱离频率f

2.2.1 修正弗劳德数Fr′对气泡脱离频率f的影响

在喷管直径为0.005 m，修正弗劳德数Fr′的变化范围为1.27~31.70时，气泡脱离频率f与修正弗劳德数Fr′的变化情况如图3所示。由图3可以看到：当液体黏度相同时，随着修正弗劳德数Fr′增加，气泡脱离频率f呈非线性减小的趋势，且气泡脱离频率f的变化率不断减小；当气流流型从泡状流向弹状流转变时，气泡脱离频率变化率较大，气泡脱离频率f平均减小10 Hz。这是因为当修正弗劳德数Fr′较小时，气泡处于泡状流状态(如图2(a)所示)，此时气泡呈现有规律的生成状态，气泡间不存在相互作用；随着修正弗劳德数Fr′逐渐增大至17.8，气泡呈现弹状流流态现象(如图2(b)所示)，此时气泡间的相互作用逐渐显现出来。可以观察到气泡间已经开始发生融合聚并作用，导致前者气泡会与尾随气泡相互作用而不能完全脱离，致使气泡脱离周期增大，气泡脱离频率f减小。从图2(c)可以看出：当修正弗劳德数Fr′继续增加至608.0时，气流流型呈现弹状流向间歇式乳状流转变的状态，气泡间的融合聚并作用愈发明显，并伴有气泡破碎现象，同时，由于上一个气泡的尾流效应更加强烈，尾随的气泡被拉长，与前者气泡在喷嘴附近就发生聚并，此时脱离周期继续增大，气泡脱离频率f进一步减小，但此时气泡脱离频率变化率趋于稳定。

图3 气泡脱离频率在不同液体黏度下随修正弗劳德数Fr′的变化情况

Fig. 3 Change of bubble departure frequency with modified Froude number Fr′ at different liquid viscosities

2.2.2 液体黏度对气泡脱离频率f的影响

在实验过程中，液体黏度的变化通过改变液体温度T得到。在修正弗劳德数Fr′等条件一定的情况下，液体黏度由0.404×10^{-6 m2}·s^-1增加到1.003×10^{-6 m2}·s^-1时对气泡脱离频率f的影响如图4所示。从图4可见：当液体黏度增加到1.003×10^{-6 m2}·s^-1时，气泡脱离频率f增加约4 Hz。这主要是因为当液体黏度较大时，液体黏性阻力较大，此时气泡生成体积会变大^[3]，而较大体积的气泡更容易出现融合聚并作用，因而气泡脱离周期变小，气泡脱离频率增大。

图4 气泡脱离频率在不同修正弗劳德数Fr′下随液体黏度的变化情况

Fig. 4 Change of bubble departure frequency with different liquid viscosities at modified Froude number Fr′

2.3 气体穿透深度H

2.3.1 修正弗劳德数Fr′对气体H/D的影响

当液体黏度、喷管直径D相同时，喷入的N₂的H/D随不同修正弗劳德数Fr′的变化情况如图5所示。

由图5可知：当修正弗劳德数Fr′由1.27增加至17.8时，气体的H/D与修正弗劳德数Fr′呈非线性增加的关系，其穿透深度H增加约3D；当修正弗劳德数Fr′较小时，气体H/D变化量较大；当修正弗劳德数Fr′增加时，其变化量逐步减小。这主要是因为当修正弗劳德数Fr′较小时，此时气体穿透深度H主要受限于单气泡的直径；随着修正弗劳德数Fr′的增大，喷入气流量增大，气相密集存在于喷嘴附近，其在液相中的连续性增强，同时，在较大修正弗劳德数Fr′条件下的气流喷入速度较大，因而使气体H/D增大。

图5 气体H/D在不同黏度下随修正弗劳德数Fr′的变化

Fig. 5 Change of dimensionless penetration depth with modified Froude number Fr′ at different liquid viscosities

