大氣式燃燒器內(nèi)引射器的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究

上海林內(nèi)有限公司 倪娟娟

上海理工大學(xué) 張海軍

0 引言

大氣式燃燒器是家用燃?xì)庠罹咧袘?yīng)用最廣泛的燃?xì)馊紵?，主要包含頭部及引射器兩部分。引射器是由吸氣漸縮管、混合管和漸擴(kuò)管組成。引射器是大氣式燃燒器的關(guān)鍵部件之一，其作用為以高能量的氣體引射低能量的氣體，并使兩者混合均勻；在引射器末端形成所需的剩余壓力，用來克服氣流在燃燒器頭部的阻力損失，使燃?xì)狻諝饣旌衔镌诨鹂壮隹讷@得必要的速度，以保證燃燒器穩(wěn)定工作；輸送一定的燃?xì)饬?，以保證燃燒器所需的熱負(fù)荷。

馮良等人采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) Computational Fluid Dynamic(CFD)，模擬了大氣式燃?xì)馊紵髦幸淦鞯牧鲌觯Y(jié)果表明通過數(shù)值模擬不僅可以提供詳細(xì)的流場信息，而且具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。方媛媛等人從數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)兩方面研究了某引射器性能，數(shù)值模擬可以給出引射器內(nèi)部的速度場和壓力場，結(jié)果表明通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬獲得的一次空氣系數(shù)和引射系數(shù)等具有較好一致性。郭甲生等人對(duì)某種上進(jìn)風(fēng)燃?xì)庠畹囊湫阅苓M(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，數(shù)值模擬給出了引射器內(nèi)的速度場和溫度場等，并對(duì)比了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的一次空氣系數(shù)，結(jié)果表明數(shù)值模擬的可靠性。游超林等人對(duì)多射流引射進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明數(shù)值模擬對(duì)引射器的研究具有重要指導(dǎo)意義，并從實(shí)驗(yàn)和模擬兩方面驗(yàn)證了該多射流引射器具有良好的混合性。鑒于前人對(duì)引射器的研究，本文采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)兩種方法，對(duì)上海林內(nèi)2M2F燃燒器內(nèi)引射器的空氣引射能力和引射器出口的燃?xì)狻諝饣旌暇鶆蛐缘葐栴}進(jìn)行研究，從而實(shí)現(xiàn)改進(jìn)和優(yōu)化本引射器和燃燒器的目的。

1 數(shù)值方法與實(shí)驗(yàn)裝置及原理

實(shí)驗(yàn)用燃燒器的工作介質(zhì)為甲烷，其額定壓力為2 000 Pa，被引射流體為空氣，其壓力為0 Pa。

1.1 數(shù)值方法

在常溫下引射器內(nèi)的燃?xì)饷芏葹槌?shù)，且滿足牛頓流體條件；引射器內(nèi)的燃?xì)馑俣容^低屬于不可壓縮流動(dòng)，引射器內(nèi)的燃?xì)饬鲃?dòng)滿足Navier-Stokes方程。本文采用FLUENT 6.3基于壓力的求解器模擬引射器內(nèi)燃?xì)獾牧鲌?，壓力速度耦合使用SIMPLE算法和采用標(biāo)準(zhǔn)k-e湍流模型，連續(xù)性、動(dòng)量、湍動(dòng)能和湍流耗散率方程的離散選擇迎風(fēng)差分格式，并采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理引射器的壁面邊界。燃?xì)膺M(jìn)口設(shè)為壓力進(jìn)口，總壓為1 860 Pa，物質(zhì)組分甲烷體積分?jǐn)?shù)為1；空氣進(jìn)口設(shè)為壓力進(jìn)口，總壓為0 Pa，物質(zhì)組分氧氣體積分?jǐn)?shù)為0.21；混合氣體的出口設(shè)為壓力出口，靜壓設(shè)為5 Pa；引射器壁面上采用無滑移邊界條件。

