金屬纖維燃?xì)馊紵骼鋺B(tài)流場(chǎng)數(shù)值模擬研究

南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 鮑 桐 張后雷北京慧峰仁和科技股份有限公司 苗雨旺

0 引言

氣體燃料是一種優(yōu)質(zhì)、高效、清潔的燃料，其著火溫度相對(duì)較低，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，易著火和燃燒，同時(shí)也很容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)輸氣、混合、燃燒過程，是較為理想的能源。而目前主流的擴(kuò)散式燃?xì)馊紵绞椒磻?yīng)區(qū)域狹窄，主要傳熱方式是氣體熱傳導(dǎo)和對(duì)流，燃燒室內(nèi)溫度梯度較大，會(huì)帶來較高的氮氧化物排放，嚴(yán)重影響了環(huán)境。相比而言，選用孔隙率較高的多孔金屬纖維作為燃?xì)馊紵龍?chǎng)，具有更高的比表面積、導(dǎo)熱系數(shù)、熱容量與熱輻射力，能更好地實(shí)現(xiàn)氣體與多孔金屬纖維之間的快速換熱，可以消除爐膛局部高溫區(qū)，縮短煙氣在高溫區(qū)停留時(shí)間，大大降低燃燒污染物排放水平。

近些年來，學(xué)者針對(duì)金屬纖維表面式燃?xì)馊紵鞯娜A(yù)混燃燒已經(jīng)開展了大量的理論與試驗(yàn)研究。Marrecau等首先介紹了以新型金屬編織物為多孔燃燒介質(zhì)的燃?xì)馊紵鞯牡?NOx排放特性；Leonardi對(duì)于容積式熱水爐中的金屬纖維燃燒器的燃燒與傳熱過程做了試驗(yàn)與理論研究；Delali等研究了某種多孔介質(zhì)燃燒器的燃燒特性與污染物排放情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，煙氣 NOx體積分?jǐn)?shù)在(5～40)×10-6之間，當(dāng)過量空氣系數(shù)在 1.2～1.6之間時(shí)，污染物放排量會(huì)達(dá)到最低水平。國內(nèi)方面，黃志甲等介紹了金屬纖維表面燃燒技術(shù)的工作原理和性能特點(diǎn)，分析了表面燃燒超低 NOx排放的原因，同時(shí)對(duì)燃燒器系統(tǒng)特性、混氣裝置和空燃比控制等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，并將其應(yīng)用于中餐灶臺(tái)中，取得了良好的節(jié)能環(huán)保效果。針于金屬纖維表面燃燒器，仇中柱針對(duì)中心引入式與周邊引入式混風(fēng)裝置進(jìn)行了二維數(shù)值模擬計(jì)算，通過引入均方差來衡量燃?xì)狻諝饣旌铣潭?，得出了周邊引入式混合裝置混合效果較好的結(jié)論。

本文從提高燃?xì)馀c空氣的混合程度方向入手，設(shè)計(jì)了新型金屬纖維表面式燃燒器混風(fēng)結(jié)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)燃?xì)獾姆€(wěn)定表面燃燒，前人暫無相關(guān)結(jié)構(gòu)的研究工作。通過Fluent軟件對(duì)于不同混風(fēng)結(jié)構(gòu)組合后燃燒頭區(qū)域的氣體混合流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過計(jì)算選取截面處的燃?xì)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)與燃?xì)饩鶆蛐灾笖?shù)，定量對(duì)比了在金屬纖維燃燒頭前端安裝不同混風(fēng)結(jié)構(gòu)后的燃?xì)狻諝饣旌铣潭?，?duì)于今后熱態(tài)燃燒工況的研究工作奠定了基礎(chǔ)。

1 物理模型

本文設(shè)計(jì)制造的多孔金屬纖維表面燃燒機(jī)主要包括：風(fēng)機(jī)、仿錘體、混合腔、混氣旋流裝置和金屬纖維燃燒頭等部件組成。其中混風(fēng)腔由仿錘體和混合腔組合而成。該燃燒機(jī)主要部件的裝置剖面如圖1所示。

