提升管射流影响区内压力脉动特性研究.pdf

化工学报 2023年 第74卷 第6期|,2023,74(6):2335-2350 CIESC Journal提升管射流影响区内压力脉动特性研究郑志航1，2，马郡男1，闫子涵1，卢春喜1（1 中国石油大学（北京）重质油国家重点实验室，北京 102249；2 沈阳化工研究院有限公司，辽宁 沈阳 110021）摘要：在提升管大型冷模实验装置中，采集了两种射流形式（射流向上倾斜和射流向下倾斜）提升管射流影响区内的压力动态数据，获得了压力脉动强度的轴、径向分布，并结合压力脉动信号的小波分解分析了不同射流形式对提升管内气固间作用规律的影响，建立了射流影响区内压力脉动特性与射流速度的联系。结果表明，与向上倾斜射流相比，向下倾斜射流使得提升管内压力脉动标准偏差整体数值增大约30%，而轴向、径向变化梯度均有所减小，气固混合过程的强度增大。小波分析结果表明，随着射流速度的增大，射流向上倾斜时，射流喷嘴入口截面附近区域小波能量整体数值将降低约25%，而在射流向下倾斜的射流影响区内小波能量整体数值将增大29%左右，其中ED4、EA8能量占比最大；向下倾斜的射流能有效增加射流影响区内高频压力脉动强度，有利于提高气固接触效果。关键词：提升管；射流；射流影响区；多相流；压力脉动；小波分析；分布中图分类号：TE 624.41 文献标志码：A文章编号：0438-1157（2023）06-2335-16Study on the pressure pulsation characteristics in jet influence zone of riserZHENG Zhihang1,2,MA Junnan1,YAN Zihan1,LU Chunxi1(1 State Key Laboratory of Heavy Oil Processing,China University of Petroleum,Beijing 102249,China;2 Shenyang Research Institute of Chemical Industry,Shenyang 110021,Liaoning,China)Abstract:In the riser large-scale cold mode experiments,the pressure pulsations in the jet influence zone are collected.To make a comparison,effects of upward and downward jets are investigated.The pressure pulsation distribution and gas-solid interaction pattern in the jet influence zone are obtained.On this basis,the connection between pressure pulsation characteristics and jet velocity in the influence zone is established by using wavelet analysis.The results show that the downward inclined jet makes the overall value of the pressure pulsation standard deviation increase by 30%in the riser comparing with the upward inclined jet.At the same time,by introducing the downward inclined jet,the axial and radial variation gradients are reduced,so that the intensity of gas-solid mixing process increases.In wavelet analysis,as the jet velocity increases,the wavelet energy value at each scale in the region near the nozzle inlet decreases by 25%when