闞潤哲 ， 成泓進， 張樹海 ， 茍瑞君 ， 陳亞紅

(1. 中北大學 環(huán)境與安全工程學院， 山西 太原 030051； 2. 太原市公安局， 山西 太原 030001)

0 引 言

自蔓延切割裝置是近年來國內(nèi)開始研究的新型切割工具， 該裝置基于自蔓延高溫合成技術(shù)研制， 可以依靠高熱劑的自蔓延高溫燃燒反應產(chǎn)生的熔融金屬及金屬氧化物對要切割的金屬材料進行融化、 沖擊以實現(xiàn)切割， 具有無需外接能源及設備、 小巧便捷、 操作簡單、 切割效率高等特點[1-3]. 因此該裝置可以在復雜環(huán)境下完成切割工作， 諸如廢棄彈藥銷毀、 戰(zhàn)場搶修、 自然災害救援等.

1972年美國學者Helms等[4]首次將自蔓延高溫合成技術(shù)應用于切割打孔領域， 使用金屬氧化物、 鎳粉、 產(chǎn)氣劑和鋁粉發(fā)明了一種用于自蔓延切割的煙火藥， 并在之后發(fā)明了水下切割炬[5-6]， 使得自蔓延切割裝置也可以運用于水下切割. 之后， 1994年George H等[7]沿用了Helms的配方發(fā)明了另一款可水下切割的切割炬. 國內(nèi)自蔓延切割裝置的研究始于2004年， 由臺州盛世環(huán)境工程有限公司開始研制[8-9]. 在此之后， 國內(nèi)在自蔓延切割的藥劑研究[10-12]和裝藥方式[13-14]研究中獲得了大量的成果. 但是， 切割裝置結(jié)構(gòu)對于切割效果的影響并沒有受到過多的關注[15-16]. 本文主要采用均勻設計法[17-19]和流體力學軟件相結(jié)合的方式， 通過研究切割裝置噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對切割效果的影響規(guī)律， 得到結(jié)構(gòu)參數(shù)合理的噴嘴， 從而提高切割效率[20]. 同時， 通過該研究方式可以大幅度減少實驗量， 降低實驗成本和實驗周期.

1 均勻設計方案

自蔓延切割裝置由底座， 底火， 藥柱， 管殼和噴嘴五部分組成， 圖 1(a) 為裝置示意圖. 其中， 自蔓延切割裝置使用錐直型噴嘴， 其結(jié)構(gòu)如圖 1(b) 所示， 噴嘴入口與切割器燃燒室相連， 其直徑大小受燃燒室直徑大小控制， 故不予分析， 根據(jù)實際情況取用直徑D=23 mm.

圖 1 切割裝置及噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the cutting device and nozzle structure

噴嘴入口直徑D確定后， 根據(jù)錐直型噴嘴結(jié)構(gòu)， 使用出口半徑X1(r)， 收縮角X2(α)和圓柱段長度X3(L)3個因素來控制切割裝置噴嘴形狀. 為研究不同因素水平對切割效果的影響， 對3個因素分別選取8個水平進行計算， 因素水平表如表 1 所示.

表 1 因素水平表

表 2 均勻設計方案

2 模擬計算

2.1 建立噴嘴仿真模型

為研究噴嘴外流場流動特性， 根據(jù)流體動力學原理和圖 1 中自蔓延切割裝置的對稱性， 簡化模型， 參數(shù)如下. 根據(jù)表 2 中均勻設計方案對噴嘴和外流場進行二維軸對稱模型構(gòu)建. 由于切割裝置燃燒室為直徑為23 mm的圓柱管， 因此入口AI長為11.5 mm； 外流場長200 mm， 寬40 mm， 即DE和GF為200 mm，GD和EF為40 mm. 所有模型均采用四邊形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格處理， 在噴嘴內(nèi)部靠近出口處進行細化處理， 如圖 2 所示.

圖 2 外流場模型構(gòu)建Fig.2 The construction of flow field model

2.2 輸入?yún)?shù)計算

本文選用的切割藥藥劑中含有高熱劑， 造氣劑， 緩速劑和合金劑4種. 根據(jù)最小自由能原理[21]對藥劑反應進行計算， 得到切割藥藥劑反應溫度及主要反應產(chǎn)物種類與質(zhì)量. 其配方組成如表 3 所示， 計算結(jié)果如表 4 所示.

