学术研究报告：致密颗粒撞击射流的类液行为研究
一、 研究作者、机构与发表信息
本研究的主要作者为石哲航 (Zhe-Hang Shi)、李伟锋 (Wei-Feng Li)、王越 (Yue Wang)、刘海峰 (Hai-Feng Liu) 和王辅臣 (Fu-Chen Wang)。所有作者均来自华东理工大学（East China University of Science and Technology）的两个机构：煤气化及能源化工教育部重点实验室和上海煤气化工程技术研究中心。该研究以题为“Study on liquid-like behaviors of dense granular impinging jets”的论文形式，于2018年9月22日在线发表于Wiley Online Library，并最终刊登于2019年1月的AIChE Journal（第65卷，第1期，第49-63页）。论文的数字对象标识符（DOI）为10.1002/aic.16208。
二、 学术背景与研究目的
本研究属于颗粒技术与流态化（Particle Technology and Fluidization）领域，具体聚焦于致密颗粒流（Dense Granular Flow）的动力学行为。研究的背景源于撞击流（Impinging Streams）技术在众多工业过程中的广泛应用，例如固体颗粒干燥、煤气化、吸收、萃取和快速化学反应器等。在这些应用中，两股高速流动的流体（气相或液相）或气固两相流相互撞击，可以极大地强化相间传递、混合和反应过程。因此，理解撞击射流的基本流动形态对于优化这些工程应用至关重要。
然而，既往的研究主要集中在气体对向射流或液体撞击射流的流动场和不稳定性方面。对于气固两相撞击射流，已有的实验和模拟研究大多局限于稀相（Dilute Phase）条件（固体体积分数通常低于0.005），此时颗粒动力学显著受气相影响。在许多实际工业过程中（如气流床煤气化炉喷嘴出口），颗粒浓度很高，固体体积分数可达0.3左右。尽管已有一些针对高固含率（High Solid Fraction）颗粒撞击射流的二维数值模拟研究，预测了交叉、扩散和合并等流动模式，甚至观察到了颗粒“薄片”（Sheet）的形成，但相关的实验研究非常缺乏，且数值模拟结果缺乏实验数据的验证。
因此，本研究旨在填补这一空白。其核心目标是：通过实验与数值模拟相结合的方法，研究两股致密颗粒射流撞击产生的颗粒动态行为，揭示固体分数、射流速度和撞击角度对流动模式和颗粒间碰撞的影响，并首次通过实验证实并详细表征高固含率下形成的类液颗粒薄片，阐明其形成机理。 本研究不仅有助于深化对致密颗粒撞击流基础科学的认识，也为工业过程中通过调控操作条件来改变流动模式提供了理论依据和方法。
三、 详细研究流程与方法
本研究采用了实验研究与数值模拟并行的综合研究方案，流程严谨，相互印证。
1. 实验研究部分： * 研究对象与系统搭建： 研究对象为两股对称的致密颗粒射流。实验系统核心包括两个料斗，内部装有经过烘干处理的球形玻璃珠（密度2490 kg/m³，直径82 μm）。高压空气（压力范围0.01-0.12 MPa）推动颗粒从喷嘴（直径3 mm）射出。通过导轨和螺栓机构，可以精确调节两股射流之间的撞击角度（2θ，范围60°至120°）和喷嘴出口间距（L/D = 3）。为了获得不同固体体积分数（xp）的颗粒射流，研究团队创新性地在喷嘴内部嵌入不同目数的金属筛网，通过改变筛孔大小来调节颗粒的质量流率，从而实现对xp（范围0.005至0.54）的精确控制。同时，为了进行对比，还设置了水射流撞击实验，参数与颗粒射流实验相匹配。 * 测量与可视化方法： 颗粒射流的出口速度（u0） 使用光纤探针（PV6D）测量，质量流率（mp） 通过称重法获得，进而根据公式 xp = 4mp/(πd²ρp u0) 计算固体体积分数。水射流的流量通过转子流量计测量。流动形态的捕捉使用了两个高速摄像机（Photron, APX-RS），从侧视图和俯视图同时记录瞬态流场。曝光时间（颗粒1/8000秒，液体1/15000秒）和帧率（3000 fps）经过优化以确保图像清晰。使用ImageJ图像处理软件分析记录的图像，定量测量颗粒或液膜的传播高度（L）、宽度（H）、厚度（h）以及沿中心轴（z轴）的传播速度（u）。每个数据点均为100次分析结果的时间平均值，并以标准偏差表示误差范围。