圖1 多孔金屬纖維燃燒機(jī)設(shè)計(jì)剖面

該裝置有別于其他燃燒器的混合方式，混合腔為圓柱狀，空氣由軸向進(jìn)入，燃?xì)庥蓮较蜻M(jìn)入?；旌锨挥袃?nèi)、外兩層筒壁，外壁上開數(shù)個(gè)大環(huán)形燃?xì)饪祝瑑?nèi)壁上開數(shù)個(gè)小環(huán)形燃?xì)饪?，開孔位置呈錯(cuò)排，保證燃?xì)饽軌虺溆麄€(gè)混合器內(nèi)腔。燃?xì)馔ㄟ^混合腔進(jìn)氣口，經(jīng)外燃?xì)饪?、?nèi)燃?xì)饪走M(jìn)入混合腔內(nèi)。空氣通過風(fēng)機(jī)提升壓頭后，經(jīng)過仿錘體后與混合腔內(nèi)的燃?xì)膺M(jìn)行混合，之后混合氣體通過混風(fēng)裝置(主要由葉輪與孔板組成)，再進(jìn)入金屬纖維燃燒頭，從其端面與側(cè)面進(jìn)入爐膛完成燃燒。

選取風(fēng)機(jī)端面到燃燒頭端面為計(jì)算域，模型中風(fēng)道內(nèi)徑207 mm，仿錘體中端最大直徑99 mm，兩邊小端直徑21 mm，長度為182 mm；混風(fēng)腔長度為180 mm，外殼體外徑492 mm，厚度6 mm，外筒外徑440 mm，厚度3 mm，內(nèi)筒外徑400 mm，厚度6 mm；燃燒頭區(qū)域長度1 150 mm，其中金屬絲網(wǎng)覆蓋區(qū)域長度為750 mm；均流孔板開孔孔徑為4.5 mm，開孔數(shù)約為460個(gè)；所制葉輪旋轉(zhuǎn)角度為45°，葉片數(shù)量為8片。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 計(jì)算模型

標(biāo)準(zhǔn)k-s模型在諸多工程模擬計(jì)算中已證明有相當(dāng)高的正確性，本文選用該湍流模型來模擬CH4與空氣在燃燒器內(nèi)的混合流動(dòng)過程。由于本算例中不涉及燃燒化學(xué)反應(yīng)，計(jì)算中僅勾選 Species Transport模型，而不勾選Volumetric Reaction選項(xiàng)。

2.2 邊界條件與物性參數(shù)

空氣與燃?xì)馊肟跅l件均設(shè)為壓力進(jìn)口，空氣進(jìn)口壓力2 kPa，燃?xì)膺M(jìn)口壓力6 kPa，煙氣出口為大氣環(huán)境，出口表壓力設(shè)為零壓。同時(shí)給定兩處進(jìn)口的氣體組分，分別為100%空氣與100% CH4。壁面條件：首先是無滑移條件，即內(nèi)部流體在固體界面上速度為零；其次認(rèn)定固體相是不可穿透的，各組分濃度值在固體界面的法向梯度為 0，最后，設(shè)定壁面為恒溫。材料物性參數(shù)：燃?xì)庵饕煞譃镃H4，計(jì)算中用質(zhì)量分?jǐn)?shù)100%的CH4組成，空氣簡(jiǎn)化為21%的O2與79%的N2，假設(shè)均為常物性。

2.3 網(wǎng)格劃分與求解方法

對(duì)于上述的三維模型，將其簡(jiǎn)化后用 Gambit對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，對(duì)于較為規(guī)整的體(如燃燒頭等規(guī)則的圓柱體)采用 Cooper類型網(wǎng)格劃分，針對(duì)較為不規(guī)則的體(如仿錘體等類圓錐體)采用TGrid類型網(wǎng)格劃分。體積較小處(如混風(fēng)腔開孔處)，調(diào)整最小網(wǎng)格尺寸為1 mm，適當(dāng)進(jìn)行網(wǎng)格加密，最終網(wǎng)格數(shù)量約為100萬，網(wǎng)格質(zhì)量經(jīng)過校核結(jié)果較好，網(wǎng)格扭曲率全部控制在0.8以下。

數(shù)值模擬采用ANSYS Fluent軟件來解決混合流動(dòng)問題，采用SIMPLEC(SIMPLE-Consistent)算法求解壓力-速度耦合問題，該算法收斂性較SIMPLE算法好。動(dòng)量方程、能量方程、湍流動(dòng)能方程和湍流耗散率方程的離散均采用二階迎風(fēng)格式。適當(dāng)調(diào)小組分松弛因子與動(dòng)量松弛因子以更好的得到收斂的結(jié)果。

