基于CFD的燃燒器內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬與分析

林 剛

（廣東萬和電氣有限公司 佛山 528500）

前言

國內(nèi)對(duì)于家用燃?xì)庠钸M(jìn)行了大量的研究，也取得了很多的成果。夏昭知（1987）通過實(shí)驗(yàn)研究了民用燃?xì)庠钊紵鞯幕鹧娣€(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)研究表明：減小一次空氣系數(shù)是消除脫火的有效方法之一。雷廷宙等（1993）就通過調(diào)整風(fēng)門開度來改變一次空氣系數(shù)，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合分析一次空氣系數(shù)對(duì)燃?xì)庠罹呷紵阅艿挠绊?。宓亢琪?1998)研究了關(guān)于鼓風(fēng)引射式燃燒器的理論計(jì)算，對(duì)鼓風(fēng)引射式燃燒器的最佳工況和非最佳工況情況下的結(jié)構(gòu)尺寸和其他因素的相互關(guān)系進(jìn)行了闡述[1]。用CFD軟件，對(duì)大氣式燃燒器的引射器進(jìn)行建模，并分析噴嘴位置對(duì)引射器各項(xiàng)參數(shù)的影響，其中重點(diǎn)研究了噴嘴位置對(duì)一次空氣系數(shù)的影響。為了提高鼓風(fēng)式燃?xì)庠顭嵝什⒔档蜔煔庵杏泻怏w的含量，何賢釗等（2007）標(biāo)定了擋板在不同位置時(shí)鼓風(fēng)式燃?xì)庠钪硷L(fēng)機(jī)進(jìn)口的風(fēng)量與壓頭，并計(jì)算出對(duì)應(yīng)位置燃燒所需的燃?xì)饬浚沟萌細(xì)庠钤诓煌β守?fù)荷下助燃風(fēng)量與燃?xì)饬康钠ヅ涞玫絻?yōu)化。張燦等（2008）利用數(shù)值模擬方法，模擬了一次空氣系數(shù)對(duì)家用燃?xì)庠钊紵阅艿挠绊?，?shí)驗(yàn)結(jié)果表明：一次空氣系數(shù)對(duì)熱效率影響最大。同時(shí)Dong 等（1994，2002，2003，2004，2005）系列通過實(shí)驗(yàn)研究得到火焰?zhèn)鳠嵝Ч饕绊懸蛩厥抢字Z數(shù)、鍋支架高度、火孔形狀和尺寸、一次空氣系數(shù)及鍋的材質(zhì)等[2]。前人的研究充分的說明了一次空氣的重要性，其中不乏是通過調(diào)整風(fēng)門開度來驗(yàn)證其重要性，但是風(fēng)門板對(duì)一次空氣與燃?xì)獾幕旌暇鶆蛐缘难芯繀s還鮮有報(bào)道，本研究不僅對(duì)風(fēng)門開度進(jìn)行了模擬分析，還針對(duì)了不同結(jié)構(gòu)下的風(fēng)門對(duì)燃燒器內(nèi)部流場(chǎng)的影響進(jìn)行了仿真模擬分析。

1 燃燒器模型的建立

本論文研究的燃?xì)庠钍且蕴烊粴鉃槿剂系拇髿馐饺細(xì)庠?，圖1為大氣式燃?xì)庠?D模型、圖2外環(huán)內(nèi)部流場(chǎng)、圖3外環(huán)內(nèi)部流場(chǎng)網(wǎng)格化圖。圖4為各種風(fēng)門板的3D模型圖。針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的風(fēng)門板分別模擬分析了其對(duì)燃燒器引射能力的影響，該過程包括燃?xì)庠钊S物理模型的建立、網(wǎng)格的劃分、計(jì)算模型的選擇、邊界條件的設(shè)置以及數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的分析等。

本研究使用workbench對(duì)燃燒器進(jìn)行模擬仿真。運(yùn)用spaceclaim對(duì)燃燒器物理模型進(jìn)行優(yōu)化處理，通過抽體積方式得到外環(huán)燃燒器的流體區(qū)，在經(jīng)過去倒角，短邊等操作得到一個(gè)較優(yōu)燃燒器內(nèi)部流體域。把燃燒器內(nèi)部流體域?qū)氲絤esh軟件中，對(duì)進(jìn)出口邊界面重新命名，對(duì)于結(jié)構(gòu)尺寸比較小的噴嘴和火孔，進(jìn)行局部2階加密，最后采取整體自動(dòng)化網(wǎng)格，得到模型的整體網(wǎng)格數(shù)約為260萬，如圖3所示。本研究選擇壓力求解器，速度屬性選擇絕對(duì)速度；重力加速度為-9.8 m/s2，時(shí)間屬性選擇穩(wěn)態(tài)即穩(wěn)態(tài)運(yùn)算。