the jet inclines upward.While in the downward inclined jet influence zone,the wavelet energy value increases by 29%,of which ED4 and EA8 accounted for the largest energy.Generally,it is found that the downward inclined jet can effectively increase the intensity of high-frequency pressure pulsation in the jet influence zone,which is conducive to improving the gas-solid contact effect.DOI：10.11949/0438-1157.20230418收稿日期：2023-04-26 修回日期：2023-06-16通信作者：闫子涵（1989），男，博士，副教授，第一作者：郑志航（1998），男，硕士研究生，基金项目：国家重点研发计划项目（2021YFA1501304）；国家自然科学基金项目(21908244)引用本文：郑志航,马郡男,闫子涵,卢春喜.提升管射流影响区内压力脉动特性研究J.化工学报,2023,74(6):2335-2350Citation：ZHENG Zhihang,MA Junnan,YAN Zihan,LU Chunxi.Study on the pressure pulsation characteristics in jet influence zone of riserJ.CIESC Journal,2023,74(6):2335-2350研究论文第74卷化 工 学 报Key words:riser;jet;jet influence zone;multiphase flow;pressure pulsation;wavelet analysis;distributions引 言提升管反应器具有气固接触效率高、传质传热性能好等特点，广泛应用于石油炼制、煤化工、废塑料回收、制药、石油焦燃烧等领域1-5。该反应器作为诸多化工生产工艺的核心反应场所6-8，原料经喷嘴雾化后以高速射流的形式进入提升管，并与向上运动的预提升流体在短时间内接触、混合并共同向上运动。因此，提升管射流影响区是原料射流与催化剂颗粒发生接触、混合及反应的关键区域，该区域内气固接触、混合效果将直接影响最终目标产品的收率9-11。以石油化工过程的催化裂化、催化裂解等反应为例，理想的射流混合区应达到充分雾化原料液滴、气固两相接触混合迅速、避免发生过度轴向返混等要求12-13。为此，研究者针对提升管内高速射流与多相流的混合过程进行了相关探究，结果表明，在射流向上倾斜的提升管射流影响区内，存在着原料射流与催化剂浓度分布不匹配，提升管近壁区域颗粒停留时间长、易返混等缺陷14。对此，研究者们提出了喷嘴结构优化、进料段变径、设置内构件和改变喷嘴安装方式等方案15-18。Mauleon等19提出将射流喷嘴向下倾斜安装能有效提高提升管反应器内原料射流与催化剂颗粒流的匹配效果。闫子涵等20-23针对催化裂化提升管反应器的研究表明，喷嘴向下倾斜进料可缩短混合区长度约1/3，且有助于削弱边壁处的颗粒返混，同时促使颗粒沿径向分布更为均匀。此外，Yan等21从多相流流场角度分析了不同射流形式与提升管内气固两相流的混合特点，并提出了预测模型。然而目前针对提升管内高速射流与颗粒流之间的动态混合机制及不同射流形式对混合效果的影响仍缺乏较为深入的理论认识。气固流化床内压力脉动是由颗粒性质、流化床几何结构、床内压力、流化流体特性及操作条件等诸多因素引起的，其蕴含信息丰富、检测便捷、数据准确性高，对于气固两相流的深入研究具有重要意义24-28。Tahmasebpour 等29采用多种信号处理方法对压力脉动进行了分析，提出离散傅里叶变换、小波变换和非线性递归量化分析均可有效表征循环流化床中的多尺度流动过程。Zhou等30通过冷模实验提出无射流影响的提升管内压力脉动强度与操作气速有关，气速越大，压力脉动强度越高。刘宝勇等31提出，无射流影响的提升管内压力脉动具有一定的传递性，其强度将随着轴向高度的增大而减小。邹媛媛等32-33提出，提升管内压力脉动存在0.10.3 Hz的主频，但局部气体和颗粒的混合将导致更高频率压力脉动的产生。