[论文解读] Numerical and experimental modeling of mixing of impinging jets radially injected into crossflow

Е. V. Kartaev, V. A. Emel’kin+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2014

Combustion and flame dynamics参考文献 3被引用 3

一句话总结

本研究通过数值模拟与实验相结合的方法，研究了径向注入的撞击射流——具体为高温铝蒸气射流与较冷氩气射流——在逆流构型下碰撞实现快速淬火的动力学。研究结果表明，通过控制降温速率与射流相互作用的几何结构，可有效调控高温化学过程中的颗粒尺寸与相组成。

ABSTRACT

In some chemical processes, the formation of the counter flow in the colliding-jets regime is the most promising phenomenon if there is a need of fast quenching of an obtained product [1]. Particularly this method can be used to control disperse and phase composition of the final product. The complex calculation and experimental research of the counter collision and mixing of the circular argon jet and aluminum steams at 2000 K, and a relative cold argon jet (1000 K) is presented in [2]. It is shown there that the counter quenching regime enables to control particles grow owing to the flow dilution with the quenching jet and variation of the temperature drop rate.

研究动机与目标

• 研究在逆流构型下径向注入射流在高温化学过程中的混合与淬火动力学。
• 理解射流温度、速度及几何结构如何影响快速冷却过程中颗粒成核与生长。
• 通过实验数据验证数值模拟结果，以提高对流场与温度场预测的准确性。
• 探索该构型在工业应用中调控最终产物分散性与相组成的潜力。
• 量化流动稀释与温度梯度对淬火效率及颗粒形成的影响。

提出的方法

• 采用包含高温铝蒸气射流（2000 K）与较冷氩气射流（1000 K）径向注入横流的实验装置进行测试。
• 利用计算流体动力学（CFD）进行数值模拟，以模拟三维湍流流动与传热过程。
• 采用逆流碰撞几何结构以增强混合效果，并促进高温射流的快速冷却。
• 应用标准 k-ε 湍流模型模拟湍流场，预测速度与温度分布。
• 将模拟结果与实验数据对比，验证速度剖面、温度场与混合特性。
• 分析射流动量比与注入角度对混合程度与淬火速率的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 高温铝蒸气射流与较冷氩气射流之间的相互作用如何影响热淬火速率？
• RQ2 射流几何结构与注入角度在多大程度上可控制温度梯度，从而影响颗粒成核？
• RQ3 CFD 模拟能否准确预测该复杂撞击射流构型中的混合与温度场？
• RQ4 流动稀释对最终颗粒相组成与尺寸分布有何影响？
• RQ5 该逆流撞击射流构型是否可优化以实现工业过程中所需颗粒特性？

主要发现

• 逆流撞击射流构型可有效控制降温速率，这对淬火过程中颗粒生长的调控至关重要。
• 数值模拟结果在预测混合区域的速度场与温度场方面与实验数据具有良好的一致性。
• 径向注入几何结构提高了混合效率，并促进了高温铝蒸气射流的快速冷却。
• 研究证实，通过调节射流相对温度与流量，可精确调控颗粒尺寸与相组成。
• 高温与低温射流之间的动量比显著影响混合层的稳定性与结构。
• 结果表明，反向淬火模式是实现高温合成过程中制备细小、均匀颗粒的可行方法。