本文采用Solide Workers軟件對(duì)引射器進(jìn)行幾何建模，然后將其導(dǎo)入網(wǎng)格劃分工具Gambit軟件中生成非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，該網(wǎng)格具有優(yōu)越的幾何靈活性，對(duì)于復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，能生成質(zhì)量較高的網(wǎng)格，可以方便地進(jìn)行自適應(yīng)計(jì)算。引射器軸向(X方向)長度為0.122 1 m，燃?xì)馊肟谝淦髦睆?Y方向)為0.04 m。引射器網(wǎng)格如圖1所示：

圖1 引射器內(nèi)流場網(wǎng)格

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及原理

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由煤氣包(純甲烷)、燃?xì)饬髁坑?jì)、U型壓力計(jì)、2M2F燃?xì)庠睢⑽河?jì)、注射器和氣相色譜分析儀組成。實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)流程

引射器的引射能力采用一次空氣系數(shù)和質(zhì)量引射系數(shù)來描述。本文通過對(duì)一次空氣—燃?xì)獾幕旌蠚怏w中組分來確定一次空氣系數(shù)，并計(jì)算出質(zhì)量引射系數(shù)。

燃?xì)夂涂諝饣旌线^程中某組分i的平衡式為：

式中：xig—為實(shí)驗(yàn)燃?xì)庵衖組分的體積分?jǐn)?shù)；

xia—為空氣中i組分的體積分?jǐn)?shù)；

α— 一次空氣系數(shù)；

V0—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1 m3的燃?xì)馊紵璧睦碚摽諝饬?，m3/m3；

xim—為混合氣體中i組分的體積分?jǐn)?shù)。

一次空氣系數(shù)可以表示為：

質(zhì)量射系數(shù)可以表示為：

式中：u—質(zhì)量引射系數(shù)；

ma—被引射氣體質(zhì)量，kg；

mg—引射氣體質(zhì)量，kg。

在燃燒器頭部設(shè)置取樣口，用注射器對(duì)引射器中的混合氣體進(jìn)行取樣，然后通過色譜儀可以分析出混合氣體中氧氣的體積分?jǐn)?shù)。根據(jù)公式(2)可計(jì)算出一次空氣系數(shù)。為了提高實(shí)驗(yàn)的精度和可靠性，每次實(shí)驗(yàn)須設(shè)置兩個(gè)取樣口，且保證氣流均勻后取樣，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，取兩次實(shí)驗(yàn)的平均值。

由《燃?xì)馊紵c應(yīng)用》可知，一次空氣系數(shù)和質(zhì)量引射系數(shù)越大，引射能力越強(qiáng)；當(dāng)引射器形狀和尺寸固定后，質(zhì)量引射系數(shù)不隨噴射氣體的壓力變化而變化；意味著當(dāng)燃?xì)鈮毫Ω淖儠r(shí)，燃?xì)狻諝饣旌媳瓤梢跃S持不變，這是大氣式燃燒的一大優(yōu)點(diǎn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 流場分析

圖3 引射器內(nèi)流線

圖3描述了引射器內(nèi)三維數(shù)值模擬結(jié)果中某一軸面上的流線圖，其中X表示引射器的長度，Y表示引射器入口的直徑。燃?xì)庖砸欢ǖ乃俣冗M(jìn)入引射器，形成射流，射流內(nèi)部有許多分子微團(tuán)橫向脈動(dòng)，引起射流與周圍空氣的質(zhì)量和動(dòng)量交換，周圍空氣被卷吸。從圖中可以看出，在引射器入口的壁面有兩個(gè)對(duì)稱的渦，該渦是由于高速氣流卷吸周圍空氣所形成的；甲烷氣體和空氣兩股氣流在引射器的漸縮管和混合管內(nèi)進(jìn)行了劇烈的摻混，在漸擴(kuò)管處混合氣體的流速比較均勻。