van der Schaaf等34对提升管内压力脉动进行了傅里叶谱分析，提出气体流速波动和颗粒团簇是压力脉动的主要来源。孙立强等35提出无射流影响的提升管内存在低频高幅的整体性压力脉动。胡小康等36通过大型冷模实验对提升管内压力脉动的产生机理进行了探究，提出压力脉动由低频高幅值和高频低幅值两种脉动成分构成，其中低频高幅值脉动主要由不稳定进料现象引起，而高频低幅值脉动则受到松散颗粒群湍动、气固接触、气速脉动等多种现象的综合影响。丁睿等37在一套大型提升管冷模实验装置上测量并分析了操作条件与压力脉动标准偏差、小波能量间的关系，并归纳了不同频段小波能量与不同压力脉动影响因素间的对应关系。赵凤静等38-39通过大型冷模实验，并结合其他气固流动参数，分析了不同射流速度对提升管内压力脉动分布特性的影响。上述研究表明，提升管内压力脉动强度可有效反映气固两相的流动与混合特征，可作为多相流体力学行为分析的有效手段。在提升管的射流影响区内，高速射流的引入使得该区域气固流动与混合过程变得更为复杂。通过采用合适的信号分析方法考察不同操作条件下射流影响区内压力脉动的组成及分布，有望获得不同形式射流与预提升多相流混合过程中气固混合效果的变化规律。为此，本文在一套大型冷模实验装置中，对比不同射流形式对提升管内压力脉动特性的影响，并分别考察射流向上及向下倾斜时操作条件与提升管内压力脉动特性间的关系。利用小波分析方法，详细分析不同射流形式及不同操作条件下各频段压力脉动的变化规律及主导机制。1 实验装置和测量方法1.1 实验装置冷模实验装置如图 1 所示，提升管直径为200 mm7 mm，装置总体高度为14 m，进料段部分采用 Q235钢制作，其余主体部分采用有机玻璃制第6期作。气体由罗茨鼓风机1引出后经缓冲罐2、气体分布器3和流量计4后分四路进入装置。第一路进入提升管预提升段5，作为提升管的预提升气流；第二路进入到预提升段5底部环管，作为预提升段的环隙流化风；第三路进入储料伴床11，作为伴床流化风；第四路经由均匀分布在提升管周向的四个射流喷嘴进入提升管进料段6，模拟喷嘴射流。颗粒由再生斜管进入到预提升段5后，在预提升气流的曳力作用下在提升管7内向上运动，并在进料混合段6处与空气射流充分混合，多相流在到达提升管7顶部后通过出口快分8实现气体与颗粒的初步分离。大部分颗粒通过待生斜管回到伴床11内，未被分离的催化剂颗粒经由旋风分离器9二次分离后自料腿16返回伴床11，伴床11内的颗粒再经由再生斜管返回预提升段5，完成循环。图2(a)、(b)所示分别为本实验采用的射流向上倾斜和向下倾斜两种进料段结构，采用四喷嘴等距布置，两种结构中射流与提升管的轴向夹角均为30。以喷嘴射流入口所在水平截面 H0为基准截面，射 流 向 上 倾 斜 时，轴 向 测 量 截 面 为 H-H0=-0.194、0.097、0.194、0.388、0.679、1.067 m；射流向下倾斜时，轴向测量截面为 H-H0=-0.388、-0.194、-0.097、0.097、0.194、0.388 m。每个轴向测量截面上设置6个径向测点，测点位置为r/R=0、0.25、0.50、0.70、0.80、0.95。1.2 实验介质及操作条件实验中所使用颗粒为FCC催化剂颗粒，其物性参数如表1所示。受冷模实验条件限制，且实际工业中原料油将在极短时间内完成气化，故采用常温空气模拟提升管内的预提升气体和喷嘴射流。以炼油工业中的催化裂化过程为例选取了相应的操作条件，实验中预提升气速取24 m/s，喷嘴射 流 速 度 取 41.878.5 m/s，颗 粒 循 环 强 度 取65 kg/(m2s)。1.3 测量方法实验采用CGYL-300B型压力传感器(北京传感星空自控技术有限公司)通过介入式测压管测量各位置的压力瞬时信号，传感器内置OEM硅压阻式差压芯体将压力信号转化为电信号，数据采集系统会将其转化为压力瞬时信号并自动记录。测压管通过三通电子阀与反吹装置连接，通过高压气体反吹测压管可以清洁由于装置长时间运行而被催化剂颗粒堵塞的测压管筛网，保证数据采集的精度。本实验中采样频率为100 Hz，采样时间为100 s，每组实验条件共采集三次数据，使用平均值作为实验数值，减小实验误差。