基于WALLFILM模型的揮發(fā)霧化式燃燒器霧化系統(tǒng)的研究與改進(jìn)

徐文馮偉東李國瑩、吉林工商學(xué)院生物工程學(xué)院　、吉林長春威貝車輛技術(shù)有限公司

基于WALLFILM模型的揮發(fā)霧化式燃燒器霧化系統(tǒng)的研究與改進(jìn)

徐文1馮偉東1李國瑩2
1、吉林工商學(xué)院生物工程學(xué)院2、吉林長春威貝車輛技術(shù)有限公司

對于揮發(fā)霧化式燃燒器，蒸發(fā)霧化是燃燒的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響燃燒產(chǎn)物的成分和燃燒器的功率。本文應(yīng)用WALLFILM模型原理設(shè)計(jì)并改進(jìn)了燃燒器霧化系統(tǒng)，利用CFD軟件仿真并分析了霧化區(qū)域斷面上的靜壓強(qiáng)分布，并用試驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)率，由試驗(yàn)結(jié)論可以得出，旋流動量矩所形成的渦流中心的低壓效應(yīng)可以明顯地改善燃油蒸發(fā)量，在旋流進(jìn)氣的方式下，本結(jié)構(gòu)較好地實(shí)現(xiàn)了揮發(fā)霧化。

燃油加熱器；揮發(fā)霧化；蒸發(fā)模型；數(shù)值仿真

1　引言

揮發(fā)霧化燃燒方式是一種非常先進(jìn)的燃燒技術(shù)，由于體積小，效率高，噪音低，燃燒清潔，在小型汽車燃油加熱器中有著非常廣泛的應(yīng)用價值。揮發(fā)霧化結(jié)構(gòu)上一般有圓平面金屬揮發(fā)氈和環(huán)形金屬揮發(fā)氈兩種方式，燃油經(jīng)過輸油管在一定壓力下噴入油氈附近，燃油在油氈上由于毛細(xì)作用進(jìn)入擴(kuò)散侵潤狀態(tài)，并在空氣動力和外部較高的溫度作用下，揮發(fā)成油的蒸汽，為進(jìn)一步擴(kuò)散燃燒做霧化準(zhǔn)備。揮發(fā)霧化式燃燒理想狀態(tài)是徹底將燃燒分成蒸發(fā)霧化過程、預(yù)燃燒和湍流燃燒三個過程。

其中：c/y為濃度梯度；cl為蒸汽濃度；D12為燃油擴(kuò)散系數(shù)，計(jì)算結(jié)果單位是kg/sm2（kg表示質(zhì)量；s表示時間；m2表示面積），表示單位時間、單位面積內(nèi)的蒸發(fā)量，或者稱之為蒸發(fā)率。

對于溫度，它是通過影響燃油和空氣交界面蒸汽濃度cl和燃油擴(kuò)散系數(shù)D12對蒸發(fā)率起到影響作用的。而cl是由式（2）所決定的。

圖1　揮發(fā)霧化燃燒技術(shù)原理

式中Mv和Mg為空氣和燃油蒸汽的摩爾質(zhì)量；psat是燃油蒸汽的飽和壓力。

燃油擴(kuò)散系數(shù)D12所描述的是液體1和2之間的擴(kuò)散能力，通過式（3）計(jì)算得出。

雖然實(shí)際工程應(yīng)用中，在點(diǎn)燃過程中將會發(fā)生液體的液面燃燒甚至液滴燃燒的情況，但這個過程時間要求短暫，在汽車燃油加熱器進(jìn)入穩(wěn)定燃燒的工況后，不允許這種燃燒模式的發(fā)生。