圖4和5分別描述了引射器內(nèi)中心軸線上速度和壓力的分布。

圖4 中心軸上速度分布

圖5 中心軸線上壓力分布

從圖4可以看出，在0～0.05 m范圍內(nèi)中心軸上的速度具有較大的波動(dòng)，在0.05 m～0.122 1 m范圍內(nèi)速度基本保持穩(wěn)定。結(jié)合圖3可以看出，0～0.05 m范圍內(nèi)引射器內(nèi)燃?xì)夂涂諝獍l(fā)生了劇烈的動(dòng)量交換，使燃?xì)夂涂諝饣旌暇鶆?；在x=0.05 m處流速已經(jīng)基本穩(wěn)定。從圖5中可以看出，x=0.009 m處壓力最低為-7.48，中心軸上的壓力先迅速減小然后緩慢增大，在x=0.05 m處壓力基本保持穩(wěn)定。結(jié)合圖3可以看出，引射器入口壁面內(nèi)存在兩個(gè)渦，其渦心的位置為x=0.009 m，y=±0.016 m。根據(jù)伯努利方程可知，任意一條流線上總壓保持不變，漸縮管處壓力最低點(diǎn)一般為喉部；然而該引射器中壓力最低點(diǎn)向入口段移動(dòng)，因?yàn)橐淦魅肟诙螝怏w流量比較少，在入口段與喉部之間存在較大的負(fù)壓區(qū)。結(jié)合圖3和5可以看出，該引射器喉部在x=0.024 m處，然而壓力最低點(diǎn)在x=0.009 m處，顯然壓力最低點(diǎn)向入口段移動(dòng)0.015 m。

2.2 混合氣體均勻性分析

為了判斷引射器內(nèi)甲烷和氧氣混合的均勻性，本文引入了當(dāng)量比的定義。當(dāng)量比f表示燃料和氧化劑的混合物的配比情況，定義為：

其中： (A/F)stoic為化學(xué)恰當(dāng)反應(yīng)時(shí)消耗的空氣—燃料質(zhì)量比。F/A為摩爾體積之比。F代表燃料甲烷的體積流量，A代表空氣體積流量。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況分別計(jì)算出甲烷的體積流量和空氣的體積流量，采用公式(4)可以算出引射器的當(dāng)量比為1.280 8，以此作為判斷引射器內(nèi)燃?xì)夂涂諝饣旌暇鶆蛐缘臉?biāo)準(zhǔn)。圖6描述了引射器中心軸上當(dāng)量比的變化趨勢(shì)。從圖中可以看出，隨著中心軸位置的變化，當(dāng)量比逐漸減小并趨于穩(wěn)定；在中心軸x=0.095 m處的當(dāng)量比為1.280 8，則此處燃?xì)夂涂諝獾幕旌蠚怏w已經(jīng)完全混合均勻，且速度已經(jīng)完全穩(wěn)定。對(duì)引射器而言，如果把該引射器放在結(jié)構(gòu)緊湊的燃?xì)庠罹咧校诒ＷC燃?xì)夂涂諝獬浞只旌系那疤嵯?，該引射器的長度可以縮短到0.1 m。

圖6 中心軸線上當(dāng)量比分布

2.3 實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬

表1分別從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩方面描述了引射器內(nèi)實(shí)驗(yàn)工況和引射性能。

表1 引射器的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對(duì)比

從表中可以看出，數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)的工況基本一致，描述引射器引射性能的兩個(gè)參數(shù)一次空氣系數(shù)和質(zhì)量引射系數(shù)也具有較好的一致性。根據(jù)參考文獻(xiàn)《大氣式燃?xì)庖淦鞯?CFD研究》中給出的天然氣引射器的一次空氣系數(shù)為 0.6，質(zhì)量引射系數(shù)為 10.39；本文研究的引射器的一次空氣系數(shù)可以達(dá)到0.75，質(zhì)量引射系數(shù)可以達(dá)到13。對(duì)比發(fā)現(xiàn)該引射器具有較強(qiáng)引射能力。

3 結(jié)論

(1)采用中心軸上的當(dāng)量比來衡量引射器中燃?xì)馀c空氣混合的均勻性，該引射器在0.1 m處已經(jīng)充分混合，出口處氣體流速穩(wěn)定；

(2)在結(jié)構(gòu)比較緊湊的燃?xì)饩咧?，可以縮短引射器的長度，為工程設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)；

(3)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的結(jié)果都表明該引射器具有較好的引射能力。