低壓引射大氣式燃燒器內(nèi)部流場實驗

鄧海燕　仇明貴

摘 要：本文主要研究大氣式燃燒器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部流場，分別運用理論分析、數(shù)值分析、實驗分析三種手段對燃燒器內(nèi)部流場進行剖析。通過深入分析燃燒器各部位對引射能力、流場分布、燃燒工況的影響，為燃燒器的設(shè)計和優(yōu)化提供理論和實驗依據(jù)。

關(guān)鍵詞：燃燒器 引射 流場分析 數(shù)值模擬

Abstract：This article focus on the structure and internal flow field of the atmospheric burner， using three kinds of means which are theoretical analysis， numerical analysis， experimental analysis to analyze the internal flow field of burner respectively. Through deeply analysing different parts of the combustor's influences on the injection ability ，the distribution of flow field and the combustion conditions ，so as to provide theoretical and experimental basis for the design and optimization of burner.

Keywords：Burner Injection Flow field analysis Numerical simulation

引言

隨著《天然氣燃料動力船規(guī)范》在2013年9月1日頒布實施，天然氣等氣體燃料在船舶上的應(yīng)用拉開了序幕，船用設(shè)備中，除了主機輔機等動力設(shè)備外，生活用設(shè)備也可以采用氣體燃料，燃氣熱水器在船舶運營的日常生活中將成為一個重要的設(shè)備得到廣泛應(yīng)用。

作為提高燃氣熱水器的熱效率和工作穩(wěn)定性的關(guān)鍵部件——燃燒器是燃氣具核心零部件之一，該部件設(shè)計好壞直接影響到燃氣具的燃燒效率、燃燒穩(wěn)定性以及燃燒產(chǎn)物。因此，只有掌握燃燒器的工作原理，各部位設(shè)計意圖以及對燃燒性能的影響等相關(guān)知識，才能研究、優(yōu)化出各種高性能的燃燒器（燃燒工況穩(wěn)定、燃燒效率高、燃燒噪音小、有害氣體排放低）。

下面以強抽式燃氣熱水器的燃燒器為例進行研究，研究整個燃燒器內(nèi)部流道的速度場、壓力場的分布，以及流道對引射能力的影響，分析流道各部位的作用。

流場理論分析

1. 燃燒器工作原理

如圖1是某型號燃燒器結(jié)構(gòu)圖。從噴嘴出來的高速燃氣射流引射四周的靜止空氣，一起進入燃燒器收縮段，通過調(diào)整噴嘴與燃燒器之間距離可使燃氣射流完全進入收縮段，即在收縮段內(nèi)可以近似當作自由射流。由動量守恒定律，在收縮段燃氣速度逐漸降低，空氣速度逐漸增大。可燃混合氣（燃氣與空氣的混合物）隨之進入混合段，在混合段內(nèi)燃氣與空氣充分混合，然后進入擴壓段（擴張形流道），可燃混合氣速度下降，流道內(nèi)壓力上升，達到燃燒器頭部所需工作壓力?？扇蓟旌蠚饨?jīng)燃燒器頭部分配到各個火孔，形成部分預(yù)混燃燒。

2. 紊流自由引射

燃氣從噴嘴高速噴出形成紊流射流，紊流射流內(nèi)部有許多微團的橫向脈動，引起射流與周圍空氣的質(zhì)量和動量交換，使周圍空氣被卷吸。射流的卷吸作用是由于內(nèi)摩擦產(chǎn)生的，內(nèi)摩擦力的大小決定于擴散系數(shù)和速度梯度。

由于燃氣射流與靜止空氣間形成的物質(zhì)交換，就使混合氣射流質(zhì)量隨著離噴嘴距離的增加而增大，射流的寬度也隨之增大，而軸心速度隨之減小。

3. 燃燒器的流場分析

質(zhì)量流量為mg的燃氣在壓力P1（二次壓）下進入噴嘴，通過噴嘴燃氣壓力由P1降至P2（大氣壓），而流速則升高到ug（噴嘴燃氣噴射速度）。高速燃氣具有很大的動能，形成紊流自然引射，并卷吸mo的空氣，空氣速度用uo表示。