2　蒸發(fā)的數(shù)學(xué)模型

燃油蒸發(fā)率是影響燃油霧化能力的重要因素，我們采用WALLFILM蒸發(fā)模型來進(jìn)行分析。

2.1WALLFILM蒸發(fā)模型

利用FICK定律WALLFILM蒸發(fā)模型［5］可以描述為：

式中T為環(huán)境溫度，ΣV是空氣和燃油蒸汽的擴(kuò)散體積。

2.2燃燒器的結(jié)構(gòu)圖

由公式（1）可知影響蒸發(fā)率的因素有濃度梯度、溫度、燃油的擴(kuò)散系數(shù)和氣流壓力等，其中濃度梯度c/y對蒸發(fā)率的影響作用最大。因此根據(jù)這些因素，設(shè)計(jì)了邊緣帶有四個相互垂直的斜向矩形豁口的、后面進(jìn)油、內(nèi)部油氈的平盤法蘭結(jié)構(gòu)，作為加熱器的燃油霧化蒸發(fā)器。

圖2　燃燒器霧化裝置的結(jié)構(gòu)簡圖

用不銹鋼絲網(wǎng)作為油氈的目的之一是增大燃油的蒸發(fā)面積，提高霧化速度并加強(qiáng)在油層表面形成氣流的組織，因此在油氈上方的四周，均布有直徑2mm的圓孔11個，簡稱霧化孔，目的是進(jìn)入少許氣流，稀釋油氈附近的油蒸汽，提高蒸發(fā)速率。

為進(jìn)一步提高蒸發(fā)率，作為改進(jìn)的設(shè)計(jì)，在油氈上方8mm的處設(shè)計(jì)四個寬度為1mm、長度為5mm的矩形斜向豁口這四個矩形斜口90°分布，會產(chǎn)生截面為矩形的進(jìn)氣射流，并形成一定厚度的冷氣射流。

為此，我們設(shè)計(jì)了兩種進(jìn)油法蘭的進(jìn)氣結(jié)構(gòu)來分析，一種是沒有豁口1#結(jié)構(gòu)一種是有豁口2#結(jié)構(gòu)，來觀察氣流壓力對霧化的影響。

3　數(shù)值仿真

空氣在燃燒器內(nèi)的流動分析采用湍流k-epsilon模型來分析，其模型方程包括連續(xù)方程，動量方程，湍流能量方程和耗散方程。

3.1邊界條件

用流體CFD軟件對Pro/E格式結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)前的有限元仿真分析，設(shè)定邊界條件為：采用湍流k-epsilon模型，湍流層流粘性比取100，湍流度取0.04，湍流系數(shù) ce1=1.44，系數(shù) ce2=1.92，系數(shù)cmu=0.09，空氣進(jìn)氣流量2.46L/s，出口壓力2kPa。迭代步數(shù)為600，瞬時收斂曲線斜率為0.001，時均收斂曲線斜率0.03。

3.2幾何建模

燃燒器用Pro/E進(jìn)行幾何建模，劃分網(wǎng)格單元數(shù)1213091個，幾何模型如圖3所示。

圖3　燃燒器的有限元網(wǎng)格模型

3.3斷面仿真結(jié)果

圖4　1#進(jìn)油法蘭油氈x=10mm處橫截面速度矢量和壓強(qiáng)分布

圖5　2#進(jìn)油法蘭油氈x=10mm處橫截面速度矢量和壓強(qiáng)分布

圖6　1#結(jié)構(gòu)進(jìn)油法蘭油氈x=3mm處橫截面靜壓強(qiáng)的分布

圖7　1#燃燒室沿y軸縱向中心平面處的靜壓強(qiáng)分布圖

圖8　2#結(jié)構(gòu)進(jìn)油法蘭油氈x=3mm處橫截面靜壓強(qiáng)的分布

圖9　2#燃燒室沿y軸縱向中心平面處的靜壓強(qiáng)分布圖

3.4流場分析結(jié)論

有圖4-圖9得出，相對于1#無豁口的法蘭，2#有豁口的法蘭在整個霧化室的橫向和縱向兩個方向，由于旋流中心產(chǎn)生相對的負(fù)壓，使油氈附近的靜壓強(qiáng)變得更小，可以認(rèn)為在油氈的x方向上、在回流區(qū)邊界區(qū)域內(nèi)存在更寬闊的低壓區(qū)域。

4　試驗(yàn)

由WALLFILM模型推斷，這種結(jié)構(gòu)對單位面積的蒸發(fā)量增大會具有積極的作用。為此用如下試驗(yàn)來觀察設(shè)計(jì)方案對最大蒸發(fā)能力的影響。

