基于CFD的分體式燃燒器的試驗(yàn)研究

林 剛

（廣東萬和電氣有限公司 佛山 528500）

前言

國內(nèi)燃?xì)庠畹难邪l(fā)主要依靠經(jīng)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行摸索，存在研發(fā)時(shí)間長，成本高等問題，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來越多智能輔助開發(fā)軟件的誕生，我們的研發(fā)方式也在逐漸進(jìn)步，近年來也越來越多研究者嘗試使用計(jì)算機(jī)仿真輔助開發(fā)設(shè)計(jì)燃?xì)庠?，郭甲生等?008）利用CFD軟件對上進(jìn)風(fēng)燃?xì)庠畹囊湫阅苓M(jìn)行數(shù)值模擬，將數(shù)值模擬結(jié)果與利用氣相色譜儀所測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證了運(yùn)用數(shù)值模擬方法來研究其引射性能的可行性[1]。張燦等（2008）利用數(shù)值模擬方法，分別模擬了各因素（包括一次空氣系數(shù)、錐角及鍋支架高度）對家用燃?xì)庠钊紵阅艿挠绊懀玫阶顑?yōu)水平組合為一次空氣系數(shù)為0.6、錐角為45 °、鍋支架高度為22.5 mm[2]。薛興（2012） 運(yùn)用CFD軟件研究了不同鍋支架高度對家用燃?xì)庠顭嵝实挠绊?，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其正確性，研究表明：隨著鍋支架高度的增加，燃?xì)庠畹臒嵝食尸F(xiàn)先增加后減少的趨勢[3]。而對于分體式的鋁座結(jié)構(gòu)卻少有研究，而本文研究的是一種分體式多點(diǎn)直噴的燃燒器，研究其分氣盤鋁座的結(jié)構(gòu)對整個(gè)燃燒器性能的影響。

1 燃燒器模型的建立

本論文研究的是家用燃?xì)庠畹娜紵?，其使用的的燃?xì)鉃樘烊粴?，圖1為大氣式燃燒器3D模型、圖2外環(huán)燃燒器內(nèi)部流場模型、圖3外環(huán)燃燒器內(nèi)部流場網(wǎng)格化后的模型圖。圖4為本文分析的幾種分氣盤鋁座的3-D模型圖。對大氣式燃?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對燃燒器進(jìn)行模擬仿真。運(yùn)用spaceclaim對燃燒器物理模型進(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，對進(jìn)出口邊界面重新命名，對于結(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。

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。

通過對燃燒器內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，設(shè)計(jì)分析了四種不同類型的分氣通道對燃燒器性能的影響，為了確保結(jié)果可比性，四種結(jié)構(gòu)的二次空氣通道面積需設(shè)計(jì)成一致。經(jīng)模擬仿真得到了燃燒器內(nèi)部甲烷濃度場矢量圖和一次空氣的引射量。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0.01～0.2之間。

2 燃燒器結(jié)構(gòu)性能分析

2.1 燃燒器分氣盤結(jié)構(gòu)對燃燒的影響

圖1 大氣式燃燒器3D模型

圖2 燃燒器內(nèi)部流場模型

圖3 燃燒器內(nèi)部流場網(wǎng)格化

圖4 四種分氣通道鋁座的3-D模型圖（扇形、偏心矩形、偏心平行四邊形、平行四邊形）

本研究使用的是萬和自主研發(fā)的分體式多點(diǎn)雙直噴燃燒器，燃?xì)庠? 000 pa的壓力下經(jīng)過氣管閥體，以一定的流速從噴嘴射出，進(jìn)入引射器的同時(shí)，由于高速形成低壓吸入一次空氣，燃?xì)馀c一次空氣在引射器內(nèi)混合，然后由分氣盤分配給各個(gè)通道，最后經(jīng)火蓋火孔流出。如圖5是扇形分氣通道類型的燃燒器內(nèi)部甲烷濃度矢量圖、圖6是平行四邊形分氣通道類型的燃燒器內(nèi)部甲烷濃度矢量圖、圖7是偏心平行四邊形分氣通道類型的燃燒器內(nèi)部甲烷濃度矢量圖、圖8是偏心矩形分氣通道類型的燃燒器內(nèi)部甲烷濃度矢量圖。本研究使用純凈甲烷氣體作為燃料，所以在噴嘴入口處甲烷濃度比必然達(dá)到最大值為1，但是根據(jù)實(shí)際燃燒工況我們可以計(jì)算出在火蓋處甲烷濃度比不會(huì)超過0.2，而我們需要分析火孔處的甲烷部分情況，為了方便觀察，我們選擇結(jié)果展示區(qū)間為0.01～0.2，即濃度高于此范圍或者低于此范圍的將不顯示。從圖中可以清晰的看出，我們的燃燒器模型有所缺失，即在高濃度區(qū)域噴嘴附近和最低濃度區(qū)域風(fēng)門板一次空氣進(jìn)氣口附近。而從圖5的矢量圖我們可以看出火孔處的高度不一致，有幾處大面積的凸起，這代表著火孔處的氣流速度較大，這勢必會(huì)給燃燒帶來不利的影響，可能會(huì)出現(xiàn)局部離焰的現(xiàn)象，而其他三種結(jié)構(gòu)火孔處的火焰均較為均勻，沒有出現(xiàn)幾處大面積的高低不平現(xiàn)象，這說明這另外三種結(jié)構(gòu)出現(xiàn)離焰的概率要小得多。在結(jié)構(gòu)上明顯優(yōu)于扇形分氣通道。從我們現(xiàn)實(shí)結(jié)構(gòu)上我們也可以很清晰的看出在保證二次進(jìn)風(fēng)面積一樣的情況下，扇形通道內(nèi)徑小，外徑大的結(jié)構(gòu)必然占用了大部分的混合氣體通道面積，不利于混合氣體的流動(dòng)。而其他三種結(jié)構(gòu)內(nèi)外徑基本變化不大。這種更有利于混合氣體的流動(dòng)。當(dāng)然從圖中我們發(fā)現(xiàn)第二個(gè)現(xiàn)象就是圖6、圖7在火孔處有較明顯濃度分布不均勻現(xiàn)象，圖5、圖8在火孔處則混合較為均勻，分析其原因可能是平行四邊形結(jié)構(gòu)的右斜面與混合燃料的流動(dòng)方向背道了，阻礙了混合燃料向左的流動(dòng)，左右的流動(dòng)差異造成了富燃料區(qū)。體現(xiàn)在實(shí)際燃燒工況下則會(huì)出現(xiàn)火力不均勻的現(xiàn)象。而圖5、圖8結(jié)構(gòu)均是豎直向上的流動(dòng)方式，可以很輕松的向左向右流動(dòng)。

