低壓引射器的數(shù)值模擬及參數(shù)化研究

上海林內(nèi)有限公司 倪娟娟安世亞太上海分公司 季锃釧

低壓引射器的數(shù)值模擬及參數(shù)化研究

上海林內(nèi)有限公司 倪娟娟安世亞太上海分公司 季锃釧

主要研究低壓大氣式燃燒器中引射器內(nèi)部流動(dòng)情況及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的參數(shù)化，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)比一次空氣系數(shù)和質(zhì)量引射系數(shù)，驗(yàn)證數(shù)值模擬軟件的可靠性，再利用CFD軟件對(duì)引射器進(jìn)行參數(shù)化研究；利用 Workbench平臺(tái)分別從風(fēng)門位置的變化、噴嘴位置的變化和混合管長(zhǎng)度的變化等三方面進(jìn)行對(duì)比得出結(jié)論。

引射器 數(shù)值模擬 燃燒器 參數(shù)化 實(shí)驗(yàn)

0 引言

低壓大氣式引射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般是根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)中的一些問(wèn)題點(diǎn)也是通過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)來(lái)解決和改進(jìn)的。雖然引射器的工作原理簡(jiǎn)單，但內(nèi)部流場(chǎng)相當(dāng)復(fù)雜。受測(cè)試手段和方法的限制，通過(guò)實(shí)驗(yàn)難以獲得燃燒器內(nèi)部流動(dòng)的真實(shí)信息，例如速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)和壓力等分布，因而造成目前產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中，需要多次打樣，反復(fù)做實(shí)驗(yàn)和修改結(jié)構(gòu)才能得到最終產(chǎn)品。這種方式比較傳統(tǒng)，浪費(fèi)時(shí)間且投入成本較高。隨著計(jì)算流體力學(xué)的飛速發(fā)展，利用 CFD來(lái)研究燃燒器內(nèi)部流場(chǎng)、多組分?jǐn)U散、化學(xué)反應(yīng)等復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象的公司越來(lái)越多，計(jì)算流體力學(xué)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中起到了越來(lái)越重要的作用。

本文研究的是低壓大氣式燃燒器中關(guān)鍵部件之一的低壓引射器。燃?xì)庠谝欢▔毫ο?，以一定流速?gòu)膰娮炝鞒?，進(jìn)入吸氣收縮管，燃?xì)饪勘旧淼哪芰课胍淮慰諝?，在引射管?nèi)燃?xì)夂鸵淮慰諝饣旌希缓蠼?jīng)頭部火孔流出，其中引射器內(nèi)部燃?xì)夂涂諝獾幕旌鲜潜疚难芯康闹攸c(diǎn)。通過(guò)利用現(xiàn)有燃燒器對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別從一次空氣系數(shù)、燃?xì)夂脱鯕獾捏w積分?jǐn)?shù)、質(zhì)量流量等方面進(jìn)行對(duì)比。然后分析其壓力分布圖，通過(guò)調(diào)整噴嘴伸進(jìn)引射管的距離、風(fēng)門開孔的位置等幾方面對(duì)引射管進(jìn)行參數(shù)化研究，使其引射能力達(dá)到最佳狀態(tài)，對(duì)優(yōu)化該引射器的結(jié)構(gòu)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

1.1 值模擬

我司某型號(hào)的燃燒器結(jié)構(gòu)見圖 1，在此結(jié)構(gòu)上做數(shù)值模擬。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。

圖1 燃燒器結(jié)構(gòu)示意

本文采用ANSYS Fluent 16.0基于壓力的求解器模擬燃燒器內(nèi)燃?xì)獾牧鲃?dòng)情況。計(jì)算采用偽瞬態(tài)算法，湍流模型使用Realizable k-e模型，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)模擬邊界層內(nèi)部流動(dòng)，連續(xù)性、動(dòng)量、湍動(dòng)能和湍流耗散率方程的離散選用二階迎風(fēng)格式。邊界條件：燃?xì)膺M(jìn)口設(shè)為壓力進(jìn)口，總壓1 860 Pa (通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得)，物質(zhì)組分純甲烷體積分?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；燃燒器的出口空間區(qū)域設(shè)為壓力出口，壓力設(shè)為0 Pa；引射器壁面上采用無(wú)滑移邊界條件。