2 实验结果与讨论2.1 提升管内压力脉动信号的标准偏差分析采用压力脉动标准偏差SDi(standard deviation，图1 实验装置示意图1罗茨鼓风机;2缓冲罐;3气体分布器;4转子流量计;5预提升段;6进料段;7提升管;8超短快分;9,10旋风分离器;11储料伴床;12,14计量罐;13,15,19蝶阀;16,17料腿;18再生斜管Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus图2 提升管进料段结构示意图Fig.2 Sketch of the feed injection schemes表1催化剂颗粒物性参数Table 1Particulate parameter of catalyst平均粒径dp/m70粒径范围/m3090堆积密度b/(kg/m3)870颗粒密度p/(kg/m3)14402337第74卷化 工 学 报kPa)表征压力脉动强度，SDi可表示为：SDi=1ni=1n()pi-p 2(1)式中，n为采样次数；pi为压力瞬时值，kPa；p 为瞬时压力平均值，kPa。压力脉动标准偏差数值越大，表明在测量期间测点位置区域内的压力波动程度越大，射流与气固两相流的混合过程越剧烈。本节首先对比了不同射流形式提升管射流影响区内压力脉动标准偏差SDi的结果，在此基础上分析了射流速度对压力脉动标准偏差 SDi数值大小的影响。2.1.1 不同射流形式射流影响区内压力脉动强度的分布特性 图3为两种射流形式（射流向上与向下倾斜）的射流影响区内压力脉动标准偏差SDi的数值分布。从图3(a)可以看出，当射流为向上倾斜，与预提升多相流顺流接触时，射流喷嘴入口截面以下区域几乎不受射流影响，导致H-H0=-0.194 m截面压力脉动标准偏差数值整体保持在 0.10 kPa 以下。在H-H0=0.097 m截面，射流与向上运动的颗粒流开始发生接触、混合，此时压力脉动标准偏差数值呈现“中心均匀，边壁低”的径向分布，其数值在r/R=00.80 的范围内均保持在 0.15 kPa 以上，但在r/R=0.95处显著下降。在H-H0=0.194 m截面，压力脉动标准偏差在不同径向位置上的数值较为接近，均保持在 0.15 kPa 左右。而在 H-H0=0.388、0.679、1.067 m截面，压力脉动标准偏差的径向分布趋势较为类似，其数值在提升管中心区域（r/R=00.50 区域）较为接近，但在边壁区域（r/R=0.700.95区域）均有不同幅度的减小，且整体数值随轴向位置的增大呈现下降趋势。而在图3(b)中，由于射流形式的改变导致射流影响区内压力脉动强度的分布发生了显著变化。在喷嘴射流入口截面以下区域，向下倾斜的射流在预提升流的作用下迅速向上偏折，导致 H-H0=-0.388、-0.194 m截面内射流与多相流的混合过程受射流影响相对较小，压力脉动标准偏差数值在流体流速较高、距离多股射流汇聚区域较近的 r/R=0位置出现峰值，而在 r/R=0.250.80 区域内基本持平，并在r/R=0.95处降低至最低值。H-H0=-0.097 m截面是喷嘴射流入口截面以下距离最近的测量截面，受射流影响较为显著，压力脉动标准偏差数值在该截面的径向分布较为平滑，保持在0.20 kPa左右。在喷嘴射流入口截面以上区域，即 H-H0=0.0970.388 m处，射流首先在与多相流继续混合的同时开始向边壁区域扩散，完成混合后射流影响区内多相流流动逐渐向稳定流动恢复。因此，在该区域内，随着轴向位置的不断增大，压力脉动标准偏差在各径向位置的数值均有不同程度的下降。其中，提升管中心区域内标准偏差的衰减幅度相对较小，而边壁区域则更加明显。上述现象表明，将射流方向改为向下倾斜，射流影响区内SDi整体数值更高，轴-径向变化梯度更小，说明将射流方向改为向下倾斜提高了射流与气固两相流混合过程的整体强度，且射流影响区内部压力脉动强度分布更均匀，能够促进气固两相间的充分接触和混合。2.1.2 射流速度对压力脉动强度的影响 根据2.1.1节的分析结果，分别选取射流向上及向下倾斜两种射流形式的射流影响区内典型截面用以分析射流速度对射流影响区内压力脉动强度的影响。其中，当射流向上倾斜时，分别选取 H-H0=0.097、0.388、1.067 m截面；而在射流向下倾斜时，分别选图3 射流影响区内压力脉动标准偏差的数值分布Ur=3.5 m/s,Uj=41.8 m/s,Gs=65 kg/(m2s)Fig.3 Numerical distributions of pressure pulsation standard deviations in the jet influence 第6期取H-H0=-0.194、0.194、0.388 m截面。