2. 数值模拟部分： * 模拟方法与模型： 采用三维离散元法（3-D Discrete Element Method, DEM） 进行数值模拟，使用的商业软件是EDEM (version 2.7)。DEM在拉格朗日框架下求解每个颗粒的牛顿运动定律，能够追踪颗粒尺度的运动与碰撞。研究中采用了Hertz-Mindlin (无滑移) 接触模型来处理颗粒间的碰撞力计算。模拟忽略了气相的影响，其合理性基于在常压环境下，颗粒动量远大于空气动量（约2000倍），这对于致密颗粒流是合理的简化，也与之前一些颗粒射流撞击固体靶标的DEM研究策略一致。 * 模拟参数与设置： 几何参数（喷嘴直径、撞击角度、间距）严格依据实验设置。材料参数（颗粒密度、泊松比、剪切模量）根据玻璃珠属性设定。接触参数中，颗粒-颗粒的恢复系数（Coefficient of Restitution）设为0.8。时间步长设定为瑞利时间步长的0.2倍（9.4×10⁻⁹秒），以确保计算的稳定性与精度。特别重要的是，启用了“跟踪碰撞（Track Collisions）”选项，以记录颗粒间碰撞的次数和力。模拟的颗粒总数在1.8万到180万之间变化，以适应不同的固体分数条件。
3. 数据分析流程： * 实验数据分析： 首先对高速摄像图像进行定性观察，识别不同的流动模式（穿透、扩散、薄片）。然后，通过ImageJ软件定量提取颗粒薄片的几何尺寸（L, H, h）和运动速度（u）。将这些数据与操作参数（xp, u0, 2θ）关联，绘制图表，分析趋势，并与水射流薄片的特性进行对比。 * 模拟数据分析： 除了再现流动模式外，DEM模拟提供了实验难以获得的颗粒尺度信息。这包括：在撞击区域中心切片（x/d=0）内的颗粒速度矢量分布，用于分析动量转换和耗散；颗粒间碰撞频率（nc）和碰撞力（fc）的空间分布；以及轴向颗粒温度（Granular Temperature, gTz）的分布，用于表征颗粒速度的波动强度。通过分析这些微观数据，可以深入理解宏观流动模式（特别是类液薄片形成）背后的物理机制。
四、 主要研究结果
本研究取得了系统且相互印证的实验结果与模拟结果，主要发现如下：
1. 固体分数（xp）对流动模式的决定性影响： 实验清晰展示了随着颗粒射流固体分数xp的增加，撞击流型依次经历三种模式的转变： * 穿透模式（Penetrating Pattern， xp ≈ 0.005）： 颗粒浓度极低时，两股射流中的颗粒大部分直接穿过撞击区域，相互作用微弱，形成交叉穿透的流型。 * 扩散模式（Diffuse Pattern， xp ≈ 0.03 - 0.14）： 随着xp增加，颗粒间碰撞加剧，同时仍有部分穿透。颗粒在撞击区域合并成一个散射的颗粒平面，大量颗粒从该平面反弹出去，形成浓度分布较为均匀的扩散状流型。随着xp从0.03增至0.14，颗粒扩散的程度逐渐减弱。 * 类液颗粒薄片模式（Liquid-like Granular Sheet， xp ≥ 0.30）： 当xp增加到0.30及以上时，撞击产生了一个汇聚的、垂直的、连续的薄颗粒片，仅有极少量颗粒从薄片反弹。该薄片形态与液体撞击形成的液膜（Liquid Sheet）非常相似。值得注意的是，在0.30至0.60的高xp范围内，进一步增加xp不会改变薄片模式的形成。
2. 类液颗粒薄片的特性及其与水射流的对比： * 形态相似性： 实验图像显示，尽管颗粒材料无内聚力，但在60°和120°撞击角下都能形成薄而垂直的颗粒薄片，其宏观形态与水射流撞击形成的液膜高度相似。区别在于，水膜由于表面张力与惯性的平衡呈“叶状”，而颗粒薄片由于颗粒间几乎无内聚力，在向下传播过程中会持续拓宽。 * 几何与运动特性： 定量测量表明： * 尺寸： 颗粒薄片和水膜的传播高度（L）和宽度（H）都随撞击角或射流速度的增大而显著增加，这主要归因于水平方向冲击动量的增强。在相同射流速度下，颗粒薄片的L和H值约为水膜的2倍以上，因为水膜受到表面张力的收缩作用，而颗粒间无内聚力。 * 速度： 沿薄片中心轴（z轴）向下，颗粒薄片的速度（u）持续增加，但在-z/d > 5后加速度减小；而水膜速度基本保持不变。这是因为颗粒仅受到碰撞力和重力的作用（在-z/d > 5后主要受重力），而水膜在传播过程中表面张力会抵消部分重力。此外，颗粒薄片的初始归一化速度（u/u0）低于水膜，且随着撞击角增大，两者速度均下降，表明颗粒撞击的耗散更强，且耗散随撞击角增大而加剧。 * 厚度： 在-z/d = 3位置测量的颗粒薄片厚度（h/d）约为0.53（xp≈0.3）至0.64（xp≈0.5），与水膜的理论计算厚度（0.58）相当。分析表明，薄片厚度与（u0/u）和（xp‘/xp）的比值成反比，其中xp‘是薄片局部固体分数。