表 3 藥劑配方

表 4 計算結(jié)果

由計算結(jié)果可知， 該切割劑配方燃燒后溫度達到2 741.9 K， 熔融產(chǎn)物主要由Cu和Al2O3組成， 根據(jù)表 5 中產(chǎn)物物理參數(shù)計算， 兩種熔融物質(zhì)的體積比Cu∶Al2O3為7∶3.

表 5 產(chǎn)物物理性質(zhì)[22-23]

由于自蔓延高溫合成燃燒速度快， 反應劇烈， 溫度非常高， 所以難以精確測量， 因此通過以下公式進行估算[24].

假設燃燒產(chǎn)物全部噴出， 且氣體產(chǎn)物為理想氣體， 則由質(zhì)量守恒定律可知

ρsusAs=ρAbr,

(1)

式中：us為出口速度；ρ為切割劑密度；ρs為射流密度；As為出口截面積；Ab為燃燒面積；r為燃燒速度. 實驗表明， 當無噴嘴(直徑23 mm)時，As≈Ab， 燃速約為2.55 cm/s， 通過表4中計算結(jié)果和式(1)計算， 出口速度約為0.8 m/s， 該結(jié)果與文獻結(jié)果近似[25-26].

2.3 設置模擬條件

將建好的模型網(wǎng)格mesh文件依次輸入Fluent軟件進行計算， 仿真模擬中使用瞬態(tài)分析， 打開VOF模型， 能量方程， 標準k-e湍流模型， 運用壓力求解器的SIMPLE分離求解算法進行計算. 仿真模擬中入口為AI， 邊界條件為Velocity-inlet， 入口速度0.8 m/s； 出口為CD,DE,EF， 邊界條件為Outflow； 噴嘴壁面為AB,BC， 使用Wall， 定義為絕熱且無滑移； 對稱軸為IH,HG,GF， 使用Axisymmetry.

3 結(jié)果分析

對表 2 中8種不同尺寸噴嘴進行仿真模擬計算， 選取氣體出口速度Y1， 熔融物出口速度Y2和溫度損耗程度Y33個結(jié)果作為評價噴嘴優(yōu)劣的條件， 以核心射流區(qū)長度Y4作為噴嘴使用參數(shù). 將模擬結(jié)果進行統(tǒng)計， 數(shù)據(jù)結(jié)果如表 6 所示.

表 6 仿真模擬結(jié)果

3.1 氣體出口速度Y1

將各因素水平與氣體出口速度進行二次多項式回歸分析， 回歸結(jié)果如表 7 所示. 模型擬合F=27.107 9， 顯著性水平為0.002 1<0.05, 相關系數(shù)R=0.956 9， 調(diào)整后的相關系數(shù)為Ra=0.939 0. 回歸方程如下

Y1=47.371 428 6-13.104 166 667X1+

(2)

表 7 回歸方程的偏相關系數(shù)與t, P值

對于自蔓延切割器而言， 氣體出口速度越大， 對被切割物的吹力越大， 高速氣流可以吹去被切割物體表面熔渣和融化物， 增強其沿厚度方向打孔能力， 因此氣體出口速度越大， 切割效果越好. 對二次多項式回歸分析結(jié)果取最大值， 得到氣體出口速度最大值和取該值時各因素的取值如表 8 所示， 當出口半徑取值2 mm時， 氣體出口速度最大， 為24.808 3 m/s.

表 8 最高指標時各個因素組合

3.2 熔融物出口速度Y2

將模擬結(jié)果進行回歸分析可得， 熔融物出口速度Y2與各因素間的二次多項式回歸方程如下

Y2=45.973 214 3-12.852 976 190X1+

(3)

本次回歸分析的相關系數(shù)R=0.957 1， 調(diào)整后的相關系數(shù)為Ra=0.939 5， 總體顯著性檢驗值F=27.308 0， 每個自變量顯著性水平均小于0.05， 回歸方程顯著性水平P值為0.0020<0.05， 此回歸方程對結(jié)果Y2的擬合效果較好， 回歸方程結(jié)果如表 9 所示.

