基于CFD的燃燒器火蓋性能研究

周 亮

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

前言

隨著城市燃?xì)獾钠占?，在大氣式家用燃?xì)庠钜讶怀蔀榱思彝ケ貍涞膹N房用具之一。目前，市面上各種燃?xì)庠钇奉惙倍啵滟|(zhì)量也參次不齊，但普遍熱效率不高，煙氣中的CO和NOX化物含量偏高，這些都對(duì)人體有著危害。隨著各大公司及機(jī)構(gòu)對(duì)家用燃?xì)庠畹纳钊胙芯?，燃?xì)庠畹母鞣N性能指標(biāo)也在逐步的提升。且隨著生活水平的提升，人們對(duì)產(chǎn)品的外觀要求也越來越高。因此，開發(fā)出外形美觀實(shí)用、高效節(jié)能污染少的家用燃?xì)庠畈粌H對(duì)企業(yè)具有重要的指導(dǎo)意義，另一方面也可為國家能源可持續(xù)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。但是燃?xì)饩咝袠I(yè)競爭加劇，各大企業(yè)為了提高競爭力，不斷地研發(fā)推出新產(chǎn)品，這就需要加快研發(fā)進(jìn)程，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)無法滿足日益增快的新產(chǎn)品需求。因此引入先進(jìn)的CFD研究手段是一種新型的研發(fā)手段，其優(yōu)勢(shì)在于研發(fā)速度塊，成本低。本文中的研究主要是針對(duì)燃?xì)庠畹难芯?，運(yùn)用CFD軟件仿真模擬燃燒器的燃燒，最終分析得出我們所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性。

1 燃燒器模型的建立

本論文研究的燃?xì)庠钍且蕴烊粴鉃槿剂系拇髿馐饺細(xì)庠?，圖1為大氣式燃?xì)庠?D模型圖、圖為2外環(huán)燃燒器內(nèi)部流場模型圖、圖3為外環(huán)燃燒器內(nèi)部流場網(wǎng)格化后的模型、圖4為燃燒器燃燒模型3-D、圖5為燃燒器燃燒模型網(wǎng)格化3-D圖。圖6-9為本文分析的幾種火蓋的3-D模型圖。對(duì)大氣式燃?xì)庠钊紵^程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，該過程包括燃?xì)庠钊S物理模型的建立、網(wǎng)格的劃分、計(jì)算模型的選擇、邊界條件的設(shè)置以及數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的分析等。

本研究使用workbench對(duì)燃燒器進(jìn)行模擬仿真。運(yùn)用spaceclaim對(duì)燃燒器物理模型進(jìn)行優(yōu)化處理，通過抽體積方式得到外環(huán)燃燒器的流體區(qū)，在經(jīng)過去倒角，短邊等操作得到一個(gè)較優(yōu)燃燒器內(nèi)部流體域。把燃燒器內(nèi)部流體域?qū)氲絤esh軟件中，對(duì)進(jìn)出口邊界面重新命名，對(duì)于結(jié)構(gòu)尺寸比較小的噴嘴和火孔，進(jìn)行局部2階加密，最后采取整體自動(dòng)化網(wǎng)格，得到模型的整體網(wǎng)格數(shù)約為300萬，如圖3所示。本研究選擇壓力求解器，速度屬性選擇絕對(duì)速度；重力加速度為-9.8 m/s2，時(shí)間屬性選擇穩(wěn)態(tài)即穩(wěn)態(tài)運(yùn)算[4]。

燃燒器數(shù)學(xué)模型選著湍流Realizable k-e模型，打開能量守恒方程，其中涉及個(gè)組分的混合，所以須打開打開組分運(yùn)輸模型，混合氣體選擇methane-air。燃燒器物理模型中，甲烷采用質(zhì)量速度入口(massflow-inlet)，根據(jù)熱負(fù)荷計(jì)算出為7.2e-5 kg/s。一次與二次空氣入口都采用壓力入口(pressure-inlet)，靜壓設(shè)置為0 pa。出口邊界均采用壓力出口(pressure-outlet)，靜壓設(shè)置為0 pa。

通過對(duì)燃燒器燃燒進(jìn)行數(shù)值模擬，設(shè)計(jì)分析了四種不同類型的火蓋對(duì)燃燒器性能的影響，經(jīng)模擬仿真得到了燃燒器內(nèi)部甲烷濃度場矢量圖、燃燒溫度場分布圖及一次空氣的引射量。為了方便觀察，需要適當(dāng)?shù)倪x取結(jié)果展示區(qū)間，本文根據(jù)仿真結(jié)果選擇結(jié)果展示區(qū)間為摩爾濃度比在0.01～0.14之間。