4.1試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案采用在環(huán)境溫度25℃、1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓情況下，采用MCU控制單元自動調(diào)節(jié)供油頻率和供氣電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使空燃當(dāng)量比保持在14.7的比例情況下，通過對比使用不同豁口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的平面進(jìn)油法蘭霧化器，使用97#車用燃油在燃燒器內(nèi)真實(shí)燃燒，用流量計(jì)和SUMMIT-714煙氣分析儀來監(jiān)視汽油進(jìn)油量和含氧濃度，試驗(yàn)原理如圖10所示。

圖10　試驗(yàn)方案原理框圖

4.2試驗(yàn)條件

我們把最大供油速度設(shè)為5個檔，分別是 0.4L/h、0.5 L/h、0.6 L/h、0.7 L/h和0.8 L/h作為區(qū)分點(diǎn)，在每個點(diǎn)的供油工況下燃燒器穩(wěn)定燃燒10min后開始測量燃?xì)獬煞郑治鰺煔夥治鰞x的氧氣含量和燃燒效率，試驗(yàn)中氧氣含量不得超過5%，燃燒效率不得低于90%。

4.3試驗(yàn)結(jié)果

表1　最大進(jìn)油流量實(shí)測數(shù)據(jù)

4.4試驗(yàn)結(jié)果分析

有矩形豁口結(jié)構(gòu)最佳當(dāng)量比從0.4～0.7都能滿足燃燒的測試要求，燃燒效率保持在95%以上，氧氣濃度一直控制在4%以下，燃燒穩(wěn)定充分，無黑煙現(xiàn)象，氧氣濃度達(dá)到了8%以上，排煙伴有汽油味。

無矩形豁口的結(jié)構(gòu)在最佳當(dāng)量比超過0.55以后煙氣分析儀的燃燒效率降低到85%以下，氧氣濃度開始增大到10%以上，并伴有汽油味。

試驗(yàn)表明，在沒有矩形豁口的進(jìn)油法蘭結(jié)構(gòu)里，蒸發(fā)量滿足最佳當(dāng)量比的最大值為0.5左右，在有矩形豁口的進(jìn)油法蘭結(jié)構(gòu)里，蒸發(fā)量滿足最佳當(dāng)量比的最大值為0.65以上，增大了25%以上。

根據(jù)FICK定律可知：

（1） c/y濃度梯度對蒸發(fā)量的影響是正比例的，由于4個豁口動量矩使進(jìn)氣旋流的負(fù)壓區(qū)域擴(kuò)展得非常大，進(jìn)而使油氈附近的濃度梯度明顯增大，從而顯著地增加了蒸發(fā)能力。

5　結(jié)論

本文中燃燒室結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，4個豁口形成的具有一定動量的冷氣射流不是射在油氈上，而是在霧化室接近油氈一側(cè)，形成一個組合的雙向動量漩渦，懸浮在霧化筒空間，它具有以下3個特征：

①帶動二次空氣摻混更加充分，有利于燃燒充分；

②形成負(fù)壓中心，吸引火焰回流，穩(wěn)定火焰燃燒；

③可以強(qiáng)烈地吸引油氣，使油氈側(cè)表面的油層在負(fù)壓區(qū)形成較大的濃度梯度，有效地增加了蒸發(fā)量，霧化能力大幅提高，進(jìn)一步增大了燃燒器的功率密度。

［1］龍?zhí)煊?，蔡增?流體力學(xué)［M］.第一版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［2］寧榥，高歌.燃燒室空氣動力學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，1997.

［3］黃勇，主編.燃燒與燃燒學(xué)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［4］李國瑩等.平蓋平縮口外螺旋進(jìn)氣的揮發(fā)霧化式駐車加熱器用燃燒器.中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局. ZL20122187427.3.

［5］Yar.，W.M.，Lin，T.F.“Combined heat and mass transfer in natural convection between vertical parallel plates withfilmevaporation”，Int.J.HeatMass Transfer，Vol.33，No.3，pp.529-541，1990

［6］徐通模，惠世恩.燃燒學(xué)［M］.北京機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

徐文，1967年出生，吉林長春人，博士，教授，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化。