图4、图5分别为射流向上及向下倾斜时射流影响区内各典型截面压力脉动标准偏差在不同射流速度条件下的径向分布。从图4(a)中可以看出，在H-H0=0.097 m截面内，压力脉动标准偏差呈现“中心高，边壁低”的变化趋势。不同射流速度条件下，压力脉动标准偏差在 r/R=0.25处取得峰值，在r/R=0.95处取得最低值；随着射流速度的增大，标准偏差数值在r/R=00.50范围的增大趋势较为明显，而在r/R=0.500.95范围内变化幅度相对较小。在射流向上倾斜的射流影响区内，射流与气固多相流的混合过程存在不充分、不均匀的问题，在该过程中混合流体将不断出现“纯气相”区域，即瞬时固含率为0的区域，从而阻碍流体的正常流动40。“纯气相”区域将在极短时间内形成并消失，该过程将不断影响提升管中心区域向上运动的多相流体，从而引起r/R=00.50范围内压力脉动强度的显著上升。在r/R=0.500.95区域内，射流浓度相比于中心区域有所上升，但颗粒浓度相对较低，从而导致不同射流速度条件下压力脉动强度的差异相对较小。在图 4(b)中，H-H0=0.388 m截面压力脉动标准偏差整体数值相比H-H0=0.097 m截面有所减小，在r/R=00.50区域内，标准偏差数值分布较为平滑，无峰值位置；而在 r/R=0.500.95区域，标准偏差数值随无量纲径向位置的增大而减小，并在r/R=0.95处取得最低值。在该截面，射流对催化剂颗粒向周边区域排斥，其中大部分催化剂颗粒在射流二次流的作用下向边壁区域聚集，导致颗粒浓度在r/R=0.800.95区域内达到峰值，而在r/R=0.500.80区域内出现最低值41。此时射流仍处于与多相流发生接触、混合的过程，并未在提升管中心区域完成汇聚42。因此，该截面提升管中心区域内压力脉动强度仍显著受到气固两相间混合过程的剧烈程度的影响。但因射流与多相流以顺流方式发生接触，且射流自身动能在经过先前的混合过程后已有一定程度的损耗，导致该截面内气固混合过程的剧烈程度已显著下降。随着射流速度的不断增大，r/R=0.500.80区域内压力脉动标准偏差数值有一定程度的增大，但在r/R=00.50区域及r/R=0.95处几乎不变。说明增大射流速度能一定程度增大该截面内射流主流附近区域内的压力脉动强度，但因为射流向上倾斜的射流影响区内射流与多相流混合不充分的缺陷，导致上述调控行为难以对部分受射流影响较弱但颗粒聚集程度较高的区域内气固混合过程起到明显的促进作用。由图 4(c)可知，H-H0=1.067 m 截面压力脉动标准偏差在不同径向位置上的数值分布相比于其他截面更加均匀，整体数值均有较大幅度减小。射流与多相流的混合在到达该截面时已基本完成，流动开始向稳定流动恢复40。从图中可以看出，在射流图4 射流向上倾斜的射流影响区内压力脉动标准偏差的数值分布Ur=3.5 m/s,Gs=65 kg/(m2s)Fig.4 Numerical distributions of standard deviations of pressure pulsation in the jet influenced zone with the upward inclined jet2339第74卷化 工 学 报速度处于41.864.2 m/s时，提升管边壁区域内标准偏差整体数值已经降低至0.1 kPa左右，而在78.5 m/s条件下，部分区域内标准偏差数值仍保持在0.15 kPa左右。上述结果说明：当射流速度处于相对较高的范围时，射流与多相流的混合过程较为剧烈，完成混合后形成的多相流体自身湍动程度较大，因此向稳定状态恢复的速度较慢；提升管内表观气速较高，完成混合的多相流即使恢复至典型的“环-核”流动，其整体湍动程度也将会有所增大。由图5(a)可以看出，H-H0=-0.194 m截面压力脉动标准偏差数值的径向分布在不同射流速度时差异较大。当射流速度为41.8 m/s时，标准偏差数值整体呈现“中心高，边壁低”的分布趋势，其中峰值出现在r/R=0处，最低值出现在r/R=0.95处，在r/R=0.250.80范围内数值较为接近，均保持在0.13 kPa左右；当射流速度增大至64.2 m/s时，峰值位置不明显，最低值出现在r/R=0.95处，r/R=00.70区域内压力脉动标准偏差数值均增至0.20 kPa左右，整体增大趋势较为显著；射流速度为78.5 m/s时，标准偏差数值的径向分布趋势与射流速度为64.2 m/s时极为类似，但整体数值增大约0.02 kPa。