2.3.2 液体黏度对气体H/D的影响

在修正弗劳德数Fr′等条件一定的情况下，液体黏度对于气体H/D的影响如图6所示。从图6可见：当液体黏度增加到1.1×10^{-6 m2}·s^-1时，气体的平均H/D减小2左右。这主要是因为在相同的修正弗劳德数Fr′等条件下，当液体黏度增大时，液体对气体的黏性阻力会增加，使得气体穿透深度减小；同时，由于黏度增加，前者气泡对于尾随气泡的尾流效应加剧，使得气泡被纵向拉长，导致其在水平方向的穿透深度减小。

2.3.3 喷管直径D对气体H/D的影响

在不同的气体流量Q条件下，气体H/D随喷管直径D变化情况如图7所示，其中修正弗劳德数Fr′变化范围为0.5~608.0。

从图7可知：在相同的气体流量Q下，气体H/D随着喷管直径D呈非线性减小趋势；当喷管直径D由1.5 mm增加到4.0 mm时，气体穿透深度平均减小18D。其原因主要是当气体流量Q一定时，喷管喷吹速度与管径D的2次方成正比，管径越大，喷嘴气流喷入速度越小，气相所具有的入射动能越小，因而气体的H/D越小。

图6 气体H/D在不同Fr′下随黏度的变化

Fig. 6 Change of dimensionless penetration depth with different liquid viscosities at modified Froude number Fr′

图7 喷管直径D对于气体H/D的影响

Fig. 7 Effects of nozzle diameters on gas dimensionless penetration depth

3 结论

1) 气泡脱离频率f随修正弗劳德数Fr′增大而呈非线性减小趋势，当气流流型处于泡状流向弹状流转变时，其变化率最大，气泡脱离频率f平均减小10 Hz；气泡脱离频率随液体黏度呈非线性增加关系，当液体黏度由0.404×10^{-6 m2}·s^-1增加到1.003×10^{-6 m2}·s^-1时，气泡脱离频率f平均增加约4 Hz。

2) 气体H/D随修正弗劳德数Fr′呈非线性增加关系，当Fr′由1.27增加至31.7时，气体H/D平均增加4D左右；当液体黏度由0.404×10^{-6 m2}·s^-1增加到1.1×10^{-6 m2}·s^-1时，气体穿透深度平均减小2D。

3) 气体穿透深度随喷管直径增加而非线性减小，当喷管直径D由1.5 mm增加到4.0 mm时，气体穿透深度平均减小18D。

参考文献：

[1] 萧泽强, 詹淑华. 金属熔池中浸入式侧吹射流行为[J]. 过程工程学报, 2006, 6(1): 43-46.

XIAO Zeqiang, ZHAN Shuhua. Study on behavior of immerged side-blowing gas jet into molten metal bath[J]. The Chinese Journal of Process Engineering, 2006, 6(1): 43-46.

[2] 闫红杰, 刘方侃, 张振扬, 等. 氧枪布置方式对底吹熔池熔炼过程的影响[J]. 中国有色金属学报, 2012, 22(8): 2393-2400.

YAN Hongjie, LIU Fangkan, ZHANG Zhenyang, et al. Influence of lance arrangement on bottom-blowing bath smelting process[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2012, 22(8): 2393-2400.

[3] JAMIALAHMADI M, ZENTABAN M R, MLLER- STEINHAGEN H, et al. Study of bubble formation under constant flow conditions[J]. Chemical Engineering Research and Design, 2011, 79(5): 523-532.

[4] M, TILLIANDER A, IGUCHI M, et al. Physical-modeling study of fluid flow and gas penetration in a side-blown AOD converter[J]. ISIJ International, 2006, 46(4): 523-529.

[5] PEREYRA E, TORRES C, MOHAN R, et al. A methodology and database to quantify the confidence level of methods for gas-liquid two-phase flow pattern prediction[J]. Chemical Engineering Research and Design, 2012, 90(4): 507-513.

[6] BOTTIN M, BERLANDIS J P. Experimental investigation of a developing two-phase bubbly flow in horizontal pipe[J]. International Journal of Multiphase Flow, 2014, 60(2): 161-179.

[7] WU Yanhui, WU Junfeng, ZHANG Gaoguang, et al. Experimental and numerical investigation of flow characteristics near casing in an axial flow compressor rotor at stable and stall inception conditions[J]. Journal of Fluids Engineering, 2014, 136(11): 1491-1503.