3 結(jié)果與分析

采用所述的計(jì)算模型與給定參數(shù)，經(jīng)過迭代計(jì)算后達(dá)到收斂，為方便對(duì)于燃燒器內(nèi)部流場(chǎng)模擬結(jié)果進(jìn)行分析。選取燃燒器軸向(Z向)截面：Z-430、Z-530、Z-630、…、Z-1430、Z-1580來進(jìn)行考察燃?xì)狻諝饣旌锨闆r，見圖2。

圖2 模型選取考察界面

針對(duì)本例，選取了8個(gè)不同結(jié)構(gòu)組合配置的算例來進(jìn)行對(duì)比，具體部件配置如表1所示。

表1 選取模擬工況

3.1 燃燒器混合腔總體混風(fēng)性能分析研究

本文重點(diǎn)關(guān)注燃燒器內(nèi)部的速度分布，尤其是燃燒頭區(qū)域(z=830～1850 mm的圓柱區(qū)域)的速度場(chǎng)分布。以下為各個(gè)工況的模擬結(jié)果速度云圖，從圖3～10來看，工況1到4中混風(fēng)器前置的仿錘體并未起到應(yīng)用的加強(qiáng)混合的作用，反而在鈍體后形成了較大的低壓回流區(qū)。由于回流區(qū)的存在，它將混合流動(dòng)中的燃?xì)獠粩嗑砦交亓鲄^(qū)中，形成強(qiáng)烈的紊流混合區(qū)。反觀工況5到8中混合氣流流動(dòng)順暢，相同的混風(fēng)組件配置下，速度云圖更為均勻。

圖3 工況1 y-z截面氣流速度云

圖4 工況2 y-z截面氣流速度云

圖5 工況3 y-z截面氣流速度云

圖6 工況4 y-z截面氣流速度云

圖7 工況5 y-z截面氣流速度云

圖8 工況6 y-z截面氣流速度云

圖9 工況7 y-z截面氣流速度云

圖10 工況8 y-z截面氣流速度云

3.2 各截面CH4分布程度定量分析

通過對(duì)于各個(gè)工況的模擬速度云圖來看，可將工況分為兩組來對(duì)比，安裝有仿錘體的工況(工況1到 4)，以及拆除仿錘體的工況(工況 5到8)。通過后處理操作，可得到各截面的CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及各截面 CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的均勻性指數(shù)(Uniformity Index)。其中均勻性指數(shù)描述了指定表面上指定的物理量的變化情況，1為最大值。均勻性指數(shù)能夠采用面積或質(zhì)量進(jìn)行衡量，其中Area-Weighted均勻性指數(shù)可以捕捉量的變化(如組分濃度)，指定變量的均勻性指數(shù)計(jì)算式如下：

式中：i——擁有n個(gè)網(wǎng)格面的網(wǎng)格面索引；

φi——各個(gè)網(wǎng)格面上的指定變量值；

Ai——該每個(gè)網(wǎng)格面的面積；

——所取表面的變量φa的平均值，其表達(dá)式如下所示：

各工況后處理所得數(shù)據(jù)結(jié)果繪制如圖11所示：

圖11 工況1至4各截面CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)比

從圖11可看出，CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著選取截面位置推后而減小。Z-830為金屬纖維覆蓋區(qū)開始截面，CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)從該截面開始呈迅速下降趨勢(shì)，之后隨著截面位置推移，其下降趨勢(shì)逐漸變平緩，自Z-1130截面起，各工況的CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持較低的穩(wěn)定值。對(duì)比各工況計(jì)算結(jié)果，無混風(fēng)部件的工況1各截面CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)在Z-830截面之前均為最低，之后被配置混風(fēng)葉輪的工況3超越，原因在于混風(fēng)葉輪的旋風(fēng)作用使得混合氣體沿葉片旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，易從燃燒頭側(cè)面透出，隨著截面位置推移，該工況的CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降較快；工況2配置了均流孔板，氣流剛性較強(qiáng)，各截面的CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)均保持在最高水平，說明CH4從燃燒頭側(cè)面流出量較低；工況4綜合了孔板與葉輪的作用，集較強(qiáng)的氣流剛性與旋風(fēng)性于一體，CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)位于工況1與工況2之間，呈適中狀態(tài)。