向下倾斜的射流在进入到提升管后，将保持原有方向继续运动，并在向上运动的预提升多相流的作用下向上偏折，最终在提升管中心汇聚并共同向上运动。在该过程中，射流的主流、二次流方向均指向提升管中心，在射流影响区内扩散的过程中将不断卷吸聚集在提升管边壁区域的催化剂颗粒至提升管中心，起到调节颗粒浓度分布的作用。当射流速度为41.8 m/s时，颗粒浓度峰值出现在r/R=0.80处，最低值出现在r/R=0.95，而中心区域内颗粒浓度分布较为均匀40。随着射流速度的不断增大，射流自身刚度不断提高，与预提升流体接触、混合的过程更加剧烈；射流对射流影响区内颗粒浓度分布的影响加剧，最终导致在r/R=0出现另一处峰值，形成“双峰”的分布43。中心区域颗粒浓度的增大进一步放大了射流对该区域内压力脉动强度的影响，从而导致了 r/R=00.70 区域内标准偏差数值的显著增大；而在 r/R=0.800.95范围内，射流二次流是影响压力脉动强度的主导因素，因其强度相对主流较弱，因此压力脉动强度随射流速度的变化幅度相对较小。从图5(b)可知，在H-H0=0.194 m截面内，当射流速度为 41.8 m/s 时，标准偏差数值在 r/R=00.80 范围内基本保持在 0.20 kPa，在 r/R=0.95 处取得最低值；随着射流速度的增大，压力脉动标准偏差在不同径向位置的数值均有不同幅度的增大。其中，r/R=0.700.80范围内标准偏差数值增幅最大，并在r/R=0.70处取得峰值。射流与预提升多相流经初步混合，所形成的多相流体经过喷嘴射流入口截面后开始向提升管边壁方向扩散。混合流体在到达该截面后，将在r/R=0.80处出现颗粒聚集区40，而射流图5 射流向下倾斜的射流影响区内压力脉动标准偏差的数值分布Ur=3.5 m/s,Gs=65 kg/(m2s)Fig.5 Numerical distributions of standard deviations of pressure pulsation in the jet influenced zone with the downward inclined 第6期浓度则在r/R=0.50处达到峰值43，气固两相间频繁、剧烈的相互作用使得 r/R=0.700.80范围内压力脉动强度显著上升。在提升管中心 r/R=00.50 范围内，标准偏差数值随射流速度的增大有一定幅度的增大。上述现象说明，射流对该截面内压力脉动强度的影响仍较为显著，能有效调控该区域内的气固混合。从图 5(c)可看出，H-H0=0.388 m 截面内压力脉动标准偏差数值的径向分布与H-H0=0.194 m截面相近，但整体数值有所下降。随着射流速度的不断增大，标准偏差在r/R=0.250.80范围内的数值有一定幅度上升。该截面压力脉动强度有了进一步的减小，但该截面压力脉动标准偏差整体数值仍与射流速度正相关，说明射流速度仍是影响该截面压力脉动强度的重要因素。其中，射流速度处于较低范围时，该截面r/R=0.250.95区域的标准偏差数值大幅下降，说明适当降低射流速度有利于缩短提升管内射流影响区的长度；而在射流速度处于中高范围时，压力脉动标准偏差整体数值也有明显下降的趋势。上述现象说明，该截面逐渐接近提升管内的常规流动特征，表明射流相与预提升多相流已基本完成整个混合过程19,43。在不同射流形式的射流影响区内，射流速度越大，压力脉动整体强度越大。其中，在射流向上倾斜时，改变射流速度仅能有效影响喷嘴以上附近区域内的压力脉动强度，对距离喷嘴较远的区域影响较小。而在射流向下倾斜时，射流与多相流的接触、混合过程更加剧烈，相比于向上倾斜的射流形式，相同操作条件下将射流方向设置为向下倾斜能达到更高的压力脉动强度，同时能有效减小压力脉动强度在轴-径向上的衰减梯度；改变射流速度能较好地调节射流影响区内射流与气固两相流的混合强度。实验结果表明，增大射流速度均可以增强两种结构内受射流影响较弱区域内的压力脉动强度。2.2 提升管内压力脉动信号的小波分析提升管射流影响区内压力脉动通常由不同频段的压力脉动叠加构成44，为进一步分析其特点，结合小波变换在信号局部特征表征方面的优势37-38，本文采用db2小波对压力脉动信号进行了8尺度分解。表 2 为各尺度细节信号与频率范围的对应关系。对于正交小波，可采用小波分析系数来表示信号能量的大小。