基于FLUENT火焰切割專用割嘴內(nèi)部流場的數(shù)值分析

郝明，李騰

基于FLUENT火焰切割專用割嘴內(nèi)部流場的數(shù)值分析

郝明，李騰

（齊齊哈爾大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

乙醇汽油；割嘴；FLUENT；數(shù)值模擬

長期以來，乙炔一直作為火焰切割設(shè)備使用的主要燃料，并且相應(yīng)的氧-乙炔割嘴也已經(jīng)發(fā)展成熟。但是，由于乙炔是氣體，因此在運(yùn)輸和使用時存在一定的安全隱患，并且乙炔在生產(chǎn)過程中會對環(huán)境造成一定的污染，所以尋找更加清潔、安全的新型切割用液體燃料具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會意義[1]。乙醇汽油作為清潔、可再生能源受到了人們的普遍關(guān)注，當(dāng)乙醇汽油燃料中乙醇體積濃度為10%和50%時，乙醇汽油燃燒時的火焰溫度都在2234.94℃以上，氧乙醇汽油中性焰的外焰長度大約是氧乙炔中性焰的3.6～5.2倍，因此，乙醇汽油可以作為乙炔的切割替代燃料，能夠滿足火焰切割的溫度要求及火焰長度要求[2]。

本文針對一種醇及醇烴混合燃料的火焰切割專用割嘴[3]，利用計算流體力學(xué)通用軟件FLUENT對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬研究。由于該割嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間狹小，并且乙醇汽油液體燃料在割嘴內(nèi)部初步霧化后的運(yùn)動十分迅速，因此，僅僅依靠傳統(tǒng)試驗(yàn)方法很難對割嘴內(nèi)部的氣液流動特性進(jìn)行細(xì)致研究，CFD方法克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法的不足，通過數(shù)值模擬可以得到該割嘴內(nèi)部計算域氣液作用的各種細(xì)節(jié)[4-5]，結(jié)果表明CFD方法對割嘴內(nèi)部流場的研究是可行的[6-8]。

1 計算模型

1.1 幾何建模與網(wǎng)格劃分

由于割嘴內(nèi)部計算域結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在使用GAMBIT劃分網(wǎng)格時，考慮到非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格適應(yīng)性強(qiáng)，尤其是解決復(fù)雜問題時，優(yōu)點(diǎn)突出，并已得到了廣泛應(yīng)用，因此本文采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中的三角形網(wǎng)格[9]。網(wǎng)格過密，會造成計算代價高昂，網(wǎng)格過稀，會影響計算精確度，因此該計算域只在液體燃料入口與氧氣入口處對網(wǎng)格進(jìn)行了加密，網(wǎng)格總數(shù)為193879個，數(shù)量適中。割嘴的計算域網(wǎng)格模型如圖1所示。

圖1 割嘴的計算域網(wǎng)格模型

1.2 基本控制方程

任何物質(zhì)的流動都必須滿足連續(xù)性方程，本文主要研究乙醇汽油與氧氣相互作用后的乙醇汽油液滴在該割嘴內(nèi)部的流動特性，這種流動可以看作是不可壓縮流動。

不可壓縮流體在空間直角坐標(biāo)系下的連續(xù)性方程為

1.3 湍流模型

1.4 DPM（離散相）模型

本文用離散相模型來描述乙醇汽油與氧氣的耦合作用，設(shè)定乙醇汽油入口為液滴的噴射源，則液滴在割嘴內(nèi)的作用力在笛卡爾坐標(biāo)系下的平衡方程為

2 結(jié)果與分析

2.1 割嘴內(nèi)部乙醇汽油液滴的速度場分析

由于要滿足火焰燃燒的連續(xù)性和穩(wěn)定性，要求乙醇汽油液滴的速度控制在合理的范圍內(nèi)，以液相入口處的壓強(qiáng)為0.2MPa時為例，割嘴內(nèi)部計算域的速度場、沿軸方向的速度場及沿軸方向二維速度場分布分別如圖2, 3, 4所示。

圖2 割嘴內(nèi)部速度場

圖3 割嘴內(nèi)部沿Z軸方向速度場

圖4 割嘴內(nèi)部二維速度場

從圖2, 3, 4中可以看出在割嘴出口處速度可以達(dá)到100m/s，能達(dá)到乙醇汽油連續(xù)與穩(wěn)定的燃燒要求，并且乙醇汽油液滴在割嘴內(nèi)部速度分布均勻，沒有明顯的速度突變，這樣就避免了乙醇汽油液滴的回流。

2.2 乙醇汽油割嘴內(nèi)部壓力場分析

從圖5和圖6中可以清楚地看到，在割嘴內(nèi)部計算域的上半部分，壓力幾乎趨于同一數(shù)值，說明沒有壓力的突變，而在割嘴內(nèi)部計算域的下半部分，壓力有一定減小的趨勢，但變化也是很均勻的，造成這種現(xiàn)象的原因主要是乙醇汽油與氧氣作用后，液滴距離割嘴出口越來越近，加之壓力逐漸減小，這一壓力值與乙醇汽油液滴的分布密切相關(guān)，壓力沒有突變說明液滴的分布也是很均勻的。

圖5 割嘴內(nèi)部計算域壓力場

圖6 割嘴內(nèi)部沿Z軸方向計算域壓力場

3 結(jié)論

（1）通過模擬結(jié)果分析表明，在乙醇汽油入口壓力和氧氣入口壓力一定時，該火焰切割專用割嘴內(nèi)部的乙醇汽油液滴的速度和壓力都沒有突變，混合相在出口處的速度可以達(dá)到100m/s，能夠滿足火焰的穩(wěn)定與連續(xù)燃燒，說明該割嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理；

（2）乙醇汽油入口壓力與氧氣入口壓力也是影響割嘴內(nèi)部氣液分布的關(guān)鍵因素，當(dāng)給定的壓力值合理時，能夠在一定程度上滿足乙醇汽油的霧化效果并且完成切割任務(wù)；

（3）之后，會對乙醇汽油與氧氣從割嘴出口噴射的液滴霧化情況進(jìn)行數(shù)值分析，進(jìn)一步探討混合相的液滴尺寸與分布，深入研究液體燃料的霧化情況。

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Numerical analysis of internal flow field of special cutting nozzle for flame cutting based on FLUENT

HAO Ming，LI Teng

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Qiqihar University, Heilongjiang Qiqihar 161006, China)

In this paper, the gas-liquid flow in a special cutting nozzle is studied by numerical simulation. The liquid flow field is described by standard turbulence model and discrete phase model (DPM). By analyzing the gas-liquid flow in the new oxygen ethanol gasoline cutting nozzle, the rationality of the design of the ethanol gasoline cutting nozzle is explored. The results show that for this ethanol gasoline cutting nozzle, when the liquid phase inlet pressure is 0.2MPa, the velocity field and pressure field in the cutting nozzle are evenly distributed after the action of ethanol gasoline and oxygen, which can meet the continuity and stability of combustion.

ethanol gasoline；cutting nozzle；FLUENT；numerical simulation

2021-09-23

郝明（1986-），男，黑龍江齊齊哈爾人，講師，碩士，主要從事流體仿真研究，haoming198616@163.com。

TG482+.3

A

1007-984X(2022)02-0015-03