[8] WANG C C, CHEN I Y, YANG Y W, et al. Two-phase flow pattern in small diameter tubes with the presence of horizontal return bend[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2003, 46(16): 2975-2981.

[9] 郭庆杰, 岳光溪, 张济宇, 等. 大型射流流化床的流型转变与射流深度[J]. 化工学报, 2001, 52(9): 803-808.

GUO Qingjie, YUE Guangxi, ZHANG Jiyu, et al. Flow regime transition and penetration depth of large jetting fluidized bed[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering (China), 2001, 52(9): 803-808.

[10] LIU Y, LEE D Y, BUCHANAN J R, et al. The development of two-phase flow structure in air-water planar bubble jets[J]. International Journal of Multiphase, 2013, 56(10): 25-39.

[11] TAKAHASHI T, MIYAHARA T, MOCHIZUDI H, et al. Fundamental study of bubble formation in dissolved air pressure flotation[J]. Journal of Chemical Engineering of Japan, 1979, 12(4): 275-280.

[12] GUTIRREZ-MONTES C, BOLAOS-JIMNEZ R, SEVILLA A, et al. Bubble formation in a planar water–air–water jet: effects of the nozzle geometry and the injection conditions[J]. International Journal of Multiphase Flow, 2014, 65(3): 38-50.

[13] IRONS G A, GUTHRIE R I L. Bubble formation at nozzles in pig iron[J]. Metallurgical Transactions B, 1978, 9(1): 101-110.

[14] LIU Liu, YAN Hongjie, ZHAO Guojian. Experimental studies on the shape and motion of air bubbles in viscous liquids[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2015, 62: 109-121.

[15] MALDONADO M, QUINN J J, GOMEZ C O, et al. An experimental study examining the relationship between bubble shape and rise velocity[J]. Chemical Engineering Science, 2013, 98(29): 7-11.

[16] KULKARNI A A, JYESHTHARAJ, JOSHI B. Bubble formation and bubble rise velocity in gas-liquid systems: a review[J]. Ind Eng Chem Res, 2005, 44(16): 5873-5931.

[17] WANG J. Predictive depth of jet penetration models for abrasive water jet cutting of alumina ceramics[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2007, 49(3): 306-31.

[18] LI Tingwen, POUGATCH K, SOLCUDEAN M, et al. Numerical simulation of horizontal jet penetration in a three-dimensional fluidized bed[J]. Powder Technology, 2008, 184(1): 89-99.

[19] 翟彦博, 韩旭. 倾斜侧吹气流在熔池中穿透行为的试验研究[J]. 沈阳建筑工程学院学报, 1997, 13(3): 306-309.

ZHAI Yanbo, HAN Xu. Experimental research on the penetration behavior of tilting side-blow gas flow in molten bath[J]. Journal of Shenyang Architectural, 1997, 13(3): 306-309.

[20] 李小燕, 蔡晋辉. 利用数字图像识别技术的两相流参数检测研究[J]. 原子能科学技术, 2006, 40(9): 15-18.

LI Xiaoyan, CAI Jinhui. Study on measurement method of two-phase flow parameters based on digital image processing techniques[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2006, 40(9): 15-18.

(编辑陈灿华)

收稿日期：2015-09-10；修回日期：2015-11-22

基金项目(Foundation item)：国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2011AA061003)(Project(2011AA061003) supported by the National High Technology Research and Development Program (863 Program) of China)

通信作者：马骥，博士研究生，从事热工过程与设备数值仿真研究；E-mail：yunwenzhu@126.com

摘要：通过搭建侧吹模型实验装置，对侧吹气流流动特性进行实验研究。利用高速摄影仪记录气体侧吹流动过程，并运用MATLAB图像处理方法对实验所得气流流动特性参数等实现自动批量处理。研究结果表明：气泡脱离频率与修正弗劳德数Fr’呈非线性减小关系，与液体黏度υ呈非线性增加关系；量纲一气体穿透深度H/D随修正弗劳德数Fr’呈非线性增加趋势，而与喷管直径D、液体黏度υ呈非线性减小趋势。