二氧化碳致裂器相變流場(chǎng)有限元分析

徐坤鴻 胡軍科 牛奇斌 趙存

摘 要：本文主要研究二氧化碳致裂器相變流場(chǎng)問(wèn)題。在現(xiàn)有致裂器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，借鑒前人對(duì)液化氣體儲(chǔ)罐的研究，利用Fluent流體仿真軟件，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和VOF多相流模型，通過(guò)用戶(hù)自定義函數(shù)來(lái)定義相變，建立有限元仿真模型。通過(guò)仿真得到致裂器內(nèi)壓力與氣相體積分?jǐn)?shù)的時(shí)間響應(yīng)曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)升壓速率隨時(shí)間逐漸升高，相變速率隨時(shí)間逐漸降低。

關(guān)鍵詞：二氧化碳致裂器；相變；Fluent

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）08-0139-04

Finite Element Analysis of the Phase Transition

in Carbon Dioxide Fracturing Device Flow Field

XU Kunhong1 HU Junke1，2 NIU Qibin1 ZHAO Cun1

（1.College of Mechanical & Electrical Engineering， Central South University，Changsha Hunan 410083；2.State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing， Central South University， Changsha Hunan 410083）

Abstract： This paper mainly studied the phase change flow field of CO2 cracking device. On the basis of the existing structure，reference to the research of liquefied gas storage tank， the finite element model was established by adopting standard turbulent model and VOF （volume of fluid） model，and user-defined function was compiled to define phase interaction. Time response curve about pressure and volume fraction of the gas phase was generated. It is found that the rising pressure rate increases with time， and the phase change rate decreases with time.

Keywords： carbon dioxide fracturing device；phase transition；Fluent

近年來(lái)，囿于炸藥爆破安全性低、噪聲和污染等問(wèn)題，一種非炸藥爆破技術(shù)——二氧化碳致裂技術(shù)取得了極大發(fā)展。二氧化碳致裂技術(shù)是利用液態(tài)的二氧化碳在有限的空間內(nèi)吸熱汽化后體積劇烈膨脹產(chǎn)生高壓，使煤層、巖石或混凝土破裂的技術(shù)[1]。這種技術(shù)在爆破過(guò)程中無(wú)明火產(chǎn)生，安全性相對(duì)較高，可廣泛用于煤礦開(kāi)采、采石場(chǎng)等工程項(xiàng)目[2，3]。

目前，關(guān)于致裂器的研究大多集中于結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方面，并沒(méi)有關(guān)于致裂器內(nèi)部相變機(jī)理的研究。筆者在借鑒前人對(duì)噴火環(huán)境下液化氣儲(chǔ)罐熱響應(yīng)行為數(shù)值模擬[4]及液化氣罐受熱引爆機(jī)理分析[5]，對(duì)二氧化碳致裂器相變流場(chǎng)機(jī)理進(jìn)行研究，以期對(duì)行業(yè)內(nèi)致裂器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供理論指導(dǎo)。

1 仿真模型

本文選用Fluent流場(chǎng)分析軟件進(jìn)行致裂器相變模擬，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，采用有限體積法離散瞬態(tài)控制方程，求解方式采用非耦合隱式方程。為了提高求解的精度，對(duì)流項(xiàng)和壓力項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)格式?！?br>