其中各尺度细节信号能量、近似信号能量及其在总能量中占比的定义如下：EDj=i=1n|Dj()xi2(2)EAJ=i=1n|AJ()xi2(3)E=j=1JEDj+EAJ(4)RDj=EDjE(5)RAJ=EAJE(6)式中，J为小波分析的最大分解层数；j为第1J尺度中的某一尺度；Dj(xi)为第j尺度细节信号，kPa；AJ(xi)为第J尺度近似信号，kPa；EDj、EAJ和E分别为第j尺度分解的细节信号的能量、J层近似信号的能量和各尺度信号的总能量，kPa2；RDj、RAJ分别为第j尺度细节能量、J层近似能量占总能量的百分数。2.2.1 不同射流形式射流影响区内小波能量的分布特性 图6、图7为不同射流形式射流影响区内部分典型截面压力脉动各尺度小波能量的径向分布。从图中可知，在不同射流形式的射流影响区内，小波能量主要集中在D4频段和A8频段。其中，在距离喷嘴射流入口截面较近、受射流影响较为显著的截面，D4频段小波能量数值较高图6(a)、图7(b)，而在距离喷嘴射流入口截面较远、受射流影响较弱的截面，D4频段小波能量数值减小趋势较为明显，但A8 频段小波能量数值受轴向位置影响相对较小图6(b)、图7(a)。胡小康等36提出，提升管内压力脉动主要由高频低幅值脉动和低频高幅值脉动共同组成，其中高频低幅值脉动强度主要受到气固间相互作用的影响，而低频高幅值脉动主要由不稳定进料现象所引起。因此，可采用射流影响区内D4频段表2各细节信号尺度与频率范围对应关系Table 2Correspondence between scale and frequency range of each detail signal细节能量第1尺度第2尺度第3尺度第4尺度第5尺度第6尺度第7尺度第8尺度频率范围/Hz50100255012.5256.2512.53.1256.251.5633.1250.7811.5630.3910.7812341第74卷化 工 学 报小波能量数值表征高频压力脉动强度；而A8频段小波能量属于小波近似能量，其数值反映了提升管内多相流体的整体压力波动，对混合效果的参考意义较小。图8为不同射流形式的射流影响区内D4频段小波能量的数值分布。从图中可知，在射流向上倾斜的射流影响区内，D4频段小波能量数值仅在距离射流入口较近的 H-H0=0.0970.388 m 范围内保持一定数值，同时边壁区域内数值下降趋势较为显著；而在距离较远的 H-H0=0.6791.067 m 区域内，D4频段能量数值接近于0。而当射流向下倾斜时，在主要的射流混合区内，即H-H0=-0.0970.388 m，D4频段小波能量数值均保持在较高数值，边壁处虽有一定幅度减小，但仍保持较高数值。由此可见，将射流形式由向上倾斜改为向下倾斜，能有效提高射流影响区内有利于气固间混合的D4等高频频段压力脉动强度，并一定程度上促进了边壁及射流影响区末端区域内气固混合过程的剧烈程度。2.2.2 射 流 速 度 对 高 频 压 力 脉 动 强 度 的 影 响 图 9、图 10 分别为 Ur=3.5 m/s，Gs=65 kg/(m2s)，不同射流速度条件时不同射流形式射流影响区内 ED4的数值分布。由图9可知，当射流向上倾斜时，随着射流速度的不断增大，H-H0=0.0970.388 m范围内的ED4在不同径向位置上的分布数值均有不同幅度的下降，其中 r/R=0.700.95范围内数值减小的趋势相对提升管中心区域更为显著；而 ED4 数值在 H-H0=0.6791.067 m范围则呈现小幅上升的趋势。当射流向上倾斜时，射流影响区内存在射流与多相流混合不充分的问题，混合流体内将不断出现瞬时固含率为0的区域，从而影响混合流体以松散颗粒群存在的时间分率19。H-H0=0.0970.388 m区域由于距离喷嘴射流入口截面较近，受射流影响较为显著。当射流速度增大时，该区域内射流与多相流混合不充分的现象将不断加剧，从而降低D4等受散式颗粒相存在时间分率影响较为显著的高频频段小波能量数值。与此同时，射流二次流对流动的影响增图6 射流向上倾斜时小波能量的数值分布Ur=3.5 m/s,Uj=41.8 m/s,Gs=65 kg/(m2s)Fig.6 Numerical distribution of wavelet energy when jet inclines upward图7 射流向下倾斜时小波能量的数值分布Ur=3.5 m/s,Uj=41.8 m/s,Gs=65 kg/(m2s)Fig.7 Numerical distribution of wavelet energy when jet inclines 第6期大，从而携带更多的催化剂颗粒至提升管边壁区域，此时该区域内射流相、颗粒相的径向浓度分布不匹配19，导致r/R=0.700.95范围内ED4数值减小幅度大于中心区域。