在化学反应过程中，高效的气液传质是实现过程强化的核心挑战。喷射环反应器由于其独特的喷射循环混合机制，有效缓解了传统反应器混合效率低和能耗高的问题[1],[2],[3]。通过增强微观尺度上的界面接触，该反应器同时实现了超高的传质速率和反应场的均匀分布。关键在于利用喷射器产生的高速喷射流在受限通道中形成强烈的剪切循环流场，从而实现高效的气液两相夹带和混合[4],[5]。作为提高反应器性能的核心驱动组件，喷射器的设计和性能优化至关重要[6]。
喷射器主要由喷嘴、吸入口室、收缩段、喉部和扩散段组成。其高效传质功能源于工作过程中各组件的协同效应[7],[8]。主流体以高速度通过喷嘴喷射，形成局部低压区，从而夹带周围流体。吸入口室确保夹带流体的顺畅进入，稳定流场，并为后续混合提供基础。收缩段通过减小流体截面积、加速流体混合和促进湍流发展来进一步增强喷射效果。在喉部湍流强度显著增强，从而使气液两相充分接触和破碎，从而显著提高界面传质效率[9],[10]。最后，扩散段逐渐扩大流体通道的截面积，有效将流体的动能转化为压力能，恢复系统压力，并稳定气液混合物，确保高效传质过程的完成。基于其高效的气液传质特性，喷射器广泛应用于化学工程[11],[12],[13]、环境治理[14],[15],[16]和能源系统[17],[18],[19]，以增强反应和传质过程，优化废气废水处理的效率，并提高能源转换过程中的反应速率和产物转化性能。为了进一步提高其混合效果、工作性能和降低能耗，深入理解喷射器的内部流动和混合特性，并通过优化结构参数和操作条件来提高传质效率和整体性能，具有重要的研究价值和应用意义。
针对下射流喷射器的性能研究和优化，早期研究主要依赖实验方法进行。例如，Dutta和Raghavan[20]比较了带有直喉部和文丘里喉部的喷射器在环反应器中的传质和流体力学特性。结果表明，文丘里喷射器在扩散段可以实现更好的初级分散，尤其是在喷射器吸入口体积（Q_G）较低的情况下，且能够实现优异的气泡分散效果。此外，该研究还发现文丘里喷射器的气液界面面积增长率显著高于直喉部喷射器。Ben Brahim等人[21]研究了这种喷射器以水、乙二醇和油作为工作流体，空气作为夹带流体的动量传递特性，并通过理论推导建立了总损失系数与夹带率的相关性。Havelka等人[22]重点研究了旋流器结构对喷射器性能的优化。实验确认，在喷嘴中引入旋流器可以显著提高Q_G。然而，尽管实验方法可以获得可靠的宏观性能数据，但往往消耗大量人力和材料成本，并且难以获得喷射器内部的精细流场信息。这限制了对传质机制的深入理解。
为了克服上述限制并进一步探索喷射器内部的复杂流动机制，计算流体动力学（CFD）技术由于其日益成熟的计算能力和经济效率，已成为该领域的宝贵研究工具[23],[24]。CFD方法显著促进了人们对喷射器内部关键物理过程的理解，如气液两相混合特性、压力和速度分布以及流动状态演变[25]。例如，Zhang等人[26]使用CFD-PBM耦合方法研究了喷射器的流动和传质特性，成功预测了气泡尺寸分布，并建立了喉部中心气液质量比与局部体积传质系数之间的相关性。Xu等人[27]利用CFD技术系统研究了喷嘴结构参数对喷射器性能的影响。计算结果表明，最佳方案是喷嘴出口速度为21.8 m·s?1，喷嘴入口速度等于离心泵的出口速度，喷嘴收缩角为20°。Zhou等人[28]创新设计了一种带有双入口孔的新型文丘里喷射器。CFD模拟和实验验证表明，开启第二个入口可以有效优化喷射器内的流场分布，促进气液混合和气泡分散，并增加气液接触面积。这些研究充分展示了CFD在揭示喷射器内部复杂多相流动和传质机制方面的强大能力，为其应用于更复杂的结构优化奠定了基础。
在旋流器优化方面，尽管早期实验已经证实旋流器对提高喷射器的Q_G值有显著效果，但目前研究中仍存在明显不足。一方面，实验方法难以揭示旋流器作用下喷射器内部的精细流场特性和相间相互作用机制。另一方面，尽管CFD技术已应用于喷射器的研究，但仍然缺乏对旋流场和喷射场耦合下的内部流动结构、湍流特性和传质规律的系统性研究。特别是，旋流器的关键几何参数和操作参数的影响尚未完全阐明。为了填补上述研究空白，本研究设计了下射流文丘里喷射器及其支撑旋流器的结构。以水和空气作为工作介质，采用先进的CFD数值模拟方法系统研究了带有旋流器结构的喷射器内部复杂的气液两相流动特性和传质规律。研究了关键操作参数和几何参数对喷射器性能的影响，为高性能旋流喷射器的准确设计和优化提供了坚实的理论基础和数据支持。