如圖2中的曲線可以看出，燃氣流速ug從噴嘴出來后逐漸減小，引射空氣使空氣流速uo逐漸增加，經(jīng)混合段使燃氣與空氣充分混合后，混合氣進入擴壓段，根據(jù)伯努力方程，流速逐漸減小，壓力不斷增加，形成燃燒器均勻穩(wěn)定燃燒時頭部所需要的壓力。擴壓段末端的預(yù)混合氣流速u和壓力h將直接影響到燃燒器頭部壓力分配以及燃氣從火孔流出的氣流方向。

上面定性的對燃燒器內(nèi)部的流速場、壓力場進行了分析，定性了解了燃氣從噴射到卷吸空氣，經(jīng)混合、擴壓形成頭部壓力的整個過程中燃氣、空氣速度和壓力的變化情況。并深入理解了引射器各部分的作用，以及影響燃燒器引射能力的因素。

為直觀、清晰地觀測到燃燒器內(nèi)部壓力場、流場的分布情況，下面將引入數(shù)值分析對燃燒器內(nèi)部流場進行分析。

數(shù)值分析

1. 計算區(qū)域

本數(shù)值分析主要模擬分析燃燒器內(nèi)部流場及噴嘴引射情況，包括燃氣從噴嘴噴出，然后引射空氣，后經(jīng)吸入段、混合段、擴壓段，頭部分配及火孔流出。因此，流體域包括噴嘴、引射部分空氣域、燃燒器內(nèi)部流體域、火孔外自由發(fā)展流體域。

2. 控制方程

本文主要研究燃氣引射情況以及燃燒器內(nèi)部流動情況，在建立數(shù)學模型時做如下假設(shè)：①流場已充分發(fā)展為穩(wěn)態(tài)湍流流動；②忽略體積力的影響；③流動在壁面上無滑移。模擬中采用標準的k-ξ計算模型，壓力和速度耦合采用SIMPLE算法，對流場采用二階迎風格式，并采用非耦合穩(wěn)態(tài)隱式格式求解，定義收斂條件為殘差值小于10-5。流體定義為不可壓縮的牛頓流體，流動遵循動量守恒定律、能量守恒定律和質(zhì)量守恒定律。

3. 流體域和邊界條件

如圖3，流體域采用甲烷和空氣的混合域，物性參數(shù)采用CH4和空氣；噴嘴前壓力為900Pa，因此噴嘴處設(shè)置為900Pa進口壓力，100%的甲烷；圖中藍色箭頭部分為引射空氣進口邊界條件，設(shè)置為開放邊界條件，壓力為0Pa，100%的空氣；頂部黑色箭頭部分為壓力出口邊界條件，壓力0Pa。

4. 壓力場分析

下面是對兩種不同擴壓段流道燃燒器進行壓力對比分析，可以看出圖4擴壓段體積較小，而圖5擴壓段體積較大。分析兩種流道內(nèi)的壓力分布，根據(jù)壓力云圖可以看出：①在侯口部由于高速燃燒射流產(chǎn)生引射，形成負壓（顏色較深）；②混合氣經(jīng)擴壓段，壓力不斷升高（顏色逐漸變淺），達到頭部所需壓力；③對比圖4和圖5，擴壓段角度或體積越大，擴壓效果越明顯。以上結(jié)論與理論分析完全吻合。

實驗分析

上面運用數(shù)值模擬的方法對燃燒器內(nèi)部流速場和壓力場進行分析，并直觀地再現(xiàn)了燃氣或空氣在燃燒器流道的分布，以及流道中的壓力分布和流線分布，并觀測燃氣在火孔出口處的速度場分布。下面將運用實驗手段對燃燒器中的壓力及火焰進行分析。