圖5 是扇形道的甲烷濃度矢量圖

圖6 是平行四邊形通道的甲烷濃度矢量圖

圖7 是偏心平行四邊通道的甲烷濃度矢量圖

圖8 是偏心矩形分通道的甲烷濃度矢量圖

表1 不同分氣結(jié)構(gòu)下燃燒器一次空氣的引射量

以上我們分析了四種結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場濃度矢量圖，從圖中我們也可以發(fā)現(xiàn)四個(gè)圖的顏色也有差別，這主要是一次空氣的引射量不同導(dǎo)致的，通過計(jì)算機(jī)模擬我們可以很容易的得到其一次空氣的入口流量。經(jīng)過整理得到如表1所示，根據(jù)表格參數(shù)得到圖9，從圖中看出偏心平行四邊形的引射效果會(huì)優(yōu)于平行四邊形。其中扇形的引射效果最差，矩形次之。綜合以上分析得出偏心矩形結(jié)構(gòu)是最適合作為四通道分氣結(jié)構(gòu)的，既能保證各火孔出的流速均勻，防止出現(xiàn)離焰現(xiàn)象，又能保證其火力分布均勻。

2.2 燃燒器分氣盤深度對燃燒的影響

鋁座的深度也是影響燃燒器性能的因素之一，根據(jù)上面的研究結(jié)果，我們選取偏心矩形分氣結(jié)構(gòu)來分析鋁座的深度對燃燒器性能的影響，為此我們分別設(shè)計(jì)了4（6 mm、11 mm、16 mm、21 mm）個(gè)不同深度的鋁座對其進(jìn)行模擬仿真，其結(jié)果如圖10為6 mm深度的鋁座的甲烷濃度矢量圖、圖11為11 mm深度的鋁座的甲烷濃度矢量圖、圖12為16 mm深度的鋁座的甲烷濃度矢量圖、圖13為21 mm深度的鋁座的甲烷濃度矢量圖，從圖10中我們可以看到火孔處的高矮不一，及火孔處混合氣體的流速分布不均勻，出現(xiàn)明顯的4塊凸起區(qū)域，反饋到實(shí)際燃燒中具有較大概率出現(xiàn)離焰的想象，而其他三個(gè)深度則較為平均。分析其原因是鋁座深度過淺，則其混合腔總體積較小，壓力較高，導(dǎo)致氣流速度較急。而圖11、圖12、圖13三個(gè)圖火孔處的高度比較一致，則說在鋁座深度為11 mm的時(shí)，混合腔體積已經(jīng)足夠混合氣體，腔內(nèi)壓力分布較為均勻，則火孔處的流速較為均一。這說明增加鋁座深度可以一定程度的改善火焰均勻性，但其改善效果有一個(gè)最大值，過了這個(gè)最大值再增加深度對其火焰均勻性將沒有意義。

圖9 不同分氣結(jié)構(gòu)下燃燒器一次空氣的引射量

圖10 深度鋁座6 mm甲烷濃度矢量圖

圖11 深度鋁座11 mm甲烷濃度矢量圖

表2 不同鋁座深度下燃燒器一次空氣的引射量

燃燒器腔內(nèi)體積大小對一次空氣的引射有一定的影響，通過計(jì)算機(jī)模擬我們得到其一次空氣的入口流量。經(jīng)過整理得到如表2所示，根據(jù)表格參數(shù)得到圖14，可以很直觀地看出鋁座深度越大，一次空氣的流量也越大，分析其原因是是體積增大了，減小了腔內(nèi)壓力，既減小了氣體的流動(dòng)阻力，這樣更加有利于混合氣體的流動(dòng)，從四個(gè)圖對比也可以看出其混合均勻性越來越好。即鋁座的深度越高越好，但綜合考慮到材料成本，燃燒器性能等得出鋁座深度在11 mm時(shí)為最佳。

圖12 深度鋁座16 mm甲烷濃度矢量圖

圖13 深度鋁座21 mm甲烷濃度矢量圖

圖14 不同鋁座深度下燃燒器一次空氣的引射量

3 小結(jié)

1）本研究通過模擬仿真分析了分體式燃燒器的四種分氣結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣性能。在二次空氣補(bǔ)充面積相同的情況下下，得出偏心矩形是最適合的分氣結(jié)構(gòu)，既能保證各火孔出的流速均勻，防止出現(xiàn)離焰現(xiàn)象，又能保證其火力分布均勻。

2）在偏心矩形分氣通道結(jié)構(gòu)中驗(yàn)證了鋁座深度會(huì)影響燃燒器的燃燒性能，并得到當(dāng)鋁座的最佳深度在11 mm時(shí)為最佳。