本文采用Solidworks軟件對(duì)引射器進(jìn)行幾何建模，然后導(dǎo)入ANSYS DesignModeler中進(jìn)行幾何簡(jiǎn)化及流體域抽取，再將流體域?qū)階NSYS Meshing生成網(wǎng)格，ANSYS Meshing網(wǎng)格劃分工具具有多種網(wǎng)格劃分算法，對(duì)復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)可以分區(qū)采用四面體和六面體混合的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格來(lái)滿足計(jì)算要求。燃燒器網(wǎng)格如圖2所示：

圖2 燃燒器的網(wǎng)格

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

一次空氣系數(shù)α是實(shí)際吸入的一次空氣量與完全燃燒器需要空氣量的比值。它是引射型大氣式燃燒器的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)燃燒狀態(tài)影響很大。為了測(cè)出燃燒器的α值，從燃燒器頭部抽取混合氣樣，并分析其中氧含量，這樣根據(jù)混合氣樣中氧含量的大小計(jì)算出一次空氣系數(shù)，并且可以計(jì)算出質(zhì)量引射系數(shù)。

一次空氣系數(shù)的測(cè)試系統(tǒng)按照參考《燃?xì)鈾z測(cè)技術(shù)手冊(cè)》中引射型大氣或燃燒器氣體動(dòng)力性能測(cè)試系統(tǒng)，主要包括燃?xì)?純甲烷)、燃?xì)饬髁坑?jì)、壓力計(jì)、燃?xì)庠?、微壓?jì)、注射器和氣相色譜儀等。一次空氣系數(shù)實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示。

圖3 一次空氣系數(shù)實(shí)驗(yàn)流程

一次空氣系數(shù)可以表示為：

式中：α——為一次空氣系數(shù)；

O2,m——燃?xì)馀c空氣混合氣中氧的體積百分?jǐn)?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；

O2——空氣中氧的體積分?jǐn)?shù)，%。質(zhì)量引射系數(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。

1.3 結(jié)果對(duì)比及分析

1.3.1 壓力分布

主引射管壓力分布云圖見圖4。

圖4 主引射管壓力分布

從圖4中可以看出燃?xì)庠谝欢▔毫ο聫膰娮炝鞒?，形成一個(gè)負(fù)壓區(qū)(白色)，卷吸空氣從風(fēng)門入口流入，燃?xì)鈮毫档?，燃?xì)夂涂諝庠诨旌隙螕交?，在流?dòng)過(guò)程中燃?xì)鈮毫M(jìn)一步減小，一部分傳遞給空氣使空氣動(dòng)壓增大，一部分用來(lái)克服流動(dòng)中的阻力損失，另一部分轉(zhuǎn)化為靜壓，在擴(kuò)壓段出口壓力小于進(jìn)口壓力。此壓力分布狀況完全符合參考文獻(xiàn)《燃?xì)馊紵c應(yīng)用》中的引射器工作原理圖。

1.3.2 一次空氣系數(shù)與質(zhì)量引射系數(shù)

燃燒器出口實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對(duì)比見表1。

表1 燃燒器出口實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對(duì)比

從表1對(duì)比中可以看出，一次空氣系數(shù)和質(zhì)量引射系數(shù)的相對(duì)誤差都在2.17%，說(shuō)明Fluent軟件對(duì)此模型的模擬結(jié)果與真實(shí)情況較為接近，可以用Fluent軟件對(duì)此結(jié)構(gòu)做參數(shù)化研究，為引射管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)意見。

2 引射器結(jié)構(gòu)參數(shù)化

影響大氣式燃燒器一次空氣引射能力的因素有混合管的喉部尺寸和錐度，火孔總面積、火孔大小和深淺、混合管的長(zhǎng)度和彎度、內(nèi)壁狀況、噴嘴位置、一次空氣口的形狀、燃燒器頭部形狀、頭部溫度、燃?xì)饷芏?、熱值、壓力等?/p>

從實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的對(duì)比中可以看出，F(xiàn)luent軟件的可靠性，因此在參數(shù)化的過(guò)程中，為了節(jié)省計(jì)算量，把燃燒器的頭部忽略掉。只取引射器、風(fēng)門和噴嘴部分。入口的邊界條件不變，出口的邊界條件變成壓力出口5.1 Pa。分別從一次空氣入口的位置、噴嘴的位置、混合管的長(zhǎng)度等幾方面利用Workbench平臺(tái)對(duì)引射器進(jìn)行參數(shù)化研究。