表 9 回歸方程的偏相關系數(shù)與t, P值

自蔓延切割裝置出射物質(zhì)是經(jīng)自蔓延高溫合成反應生成的多種金屬和金屬氧化物， 其質(zhì)量由切割藥劑種類和配比決定. 根據(jù)動量定義式J=M·V，J為物體所具有的動量，M為物體質(zhì)量，V為物體速度， 可知， 在質(zhì)量一定的情況下，V越大J就越大， 射流具有的動能越大， 對被切割材料的沖擊效果就越好， 有利于切割打孔. 因此， 對二次多項式回歸分析結(jié)果取最大值， 得到熔融產(chǎn)物出口速度最大值和取該值時各因素的取值如表 10 所示， 當出口半徑取值2 mm時， 熔融物出口速度最大， 為23.879 2 m/s.

表 10 最高指標時各個因素組合

為了驗證模擬中兩相流速度結(jié)果的可靠性， 通過質(zhì)量守恒定律進行估算， 假設噴嘴壁面光滑， 無附著產(chǎn)物， 則噴嘴入口物質(zhì)質(zhì)量等于出口物質(zhì)質(zhì)量， 即

u1A1ρ2=u2A2ρ2,

(4)

式中：u1，A1，ρ2分別為入口物質(zhì)速度， 入口面積， 入口物質(zhì)密度；u2，A2，ρ2分別為出口物質(zhì)速度， 出口面積， 出口物質(zhì)密度. 將數(shù)據(jù)代入計算可得， 出口速度約為26.45 m/s， 與模擬結(jié)果基本一致， 其誤差的產(chǎn)生是由于沒有考慮物質(zhì)在噴嘴內(nèi)的勢能和壓力的變化、 流動狀態(tài)等因素. 該結(jié)果說明了模擬結(jié)果的正確性.

3.3 溫度損耗程度Y3

自蔓延切割是依靠切割藥劑反應產(chǎn)生的熱去融化切割材料實現(xiàn)切割過程的， 在熔融金屬射出后， 會發(fā)生熱量的散失和擴散. 因此， 在熔融金屬射出口， 溫度損耗程度的多少直接影響到切割的效果. 由模擬結(jié)果可知， 在射流穩(wěn)定后， 溫度場也會呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài). 受模型大小限制， 溫度場無法完全顯示， 并且溫度場中低溫區(qū)溫度下降快， 會導致讀取的數(shù)據(jù)誤差較大， 因此選用鋼材融化溫度1 800 K作為參考溫度， 并引入?yún)?shù)C定義為溫度損耗程度：C=R/r， 其中R為射流穩(wěn)定后外流場中溫度曲線(T=1 800 K)距軸線的最大距離， mm；r為出口半徑， mm. 實際切割過程中溫度耗散程度越小， 能量越集中， 切割效果越好， 切割劑的使用效率越高.

將各因素水平進行二次多項式回歸分析， 得出回歸方程如下， 相關統(tǒng)計學結(jié)果如表 11 所示.

0.002 307 235 272 2X1X2.

(5)

表 11 回歸方程的偏相關系數(shù)與t, P值

在因素X1限制為2 mm時， 對二次多項式回歸分析結(jié)果取最小值， 得到溫度損耗程度最小值和取該值時各因素的取值如表 12 所示.

表 12 最高指標時各個因素組合

3.4 噴嘴圓柱段長度分析

由射流相關理論[27]分析可知， 圓柱段長度直接影響到了噴嘴外流場的穩(wěn)定性. 由于噴嘴收縮段的作用， 流體所受壓力轉(zhuǎn)變?yōu)槠鋭幽埽?使得流體進入噴嘴的動能不斷增大， 射流在進入圓柱段前擾動加劇， 速度方向混亂， 圓柱段可以起到穩(wěn)定射流狀態(tài)， 增加射流集中程度的作用. 但實際使用中， 由于圓柱段制作材料摩擦阻力的存在， 圓柱段越長， 射流受到的摩擦阻力越大， 壁面能量損失越大， 出口速度越低， 因此圓柱段長度應當相對較小. 根據(jù)式(2)～式(4)分析可知， 噴嘴出口半徑取值為 2 mm， 收縮角為16.66° 時其各項指標較優(yōu). 從上述回歸方程中發(fā)現(xiàn)， 當出口速度最大時，X3取值為2.826 4 mm， 當溫度耗散程度最小時，X3取值為10.623 1. 綜合實際情況和理論分析發(fā)現(xiàn)， 圓柱段長度取值2.826 4 mm較為合適.