各截面CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)均勻性指數(shù)對(duì)比見圖12。

圖12 工況1至4各截面CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)均勻性指數(shù)對(duì)比

從圖12中可看出，工況2由于孔板原因，CH4均勻性指數(shù)表現(xiàn)較為突出，從Z-640截面起便達(dá)到較高水平。而工況3與工況4數(shù)據(jù)則較為接近，均在z-1130截面后才達(dá)到較高水平。工況1由于未配置任何加強(qiáng)混風(fēng)效果的組件，CH4均勻性指數(shù)上升極為緩慢，整體結(jié)果均落后于其他工況。

隨后拆除風(fēng)道中的仿錘體再進(jìn)行數(shù)值模擬，圖13～14為數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

圖13 工況5至8 各截面CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)比

圖14 工況5至8各截面CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)均勻性指數(shù)對(duì)比

從圖 13中可得出，對(duì)比而言，各截面工況 5整體數(shù)值最低，原因在于去除紡錘體，流場(chǎng)順暢，葉輪旋風(fēng)作用得到加強(qiáng)，CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降劇烈；工況7模擬結(jié)果與工況5類似，原因在于其均為后置葉輪，葉輪的旋風(fēng)作用占據(jù)主導(dǎo)，混合氣流易從側(cè)面流出。工況6由于只配置均流孔板，整體CH4含量保持穩(wěn)定，各截面CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在4%左右。工況8相對(duì)比工況7更換了組件相對(duì)位置，將葉輪移動(dòng)至孔板前，葉輪的旋流作用被孔板減弱，氣流整體呈現(xiàn)剛性強(qiáng)于旋風(fēng)性的特點(diǎn)，CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)平穩(wěn)下降。

從圖14中可得出，工況6與工況8結(jié)果曲線較為類似，工況5與工況7結(jié)果曲線較為類似，可以得出混風(fēng)組件中后置部件對(duì)于流動(dòng)情況的影響較大的結(jié)論。整體而言，工況6與8結(jié)果較工況5與7優(yōu)秀，自Z-830截面后，工況6與8 CH4均勻性指數(shù)迅速攀升至較高水平，各截面CH4含量均較為均勻。

4 結(jié)語

由有仿錘體組與無仿錘體組分析對(duì)比而言，當(dāng)仿錘體存在于風(fēng)道中時(shí)，其后端會(huì)出現(xiàn)較大面積的回流區(qū)，混合氣體無法被推送至燃燒器末端，導(dǎo)致燃燒頭前后端CH4濃度差異過大，燃?xì)饩鶆蛐猿潭容^差，燃燒頭燃燒時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)喘燃的情況，因而采用風(fēng)道內(nèi)置仿錘體體的方式并不能提升混合效果，反而會(huì)影響正常燃燒。

綜合工況來看，單獨(dú)選用葉輪或者孔板均無法確保燃燒頭區(qū)域的燃?xì)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)與均勻性指數(shù)在相對(duì)高且穩(wěn)定的程度，無法保證燃?xì)夥€(wěn)定燃燒；而選擇在混風(fēng)腔體后加裝孔板與葉輪組件是有效提高出口CH4濃度及均勻性的有力手段，能夠較好的平衡端面出口CH4濃度與側(cè)面出口CH4濃度，其中后置孔板前置葉輪的布置組合能夠最大限度得提高燃?xì)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)與混合均勻程度，可優(yōu)先考慮用于全預(yù)混燃?xì)馊紵髟O(shè)計(jì)。

建立燃燒器三維模型，運(yùn)用 CFD軟件對(duì)燃燒器內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行冷態(tài)混風(fēng)數(shù)值模擬，可以獲得速度分布圖，各截面CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)值與均勻性指數(shù)，從而對(duì)于各種工況下燃燒器中CH4與空氣的混合流動(dòng)特性有了全面的認(rèn)識(shí)。同時(shí)對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的結(jié)果分析與比較，可以得出相對(duì)優(yōu)化的燃燒器設(shè)計(jì)方案。這與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法相比，不但降低了研究成本與研究時(shí)長，也為后續(xù)的設(shè)備設(shè)計(jì)提供改良依據(jù)，具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究所不具有的優(yōu)勢(shì)。