H-H0=0.6791.067 m区域距离喷嘴射流入口截面较远，初速度较高的射流对该区域的影响相对更大，但向上倾斜的射流形式对于该区域射流与多相流混合的促进作用相对有限，因此该区域内 ED4 数值的变化幅度相对较小，仅有20 kPa2左右。当射流向上倾斜时，射流影响区内不同位置的ED4数值分布呈现不同的特点：ED4数值在不同轴向截面的分布差别较大，在靠近喷嘴射流入口截面的区域内数值可达到80 kPa2以上，而在距离喷嘴射流入口截面较远的区域，其数值整体下降至30 kPa2以下；在受射流影响较为明显的区域，ED4数值整体呈现“中心高，边壁低”的径向分布趋势，高频压力脉动强度在颗粒聚集的边壁区域衰减幅度较大，增大了气固两相反复接触的概率；随着射流速度的增大，ED4数值在H-H0=0.0970.388 m范围内下降趋势明显，而在H-H0=0.6791.067 m范围内仅有小幅上升，说明过大的射流速度不利于射流与预提升两相流的混合过程。由图10可知，当射流向下倾斜时，随着射流速度的不断增大，在 H-H0=-0.388-0.194 m 区域内，ED4在r/R=00.70范围内分布数值的增大趋势较为显著，而在r/R=0.800.95范围内变化不大；在H-H0=-0.0970.194 m 区域内，ED4整体数值变化幅度相图9 射流向上倾斜时ED4的数值分布Ur=3.5 m/s，Gs=65 kg/(m2s)Fig.9 Numerical distributions of ED4 when the jet inclines upward图8 不同射流形式的射流影响区内D4频段小波能量的数值分布Ur=3.5 m/s，Uj=41.8 m/s，Gs=65 kg/(m2s)Fig.8 Numerical distribution of D4-band wavelet energy in jet influence zone with different jet forms2343第74卷化 工 学 报对较小；而在 H-H0=0.388 m截面，ED4整体数值均有一定幅度的增大。向下倾斜的射流在进入到射流影响区后，将继续保持原有方向运动，并在预提升两相流的作用下向上偏折的同时与其发生混合，混合而成的多相流体将继续向上运动，并在通过喷嘴射流入口截面后向边壁区域扩散，随后逐渐向典型的“环-核”结构流动恢复。射流速度的增大将提高向下倾斜射流自身刚度，使其能穿透预提升来流到达更加远离喷嘴射流入口截面的区域，从而增大了 H-H0=-0.388-0.194 m 区域 r/R=00.70 范围内ED4的数值；向下倾斜的射流与预提升气固两相流逆流接触，二者的接触混合过程相比顺流接触更加剧烈、充分，使得喷嘴射流入口截面附近（即H-H0=-0.0970.194 m区域）射流与多相流的混合过程在实验条件的全部范围内均能实现较优的混合效果；射流速度的增大将延长射流影响区的长度，减缓混合流体流动的恢复速度，因此ED4在H0=0.388 m截面的径向分布数值均有增大。相比于向上倾斜的射流形式，射流在向下倾斜时，射流影响区内ED4整体数值均有显著增大，其中在主要的混合区域内基本保持在100 kPa2以上；在受射流影响较为明显的区域内，ED4在径向上的分布数值相对均匀，变化梯度明显减小。随着射流速度的增大，ED4在不同轴向截面上的径向分布数值差异有所减小，在提升管中心区域的变化尤其明显。但过大的射流速度也将扩大射流影响区的上游范围，削弱二次流对颗粒浓度分布的调控作用19，同时也将在一定程度上减缓射流影响区下游流动的恢复速度。因此射流速度不宜过大，保持在41.864.2 m/s较为合适，同时可采用增大预提升气速等方式削弱逆向射流所带来的不利影响。在射流影响区的大部分区域内，压力脉动的主频 为 D4 频 段（6.2512.5 Hz）和 A8 频 段（00.391 Hz）。在相同操作条件下，将射流方向设置为向下倾斜，射流影响区内部高频压力脉动整体强度更高，轴-径向变化梯度更小，能实现更为理想的气固混合过程。当射流向上倾斜时，射流对混合过程的促进作用有限，存