2 燃燒器結(jié)構(gòu)性能分析

2.1 燃燒器的內(nèi)部流場分析

圖1 大氣式燃?xì)庠?D模型圖

圖2 外環(huán)燃燒器內(nèi)部流場模型圖

圖3 外環(huán)燃燒器內(nèi)部流場網(wǎng)格化后的模型

圖4 燃燒器燃燒3D模型

圖5 燃燒器燃燒3D模型網(wǎng)格化

圖6 圓弧面多孔結(jié)構(gòu)火蓋

圖7 平面多孔結(jié)構(gòu)火蓋

圖8 斜面槽型火蓋

圖9 側(cè)面開孔火蓋

本研究基于萬和自主研發(fā)的燃燒器平臺(tái)，分別通過仿真分析了其結(jié)構(gòu)的特性，如圖10所示為燃燒器內(nèi)部甲烷分布矢量圖，圖中左側(cè)顏色坐標(biāo)代表著燃燒器內(nèi)部甲烷的摩爾濃度，濃度越大顏色越紅，而圖中的矢量箭頭代表著此處的流速大小。從圖中可以看出燃?xì)庠诘撞恳砸欢ǖ膲毫姵鲞M(jìn)入引射腔，此處的流速達(dá)到最大，及矢量長度最長。由于速度較高形成一個(gè)低壓區(qū)，使得一次空氣從爐頭的兩側(cè)進(jìn)入引射腔，燃?xì)馀c一次空氣在混合腔內(nèi)混合均勻，在此過程中，由于混合消耗能量，燃?xì)獾牧魉儆兴陆?，即矢量長度變短。最后到爐頭的頭部，經(jīng)過火蓋孔噴出燃燒器，最后在大氣中燃燒。

2.2 燃燒器的燃燒溫度場分析

圖11-14分別為四種火蓋下的仿真燃燒溫度分布場。圖中左側(cè)顏色坐標(biāo)代表著燃燒的溫度場分布，溫度越高顏色越紅，從四個(gè)圖中我們發(fā)現(xiàn)在火蓋附近的溫度最高，往上在逐漸減小，這是因?yàn)檫@是大氣式燃燒器，底部與頂部都與大氣相連，燃燒熱與煙氣都隨著與大氣的流動(dòng)而帶走，但仔細(xì)看，我們可以看出四個(gè)圖最高溫度的寬度大小并不一樣，其中圖11最高溫區(qū)域最寬，圖12次之，圖13、圖14最小，眾所周知，換熱面積越大，換熱效率就越高，而我們的高溫區(qū)域越寬，預(yù)示著其高溫區(qū)換熱面積越大，其熱效率必然會(huì)更高，還有高溫區(qū)域越寬，代表著其與炊具高溫接觸面積越大，即其具有火力更加均勻特性，食物也能更加均勻受熱。由此可見，從火力均勻性及增大高溫?fù)Q熱區(qū)來考慮，第一種方案必然是最佳方案，由圖11-14我們得知，這是一種在火蓋上表面開孔的方式，且其上表面還是曲面。而上表面為平面的次之，這是因?yàn)榍骈_孔方式具有發(fā)散效果，其火力更加容易往兩邊燃燒，增大了其高溫區(qū)域。當(dāng)然除了高溫區(qū)域的寬度不一樣，我們還可以從左邊顏色坐標(biāo)讀出最高溫度值，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)我們到如圖15。結(jié)果很顯然，其最高溫均不一樣，其中傳統(tǒng)側(cè)面開孔溫度最高，圓弧面開孔和平面開孔的次之，斜面開槽的最差。的這是因?yàn)槠浠鹂讛?shù)量及火孔面積不同，傳統(tǒng)側(cè)面開孔，一般火孔較大，數(shù)量較少，即每個(gè)火孔的火力都比較大，其燃燒溫度自然會(huì)更高。而圓弧面和平面應(yīng)為具有較寬高溫區(qū)，可以很好的保證其燃燒熱量不損失，從而保證一個(gè)較高的溫度值，而斜面開槽則會(huì)是的火焰湍流程度大，熱交換較快，即很容易被空氣和煙氣帶走熱量，從而溫度較低。

圖10 外環(huán)燃燒器內(nèi)部甲烷摩爾濃度矢量圖

圖11 圓弧面多孔結(jié)構(gòu)燃燒溫度分布場

圖12 平面多孔結(jié)構(gòu)燃燒溫度分布場

圖13 斜面槽型燃燒溫度分布場

圖14 側(cè)面開孔燃燒溫度分布場

圖15 火蓋開孔方式與燃燒溫度的關(guān)系

圖16 火蓋開孔方式與一次空氣量的關(guān)系

2.3 燃燒器的引射性能分析

通過對(duì)四種火蓋的模擬仿真，我們可以得出其一次空氣的進(jìn)口流速，經(jīng)過整理得到如圖16所示，從圖中我們可以直觀地看出，第一種圓弧面的開孔方式的一次空氣流量最大，斜面開槽和平面開孔的次子，傳統(tǒng)側(cè)面開孔的最差，分析其原因是因?yàn)閭鹘y(tǒng)側(cè)面開孔一般火孔較少，開孔面積小，為了防止回火的產(chǎn)生，其火孔深度必然較大，這就導(dǎo)致了其腔內(nèi)的流動(dòng)阻力較大，是的一次空氣難以引入，而圓弧面開多孔的方式，其一火孔較多，開孔面積較大，每個(gè)火孔的火力較小，不容易回火，火孔深度較淺，其腔內(nèi)流動(dòng)阻力較小，一次空氣可以更加輕松的引入。

3 結(jié)論

1）通過對(duì)四種結(jié)構(gòu)火蓋得仿真模擬得到了：火蓋上表面開多孔結(jié)構(gòu)在燃燒時(shí)候具有較寬的高溫燃燒區(qū)，其高溫?fù)Q熱面積更大，火力分布更加均勻，更加有利于熱效率的提高。

2）對(duì)比了四種結(jié)構(gòu)的燃燒器得出火蓋上表面開多孔結(jié)構(gòu)更有利于一次空氣的引射，而尤以圓弧上表面為最佳。