基于FLUENT火焰切割专用割嘴内部流场的数值分析

郝明，李腾

基于FLUENT火焰切割专用割嘴内部流场的数值分析

郝明，李腾

（齐齐哈尔大学 机电工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

乙醇汽油；割嘴；FLUENT；数值模拟

长期以来，乙炔一直作为火焰切割设备使用的主要燃料，并且相应的氧-乙炔割嘴也已经发展成熟。但是，由于乙炔是气体，因此在运输和使用时存在一定的安全隐患，并且乙炔在生产过程中会对环境造成一定的污染，所以寻找更加清洁、安全的新型切割用液体燃料具有重要的经济和社会意义[1]。乙醇汽油作为清洁、可再生能源受到了人们的普遍关注，当乙醇汽油燃料中乙醇体积浓度为10%和50%时，乙醇汽油燃烧时的火焰温度都在2234.94℃以上，氧乙醇汽油中性焰的外焰长度大约是氧乙炔中性焰的3.6～5.2倍，因此，乙醇汽油可以作为乙炔的切割替代燃料，能够满足火焰切割的温度要求及火焰长度要求[2]。

本文针对一种醇及醇烃混合燃料的火焰切割专用割嘴[3]，利用计算流体力学通用软件FLUENT对其内部结构进行数值模拟研究。由于该割嘴内部结构复杂、空间狭小，并且乙醇汽油液体燃料在割嘴内部初步雾化后的运动十分迅速，因此，仅仅依靠传统试验方法很难对割嘴内部的气液流动特性进行细致研究，CFD方法克服了传统实验方法的不足，通过数值模拟可以得到该割嘴内部计算域气液作用的各种细节[4-5]，结果表明CFD方法对割嘴内部流场的研究是可行的[6-8]。

1 计算模型

1.1 几何建模与网格划分

由于割嘴内部计算域结构比较复杂，在使用GAMBIT划分网格时，考虑到非结构网格适应性强，尤其是解决复杂问题时，优点突出，并已得到了广泛应用，因此本文采用非结构网格中的三角形网格[9]。网格过密，会造成计算代价高昂，网格过稀，会影响计算精确度，因此该计算域只在液体燃料入口与氧气入口处对网格进行了加密，网格总数为193879个，数量适中。割嘴的计算域网格模型如图1所示。

图1 割嘴的计算域网格模型

1.2 基本控制方程

任何物质的流动都必须满足连续性方程，本文主要研究乙醇汽油与氧气相互作用后的乙醇汽油液滴在该割嘴内部的流动特性，这种流动可以看作是不可压缩流动。

不可压缩流体在空间直角坐标系下的连续性方程为

1.3 湍流模型

1.4 DPM（离散相）模型

本文用离散相模型来描述乙醇汽油与氧气的耦合作用，设定乙醇汽油入口为液滴的喷射源，则液滴在割嘴内的作用力在笛卡尔坐标系下的平衡方程为

2 结果与分析

2.1 割嘴内部乙醇汽油液滴的速度场分析

由于要满足火焰燃烧的连续性和稳定性，要求乙醇汽油液滴的速度控制在合理的范围内，以液相入口处的压强为0.2MPa时为例，割嘴内部计算域的速度场、沿轴方向的速度场及沿轴方向二维速度场分布分别如图2, 3, 4所示。

图2 割嘴内部速度场

图3 割嘴内部沿Z轴方向速度场

图4 割嘴内部二维速度场

从图2, 3, 4中可以看出在割嘴出口处速度可以达到100m/s，能达到乙醇汽油连续与稳定的燃烧要求，并且乙醇汽油液滴在割嘴内部速度分布均匀，没有明显的速度突变，这样就避免了乙醇汽油液滴的回流。

2.2 乙醇汽油割嘴内部压力场分析

从图5和图6中可以清楚地看到，在割嘴内部计算域的上半部分，压力几乎趋于同一数值，说明没有压力的突变，而在割嘴内部计算域的下半部分，压力有一定减小的趋势，但变化也是很均匀的，造成这种现象的原因主要是乙醇汽油与氧气作用后，液滴距离割嘴出口越来越近，加之压力逐渐减小，这一压力值与乙醇汽油液滴的分布密切相关，压力没有突变说明液滴的分布也是很均匀的。

图5 割嘴内部计算域压力场

图6 割嘴内部沿Z轴方向计算域压力场

3 结论

（1）通过模拟结果分析表明，在乙醇汽油入口压力和氧气入口压力一定时，该火焰切割专用割嘴内部的乙醇汽油液滴的速度和压力都没有突变，混合相在出口处的速度可以达到100m/s，能够满足火焰的稳定与连续燃烧，说明该割嘴的结构设计合理；

（2）乙醇汽油入口压力与氧气入口压力也是影响割嘴内部气液分布的关键因素，当给定的压力值合理时，能够在一定程度上满足乙醇汽油的雾化效果并且完成切割任务；

（3）之后，会对乙醇汽油与氧气从割嘴出口喷射的液滴雾化情况进行数值分析，进一步探讨混合相的液滴尺寸与分布，深入研究液体燃料的雾化情况。

[1] 卜寅年. 氧-液化石油气与氧-乙炔火焰切割比较[J].煤气与热力，2003, 23(4): 220-222.

[2] 于娇，胡传顺，蒋应田等. 氧乙醇汽油火焰温度计算与切割工艺试验研究[J].电焊机，2010, 40(3): 40-43.

[3] 郭魁文，李宪臣，蒋应田，等. 一种醇及醇烃混合燃料火焰切割专用割嘴[P]. 中国: CN 201724213 U, 2011.01.26.

[4] PAYRI R, MOLINA S, SALVADOR F J, et al. A study of the relation between nozzle geometry, internal flow and sprays characteristics in diesel fuel injection systems[J]. KSME International Journal, 2004, 18(7): 1222-1235.

[5] HAN T, ZHAO Z, GILLISPIE B A, et al. Effects of spray conditions on coating formation by the kinetic spray process[J]. Journal of Thermal Spray Technology, 2005, 14(3): 373-383.

[6] 郝明，胡传顺，蒋应田. 基于FLUENT氧乙醇汽油割嘴内部流场分析[J].热加工工艺，2012, 41(17): 201-203, 213.

[7] ISHAK M H H,ISMAIL F,MAT S C,et al. Numerical study on the influence of nozzle spray shape on spray characteristics using diesel and biofuel blends[J]. Biofuels, 2021, 12(9): 1109-1121.

[8] 王亮，史纪飞，郭炜舟，等. 基于CFD的矿用旋流喷嘴结构仿真研究[J]. 煤炭技术，2021, 40(08): 193-195.

[9] 王福军. 计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用[M]. 北京：清华大学出版社，2004: 9.

[10] FLUENT User’s help(6.3.26).

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，黑龙江齐齐哈尔人，讲师，硕士，主要从事流体仿真研究，haoming198616@163.com。

TG482+.3

A

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