2.1 一次空氣入口位置的變化

從圖4的總壓圖中可以看出，風(fēng)門的位置發(fā)生變化，被引射的空氣與吸氣收縮管碰撞的位置發(fā)生變化，對(duì)一次空氣系數(shù)有很大的影響。風(fēng)門的位置設(shè)置了5個(gè)點(diǎn)，見圖5。

圖5 風(fēng)門位置設(shè)置示意

此模型中的風(fēng)門位置，風(fēng)門向徑向移近作為負(fù)坐標(biāo)-1 mm，-2 mm，風(fēng)門向徑向移出作為正坐標(biāo)1 mm，2 mm，當(dāng)風(fēng)門位置移動(dòng)時(shí)，保證進(jìn)風(fēng)面積不變，計(jì)算結(jié)果見圖 6。其中橫坐標(biāo)零點(diǎn)的位置為此模型的原始位置。根據(jù)模擬結(jié)果，由公式(3)計(jì)算出各種情況下的一次空氣系數(shù)相對(duì)變化率Δα。

式中：Δα——一次空氣系數(shù)相對(duì)變化率；

α——噴嘴在任意位置處一次空氣系數(shù)；

α0——噴嘴在0位置處的一次空氣系數(shù)。

圖6 一次空氣系數(shù)隨風(fēng)門位置的變化

風(fēng)門徑向位置偏移后的壓力分布云圖見圖7。

圖7 風(fēng)門徑向位置偏移后的壓力分布

從圖6中可見，風(fēng)門沿徑向向內(nèi)移動(dòng)到-2 mm時(shí)一次空氣系數(shù)的相對(duì)變化率增長(zhǎng)最大，引射能力最好。隨著風(fēng)門位置沿徑向向外移動(dòng)時(shí)，一次空氣系數(shù)的相對(duì)變化率逐漸變?yōu)樨?fù)值，即引射能力逐漸減小。從圖7的壓力云圖中可以看出，當(dāng)風(fēng)門位置沿徑向發(fā)生變化時(shí)，負(fù)壓區(qū)域也發(fā)生變化，空氣被卷吸進(jìn)入后與吸氣收縮管相碰撞的位置也發(fā)生變化。風(fēng)門向徑向移近-2 mm時(shí)負(fù)壓區(qū)域最大，被引射的空氣與收縮管相撞的能量損失最小，所以引射能力最大。對(duì)于此引射器模型，相同面積的進(jìn)風(fēng)量時(shí)，風(fēng)門開孔位置離噴嘴越近，引射能力越好，風(fēng)門開孔位置離噴嘴越遠(yuǎn)，引射能力越差。

2.2 噴嘴位置的變化

文獻(xiàn)《燃?xì)馊紵c應(yīng)用》中明確指出，安裝噴嘴時(shí)，其出口截面到引射器的喉部應(yīng)該有一定的距離，否則將影響一次空氣的吸入；噴嘴中心線與混合管中心線應(yīng)一致，二者有偏差或有交角對(duì)引射一次空氣量不利的，偏移或交角越大，其影響越大。本文只考慮噴嘴中心線與混合管中心線一致的情況，只改變噴嘴出口截面到引射器喉部的距離，即噴嘴沿軸向方向變化。分別給出9個(gè)計(jì)算工況，現(xiàn)有位置的計(jì)算工況為0位置，噴嘴在此位置向喉部移動(dòng)作為正向坐標(biāo)，分別移動(dòng)1 mm、2 mm、3 mm、4 mm；噴嘴在此位置向遠(yuǎn)離喉部的方向移動(dòng)作為負(fù)坐標(biāo)，分別移動(dòng)-1 mm、-2 mm、-4 mm、-6 mm。根據(jù)模擬結(jié)果，由公式(3)計(jì)算出各種情況下的一次空氣系數(shù)相對(duì)變化率Δα，計(jì)算結(jié)果見圖8。

圖8 一次空氣系數(shù)隨噴嘴位置的變化

文獻(xiàn)《燃?xì)馊紵c應(yīng)用》中闡述了當(dāng)喉部直徑dt>噴嘴外徑 dout時(shí)，一般取噴嘴到喉部的距離l=(1.0~1.5)dt。此模型中喉部直徑為14 mm，噴嘴外徑為7 mm，噴嘴到喉部的距離為17 mm，符合上述條件l的取值范圍在14~21 mm之間，此模型給定的距離在l要求的范圍內(nèi)。