燃燒器數(shù)學(xué)模型選著湍流Realizable k-e模型，打開能量守恒方程，其中涉及個(gè)組分的混合，所以須打開打開組分運(yùn)輸模型，混合氣體選擇methane-air。燃燒器物理模型中，甲烷采用質(zhì)量速度入口(massflow-inlet)，根據(jù)熱負(fù)荷計(jì)算出為7.2e-5 kg/s。一次與二次空氣入口都采用壓力入口(pressure-inlet)，靜壓設(shè)置為0 pa。出口邊界均采用壓力出口(pressure-outlet)，靜壓設(shè)置為0 pa。

通過對(duì)燃燒器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了各種風(fēng)門板結(jié)構(gòu)下的各組分濃度場(chǎng)分布和一次空氣的引射量。由于所研究的對(duì)象為三維模型，所以均取截面進(jìn)行分析，且模型坐標(biāo)原點(diǎn)為噴嘴圓心處，建立入口截面Y=0，燃?xì)馔ǖ澜孛鎄=0，水平面Z=60 mm，火孔處口見面，及多個(gè)通道橫截面Y=50 mm（60、70、80、90、100、110）作為觀察截面。

2 燃燒器內(nèi)部流場(chǎng)分析

2.1 傳統(tǒng)風(fēng)門板結(jié)構(gòu)下燃燒器內(nèi)部流場(chǎng)分析

圖1 大氣式燃燒器3D模型圖

圖2 燃燒器內(nèi)部流場(chǎng)

圖3 燃燒器內(nèi)部流場(chǎng)網(wǎng)格化

圖4 45 °折彎角，不同導(dǎo)流片數(shù)量下的風(fēng)門板3-D模型圖

圖5是傳統(tǒng)風(fēng)門板結(jié)構(gòu)下燃燒器截面的甲烷氣體濃度分布圖，甲烷氣體在額定壓力2 000 pa下，以一定流速從噴嘴噴出并靠自身的能量吸入一次空氣，收縮段后進(jìn)入混合段（引射器類似文丘里管，由收縮段、混合段和擴(kuò)壓段組成）其混合段作用是使得甲烷氣體和空氣混合均勻。由于氣體混合是耗能過程，所以混合氣體平均速度減??；由于后半段是擴(kuò)壓段，部分動(dòng)壓轉(zhuǎn)化為靜壓，使得混合氣體速度提高，最終混合氣在火孔處噴出燃料混合氣。本研究以純凈的甲烷氣體為研究對(duì)象，所以在噴嘴處甲烷的摩爾濃度分?jǐn)?shù)為最大值1，其代表顏色為深紅色，隨著引射腔的深入，一次空氣與燃?xì)庵饾u混合，所以甲烷的摩爾濃度比在下降，及顏色由紅色慢慢轉(zhuǎn)變成藍(lán)色，即圖三中的顏色是代表甲烷在這一點(diǎn)位置處的摩爾濃度比。從圖5中我們可以清晰看出，我們傳統(tǒng)的風(fēng)門板結(jié)構(gòu)下，引射器吸入的一次空氣與甲烷氣體有所混合，但并沒有達(dá)到最佳混合均勻的效果，引射器底部的甲烷濃度略高于引射器頂部甲烷濃度，可見其中還有很大的優(yōu)化空間。通過仿真模擬我們還得出了此結(jié)構(gòu)下一次空氣的吸入流量為0.000 642 3 kg/s，燃?xì)膺M(jìn)口流量為0.000 089 kg/s。

2.2 折彎角度45 °的風(fēng)門板導(dǎo)流片數(shù)量對(duì)引射影響

為了研究風(fēng)門板結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒器引射效果的影響，分別設(shè)計(jì)了圖4所示的新型風(fēng)門板結(jié)構(gòu)，相對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)門板把去料改成折彎，這種結(jié)構(gòu)相當(dāng)于對(duì)一次空氣進(jìn)行了一個(gè)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)流的作用，以期望能增大一次空氣與燃?xì)獾幕旌闲Ч瑸榇朔謩e設(shè)計(jì)了不同數(shù)量（4片、8片、10片、12片、14片、16片）和不同折彎角度（30 °、45 °、50 °、60 °）的風(fēng)門板結(jié)構(gòu)。分別對(duì)其做了相同的仿真模擬，得到如圖6所示，從圖中的顏色分布可以看出風(fēng)門板導(dǎo)流片數(shù)量為4片、8片、10片、12片的混合效果較好，其中又以4片的混合效果最佳，而14片及16片的混合效果較差。另一方面，我們發(fā)現(xiàn)各個(gè)結(jié)構(gòu)下的甲烷濃度分布圖的整體顏色存在一定的區(qū)別，這主要是不同結(jié)構(gòu)下的風(fēng)門板對(duì)一次空氣的引射能力不一樣，顏色越淺代表著其引射能力越強(qiáng)，顏色越深則反之。