3. 撞击角度和射流速度对颗粒薄片形态的影响： 实验表明，在形成薄片模式的前提下（高xp），撞击角度和射流速度会影响薄片的具体形状。 * 撞击角度： 60°时，薄片呈三角形；90°时，部分颗粒向上运动，形成拱形；120°时，拱形薄片进一步扩大，边缘由明显的边界（rims）限定。 * 射流速度： 高速下，薄片表面会出现波纹（ruffles），且在大撞击角和高速度下，薄片会变得略微弯曲，这是由于撞击不稳定性增强所致。
4. DEM模拟对实验的验证与机理揭示： * 流动模式再现： 三维DEM模拟成功预测了实验中观察到的所有三种流动模式（穿透、扩散、薄片）随xp变化的转变，与实验结果高度一致。 * 薄片动力学验证： 模拟得到的颗粒薄片沿z轴的传播速度（u/u0）与实验数据吻合良好。模拟还显示，颗粒在撞击区域因碰撞力作用速度急剧增加。 * 颗粒尺度机理洞察（核心发现）： DEM模拟提供了关键的碰撞层次信息，揭示了xp影响流动模式的根本原因： * 碰撞频率与力的关系： 在撞击区域，时间平均的颗粒间碰撞频率（nc）和碰撞力（fc）分布图显示，高碰撞频率区域通常对应着较小的碰撞力。随着xp降低，高碰撞频率区域显著缩小，但颗粒间的碰撞力却急剧增大。例如，在扩散模式（xp较小时）下，最大碰撞力可达单个颗粒重力的数万倍，这正是导致颗粒从垂直平面反弹、形成扩散模式的主要原因。 * 颗粒温度： 轴向颗粒温度（gTz） 在撞击区域随xp降低而显著增加。高颗粒温度意味着颗粒轴向速度波动大，这也有助于颗粒的反弹和扩散模式的形成。 * 模式转变的临界条件： 分析撞击区域内归一化的时间平均碰撞频率（nc/Q0，Q0为射流出口颗粒数流率）发现，其值随xp增加而上升。从扩散模式转变为薄片模式的临界nc/Q0值大约在500左右。 * 机理总结： 增加xp意味着射流中颗粒数量增多，颗粒平均自由程减小。这导致在撞击区域颗粒间碰撞频率大幅上升。高频的、非弹性的碰撞使得颗粒间的速度差（即颗粒温度）减小，同时每次碰撞的平均力也减弱。其综合效果是，颗粒的轴向动量被更有效地耗散和重新分配为径向运动，从而促使颗粒聚集并形成连续的、向下传播的薄片，而不是向四周散射。因此，固体分数（xp）通过调控颗粒间碰撞的频率和强度，最终决定了撞击流的宏观模式。
五、 研究结论与价值
本研究通过系统的实验和三维DEM模拟，首次全面揭示了致密颗粒撞击射流的流动行为，并得出以下核心结论：
本研究的价值体现在： * 科学价值： 深化了对高浓度、碰撞主导的颗粒流动力学的理解，特别是揭示了从离散颗粒行为到类连续体（薄片）行为的转变条件与机理。为颗粒流领域，尤其是撞击流这一复杂流动现象，提供了宝贵的实验数据和理论分析。 * 应用价值： 研究结果直接对煤气化、颗粒干燥、混合等涉及高浓度颗粒撞击的工业过程具有指导意义。通过调节固体分数、射流速度、撞击角度等操作参数，可以主动控制反应器或设备内的流动模式（例如，促进混合的扩散模式或形成稳定薄壁的薄片模式），从而优化传热、传质、反应效率及设备稳定运行。 * 方法论价值： 研究证明了实验（高速摄像与定量图像分析）与高保真度数值模拟（DEM）结合是研究复杂颗粒系统强有力工具。所采用的调节固体分数的实验方法（嵌入筛网）和DEM模拟策略，为后续相关研究提供了参考。
六、 研究亮点
七、 其他有价值的内容
研究在讨论部分指出，先前使用稠密离散相模型（DDPM） 和双流体模型（TFM） 对xp ≤ 0.2情况的模拟结果与本研究实验不符（DDPM总是预测穿透模式，TFM预测不变的合并平面）。而采用多相粒子单元模型（MP-PIC） 和CFD-DEM耦合方法的模拟则能预测穿透和扩散模式。本研究成功使用不考虑气相的三维DEM预测了所有模式，这表明对于所研究的致密颗粒撞击流，颗粒间碰撞的作用远大于气固相互作用。这一见解对选择正确的数值模拟方法用于此类问题具有重要参考价值。