如圖6是燃燒器的實驗裝置。由噴嘴、燃燒器、夾具構(gòu)成，其中噴嘴前壓力可任意調(diào)節(jié)；燃燒器安裝于夾具上，夾具可以前后移動，即噴嘴與燃燒器的距離可以任意調(diào)節(jié)；圖7為燃燒器壓力測試點，測試該點位置的靜壓。現(xiàn)對不同擴壓段的燃燒器進行對比分析，第一種燃燒器擴壓段流道較小，第二種燃燒器擴壓段流道較大。

1、燃燒器內(nèi)部壓力測試

吸入口與噴嘴之間距離d，從100Pa開始逐漸增加噴嘴前壓力，并記錄所對應(yīng)的位置1、位置2處壓力。測試位置如圖7，測試結(jié)構(gòu)如圖8，據(jù)圖分析：①分析單條曲線，隨著二次壓的增加，擴壓端末端的壓強逐漸增加，曲線幾乎接近直線，即流道內(nèi)的壓力隨二次壓力線性變化。②在同一火排位置一與位置二對比分析，位置二的壓力低于位置一的壓力，說明混合氣經(jīng)擴壓段形成較大壓力，使燃燒器頭部重新分配；③對比不同流道同一位置的壓力曲線，發(fā)現(xiàn)擴壓段越小，則位置一和位置二壓力越小。

2、燃燒器火焰測試

調(diào)節(jié)噴嘴前壓力，火焰的變化趨勢如圖9，采用天然氣測試。根據(jù)下圖分析出，隨著壓力的增加（即燃氣流量的增加），火焰逐漸向左傾斜，這與數(shù)值模擬仿真完全吻合；隨著二次壓的增加，燃燒器右邊火焰逐漸獨立，而左側(cè)火焰更加傾斜；當二次壓達到1000Pa時，燃燒器右邊出現(xiàn)離焰。

3. 引射能力測試

通過前面的數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)不同流道內(nèi)的壓力和速度完全不同，但不同擴壓段是如何影響一次空氣的？下面通過觀察火焰情況來分析流道對一次空氣引射的影響。為清楚觀測火焰，下面采用液化氣，在相同二次壓力、噴嘴、以及噴嘴與燃燒器距離下進行對比實驗。圖10和圖11分別是前面仿真分析的擴壓段小和擴壓段大的燃燒圖，對比兩組火焰可得以下結(jié)論：①擴壓段流道小，燃氣流速快，火焰傾斜程度大，火焰相對清晰，一次空氣引射能力較強；②擴壓段流道大，燃氣流速慢，火焰更直，火焰相對較黃，一次空氣引射能力較弱。

結(jié)論

本文通過對燃燒器流道結(jié)構(gòu)進行理論分析，并運用CFD軟件對噴嘴引射及流道進行數(shù)值模擬分析，結(jié)合相關(guān)實驗對燃燒工況和壓力進行研究。重點分析了燃燒器擴壓段對燃燒工況的影響，所得結(jié)論如下：

理論分析、數(shù)值分析、實驗分析三種手段分析結(jié)果基本吻合，特別是數(shù)值仿真直觀反映燃燒器內(nèi)速度場、壓力場的分布，同時，通過實驗實測燃燒器內(nèi)壓力及火焰狀況來驗證其結(jié)果，加深了對燃燒器的理解。

擴壓段末端壓力隨噴嘴前壓力呈線性變化，大氣式燃燒器具有自調(diào)節(jié)引射能力，即引射空氣量隨燃氣量增加而增加，并保持一定比例。

擴壓段對燃燒器內(nèi)部流場及燃燒工況影響較大，擴壓段容積越大，其內(nèi)的壓力較高，混合氣流速較慢，頭部內(nèi)壓力分布更均勻，火焰更直，但引射一次空氣能力較差。

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