2.3 折彎角度50 °的風(fēng)門板導(dǎo)流片折彎角度對(duì)引射影響

如圖7所示為折彎角度50 °時(shí)不同導(dǎo)流片數(shù)量下燃燒器內(nèi)部甲烷濃度分布圖，從圖中的顏色分布可以看出風(fēng)門板導(dǎo)流片數(shù)量為10片、12片及16片的混合效果較好，其中又以10片的混合效果最佳，而4片、8片及14片的混合效果較差。可見其規(guī)律與45 °折彎角的不一樣。同樣的各個(gè)結(jié)構(gòu)下的甲烷濃度分布圖的整體顏色存在一定的區(qū)別，即各結(jié)構(gòu)下的引射能力亦不一樣，為此經(jīng)過仿真模擬數(shù)據(jù)我們得到如下表1。

圖5 傳統(tǒng)分門板結(jié)構(gòu)下的燃燒器內(nèi)部甲烷濃度分布圖

圖6 折彎角度為45 °，導(dǎo)流片數(shù)依次增大下甲烷濃度分布圖部

經(jīng)過整理分析得到如圖8所示，從圖中我們可以清晰的得出，當(dāng)風(fēng)門板的導(dǎo)流片設(shè)置在12片的時(shí)，燃燒器的引射性能達(dá)到最佳，一次空氣系數(shù)達(dá)到最大。同時(shí)還能滿足燃?xì)馀c一次空氣在混合腔內(nèi)混合均勻，充分混合均勻不僅能有效的提高燃?xì)獾睦寐?，更能使得燃燒器的熱?fù)荷分布均勻，穩(wěn)定提升灶具的整體性能。

2.4 同數(shù)量下的風(fēng)門板導(dǎo)流片折彎角度對(duì)引射影響

根據(jù)上述研究，我們已經(jīng)找到一個(gè)適合導(dǎo)流片數(shù)量，但對(duì)其折彎角度還不夠全面，為此本節(jié)新增了30 °和60 °角度的折彎角度，對(duì)這兩個(gè)結(jié)構(gòu)作了同樣的模擬仿真得到如圖9所示，從圖中可以看出在水平截面其顏色都較為均一，說明其一次空氣與燃?xì)饣旌闲Ч^好，但是在混合腔還存在這一定差距，其中45 °的混合效果最佳，在混合腔底部已完成混合均勻。整體顏色仍存在一定的差距，說明其引射能力有所不同，通過仿真提取其一次空氣進(jìn)氣流量。經(jīng)整理得到如圖10所示，從圖上可以看出折彎角度與一次空氣流量關(guān)系先隨折彎角度增大先平緩上升，中間呈現(xiàn)指數(shù)上升趨勢(shì)，最后呈現(xiàn)緩慢水平趨勢(shì)，即燃燒器的引射效果隨折彎角度的增大在增強(qiáng)，最終會(huì)達(dá)到一個(gè)最大值。這是因?yàn)檎蹚澖Y(jié)構(gòu)雖然具有導(dǎo)流的作用但是也會(huì)阻礙空氣的流動(dòng)，增大了空氣的流動(dòng)阻力，折彎的角度越大，阻礙的越少，則引射能力越強(qiáng)，但折彎角度過大則影響燃?xì)馀c一次空氣的混合效果，為此綜合考慮，我們選擇45°折彎角具有12片導(dǎo)流片的風(fēng)門板結(jié)構(gòu)為最佳結(jié)構(gòu)。

圖7 折彎角度為45 °，導(dǎo)流片數(shù)依次增大下甲烷濃度分布圖部

圖8 導(dǎo)流葉片數(shù)量與空氣引射量的關(guān)系圖

圖9 相同導(dǎo)流片數(shù)量，折彎角度依次增大下甲烷濃度分布圖

表1 相同折彎角度，導(dǎo)流片數(shù)依次增大下的燃燒器引射空氣量

圖10 折彎角度與空氣引射量的關(guān)系圖

3 結(jié)論

1）模擬分析了當(dāng)前傳統(tǒng)的風(fēng)門板結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒器的引射混合效果，得到其在混合腔底部未能完全混合均勻，混合效果有待優(yōu)化。

2）通過增加導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)提高一次空氣與燃?xì)獾幕旌闲Ч?，分別對(duì)比了相同折彎角度下，不同數(shù)量下的導(dǎo)流片對(duì)燃燒器的影響，得到12片導(dǎo)流葉片是最佳結(jié)構(gòu)。

3）通過分別對(duì)比了相同數(shù)量下，不同折彎角度下導(dǎo)流片對(duì)燃燒器的影響，得到了一次空氣隨著折彎角度增大為增大，但過大的折彎角會(huì)影響混合效果，綜合兩方面最后得出折彎角度為45 °角具有12片導(dǎo)流片的風(fēng)門板結(jié)構(gòu)最佳。