從圖8中可以看出，當(dāng)x=-2~3 mm時(shí)，一次空氣系數(shù)變化率為正值且波動(dòng)范圍不大，表明一次空氣系數(shù)增大，引射能力增大。當(dāng)x=3和x=-4時(shí)分別為l取值范圍的臨界值14 mm和21 mm，從圖8中可以看出，x=3時(shí)，一次空氣系數(shù)最大，引射能力最好；當(dāng)x=-4時(shí)，一次空氣系數(shù)已經(jīng)變?yōu)樨?fù)值，引射能力變差。當(dāng)x=4和x=-6時(shí)已經(jīng)超出噴嘴到喉部的參考距離，從圖8中可以看出一次空氣系數(shù)變化率為負(fù)值，一次空氣系數(shù)減小，引射能力變差。

因此，此模型l的值可取在14~19 mm之間，其中14 mm時(shí)引射能力最好。從數(shù)值模擬和理論分析都表明噴嘴出口截面至喉部的距離在一定范圍內(nèi)對(duì)一次空氣系數(shù)影響不大，當(dāng)超出此范圍后一次空氣系數(shù)減小，影響引射能力，最終影響燃燒器的燃燒狀態(tài)。從圖8中可知此模型中的噴嘴出口截面和喉部的距離沒有達(dá)到最優(yōu)，還有優(yōu)化空間。

2.3 混合管長(zhǎng)度的變化

混合管的作用是使燃?xì)馀c空氣進(jìn)行充分混合，使燃?xì)?空氣混合物在進(jìn)入擴(kuò)壓段之前，其速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)及溫度場(chǎng)呈均勻分布。文獻(xiàn)《燃?xì)馊紵c應(yīng)用》中給出，由于兩股氣流在有限空間內(nèi)的混合十分復(fù)雜，因此，混合管的長(zhǎng)度在很大程度上要根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料確定。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明混合管的長(zhǎng)度通常取lmix=(1-3dt)。由于現(xiàn)在計(jì)算流體的發(fā)展，目前當(dāng)其它尺寸確定后可以利用數(shù)值模擬軟件對(duì)混合長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

由于時(shí)間的限制，目前只對(duì)現(xiàn)有模型就混合段取了3個(gè)點(diǎn)計(jì)算，現(xiàn)有混合管長(zhǎng)度為0位置，混合管長(zhǎng)度增加10 mm，和混合管長(zhǎng)度減小10 mm。一次空氣系數(shù)相對(duì)變化率隨混合段長(zhǎng)度的變化如圖 9所示。

從圖9中可以看出混合管長(zhǎng)度在10~20 mm之間時(shí)，一次空氣系數(shù)變化較小且一次空氣系數(shù)比較大，當(dāng)混合段長(zhǎng)度在20~30 mm之間時(shí)，一次空氣系數(shù)逐漸變小。此模型中混合管長(zhǎng)度剛好為20 mm，認(rèn)為此模型混合管長(zhǎng)度比較合理。

圖9 一次空氣系數(shù)隨混合段長(zhǎng)度的變化

3 結(jié)語(yǔ)

(1)對(duì)整個(gè)燃燒器進(jìn)行數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬誤差很小，適合目前結(jié)構(gòu)的仿真計(jì)算；

(2)本引射器結(jié)構(gòu)中，當(dāng)進(jìn)風(fēng)面積相同時(shí)，風(fēng)門開孔位置離噴嘴越近，引射能力越好，風(fēng)門開孔位置離噴嘴越遠(yuǎn)，引射能力越差；

(3)噴嘴出口截面至喉部的距離在一定范圍內(nèi)時(shí)一次空氣系數(shù)波動(dòng)不大，當(dāng)超出此范圍后一次空氣系數(shù)減小，引射能力減小，最終影響燃燒狀態(tài)；

(4)本引射器混合段的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)較合理，在推薦范圍內(nèi)，一次空氣系數(shù)較大，引射能力較好。

Numerical Simulation and Parametric Study of the Injector in the Low Pressure Atmospheric Gas Burners

Shanghai Rinnai CO., Ltd. Ni Juanjuan PERA Global Technology Co., Ltd. Shanghai Branch Ji Zengchuan

This paper mainly study the internal flow and structure design of the ejector in the low pressure air burner. Through experiment and numerical simulation, the reliability of the numerical simulation software is verified by comparing the experimental and numerical simulation results. Conclusions have been made by using the CFD software to conduct the parametric study and comparing the changes of the throttle position, the nozzle position and the mixing tube length by using the workbench platform.

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