3.5 切割距離分析

自蔓延切割裝置的使用距離是重要的參數(shù)之一， 切割裝置與被切割材料距離過短會造成出口處壓力過大， 引起危險； 如果切割距離過大， 會導致產(chǎn)物熱量與能量的大量消耗， 降低切割的效果. 根據(jù)湍流自由射流原理[28]， 假設切割藥劑反應后產(chǎn)物以均勻的初始速度經(jīng)噴嘴噴出， 切割時無固定邊界對射流限制， 此時可以看作自由射流. 湍流自由射流過程如圖 3 所示.

圖 3 湍流自由射流Fig.3 Turbulent free jet flow

切割藥劑反應后形成產(chǎn)物經(jīng)噴嘴壓縮后形成射流， 射流過程從噴嘴出口開始可依次分為起始段， 過渡段和主體段. 其中起始段內(nèi)中心部分未與周圍流體摻混， 仍保持初始流速的區(qū)域稱之為射流的勢流核心區(qū). 在該區(qū)域內(nèi)由于流速與出口流速一致， 所以在該區(qū)域內(nèi)射流具有的動能最大， 切割效果最好. 因此， 勢流核心區(qū)的長度決定了切割裝置的有效切割距離. 圖 4 為各組模擬中軸心線上射流出射距離與其速度的關系， 通過該圖可以看出勢流核心區(qū)之后速度衰減較快， 切割效果將極大削減.

圖 4 核心區(qū)模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of core area

根據(jù)表 6 中結(jié)果， 將各因素與射流核心區(qū)長度Y4進行二次多項式回歸分析. 回歸方程F值為87.932 7； 經(jīng)顯著性檢驗， 回歸方程顯著性水平P為0.000 1， 方程顯著. 回歸方程擬合相關系數(shù)為0.967 5， 調(diào)整后相關系數(shù)達到0.96 2， 擬合效果較好. 回歸方程如下

(6)

表 13 回歸方程的偏相關系數(shù)與t, P值

將出口半徑d=2 mm代入方程， 得出核心射流區(qū)長度約為 8.75 mm， 即最佳切割距離為8.75 mm， 該結(jié)果符合實驗測得切割裝置與切割材料使用距離為6～10 mm的實驗結(jié)果[29-30].

本次模擬結(jié)果表明， 當噴嘴出口半徑為2 mm， 收縮角為16.66°且圓柱段長度為2.8 mm時， 其兩相流體出口速度最大， 溫度損耗最小， 切割效果最優(yōu)， 并且應當使噴嘴與被切割材料保持8.75 mm的使用距離. 文獻[31]實驗表明， 燃速和密度與模擬條件接近的切割炬使用出口半徑為2 mm的噴嘴進行實驗， 其出口速度達到25～30 m/s， 最優(yōu)切割距離為6～10 mm， 并且從射流理論分析了核心射流區(qū)長度， 其結(jié)果與本文模擬結(jié)果相近， 因此認為該模擬結(jié)果具有較高的可靠性.

4 結(jié) 論

1) 將均勻配方試驗法與Fluent流體力學軟件相結(jié)合， 用于自蔓延切割裝置的設計中， 其優(yōu)點是減少了大量實驗次數(shù)， 節(jié)約時間的同時也節(jié)約了實驗成本. 結(jié)果表明， 該研究方法可以獲得較為準確的分析結(jié)果， 其結(jié)果為切割裝置設計提供了數(shù)據(jù)基礎.

2) 運用回歸分析法對各評價指標進行分析， 結(jié)果表明： 當出口半徑為2 mm， 收縮角為 16.66°， 圓柱段長度2.8 mm時， 氣體出口流速為24.808 3 m/s， 熔融物出口流速為23.879 2 m/s， 溫度損耗程度為1.975 8， 各項切割指標結(jié)果最優(yōu).

3) 通過分析可知， 當噴嘴選取最優(yōu)參數(shù)時， 切割裝置與被切割材料應保持8.75 mm的使用距離. 該數(shù)值符合已有實驗結(jié)論， 證明本次模擬結(jié)果與回歸分析具有可靠性.