大功率家用燃?xì)庠畹臄?shù)值模擬

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 陳 露 馮 良 彭 偉 楊寶剛

1 概述

大氣式燃燒器利用燃?xì)庖渲伎諝?，使燃燒所需的一部分空氣先在引射管?nèi)與燃?xì)饣旌?，然后再送入燃燒器頭部燃燒，被廣泛地應(yīng)用于民用和工業(yè)領(lǐng)域。目前國內(nèi)和國外的燃?xì)庠畹臒嶝?fù)荷大都在3.8kW以內(nèi)，雖然在熱效率和煙氣排放上的研究相對完善，但是熱負(fù)荷較小，不足以滿足我國人民日常的爆炒烹飪習(xí)慣。GB 16410－2007《家用燃?xì)庠罹摺穼嶝?fù)荷做出強(qiáng)制性規(guī)定：兩眼和兩眼以上的燃?xì)庠詈蜌怆妰捎迷顟?yīng)有一個(gè)主火，其實(shí)測折算熱負(fù)荷：普通型灶≥3.5 kW；紅外線灶≥3.0 kW。目前關(guān)于大功率家用燃?xì)庠畹难芯看蠖嗉杏谝淦鹘Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱效率提高措施上，而市場需求使得燃?xì)庠畹囊湓O(shè)計(jì)不僅僅局限于傳統(tǒng)的低壓引射式，風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)以提供一次空氣也逐漸被引進(jìn)家用燃?xì)庠畹脑O(shè)計(jì)，一次空氣系數(shù)的提高現(xiàn)實(shí)可行。因此探究在現(xiàn)有燃?xì)庠畹脑铑^火孔形式下的大功率、高一次空氣系數(shù)的燃燒狀況具有現(xiàn)實(shí)意義。

2 FLUENT數(shù)值模擬

2.1 物理模型及物性參數(shù)計(jì)算

本文根據(jù)市面上某額定功率為5 kW家用燃?xì)庠畹膶?shí)際尺寸建立模擬物理模型。模擬燃?xì)庠畹某叽鐓?shù)見表 1。模擬天然氣采用純甲烷，模擬燃?xì)鉁囟葹?25 ℃，環(huán)境溫度為 20 ℃，該條件下甲烷的低位體積發(fā)熱量為33.365 MJ/m3，燃燒所需空氣量為 9.52 m3/m3。

表1 模擬燃?xì)庠畹某叽鐓?shù)

2.2 網(wǎng)格劃分

本文研究對象為燃?xì)庠罨鹕w外的燃燒區(qū)域，采用 icem進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分。不同的計(jì)算域采用不同的網(wǎng)格密度，對于尺寸較小的火孔以及火蓋區(qū)域進(jìn)行加密處理?？紤]到模型的結(jié)構(gòu)為軸對稱，建立1/8軸對稱模型幾何結(jié)構(gòu)。模擬區(qū)域尺寸主要考慮燃?xì)庠顚?shí)際的使用情況以及國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，以燃?xì)庠铑^為中心半徑200 mm，距離灶臺高108 mm作為模擬區(qū)域。

圖1 模擬網(wǎng)格

2.3 模型算法及邊界條件

本文不考慮甲烷與一次空氣的預(yù)混過程，設(shè)甲烷與一次空氣在進(jìn)入火孔前已經(jīng)混合均勻，只模擬部分預(yù)混氣體從火孔流出后的燃燒狀況。模擬過程主要包括氣體的燃燒，輻射換熱等過程。流體定義為不可壓縮的牛頓流體，流動遵循動量守恒定律、能量守恒定律和質(zhì)量守恒定律。對流體作如下假設(shè)：流場已充分發(fā)展為穩(wěn)態(tài)湍流流動；忽略體積力的影響；流動在壁面上無滑移。采用適用于燃燒的基于壓力的分離求解器。湍流流動模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε計(jì)算模型，該模型適用范圍廣、經(jīng)濟(jì)，有合理的精度。燃燒模型選用氣相燃燒模型中的有限速度模型，同時(shí)選擇有限速度模型中的渦耗散模型，適用于湍流、快速化學(xué)反應(yīng)。該計(jì)算模型忽略了復(fù)雜的而化學(xué)動力學(xué)因素，突出湍流混合對燃燒速率的控制作用?；瘜W(xué)反應(yīng)速率由大尺度渦混合時(shí)間尺度k/e控制，只要k/e (湍流)＞0出現(xiàn)，燃燒即可進(jìn)行，不需要點(diǎn)火源來啟動燃燒。輻射換熱模型選擇DO模型，其精度高，考慮因素多，在所有場合均可運(yùn)用。壓力和速度耦合采用SIMPLE算法，它的優(yōu)點(diǎn)是可以直接求出速度場和壓力場，收斂性很好，對流場采用二階迎風(fēng)格式。

混合好的一次空氣與甲烷從火孔中流出，混合比例及流速根據(jù)模擬功率、一次空氣系數(shù)計(jì)算確定，采用速度入口，空燃混合物溫度設(shè)為實(shí)測溫度298 K；燃?xì)庠罨鹕w溫度設(shè)為定壁溫443 K；模擬區(qū)域底部視為燃?xì)庠钆_面，設(shè)為定壁溫343 K；出口設(shè)置為壓力出口，設(shè)為大氣壓(零壓)，環(huán)境溫度為293 K。

本文分別模擬燃?xì)庠罟β?4.5 kW、5 kW、5.5 kW、6 kW在一次空氣系數(shù)為0.6時(shí)的燃燒狀況，即改變一次空氣和甲烷混合物在火孔處的流動速度，而不改變一次空氣與甲烷的混合體積比；同時(shí)模擬在燃燒功率為5 kW情況下一次空氣系數(shù)分別為0.5、0.6、0.7的燃燒狀況，即同時(shí)改變一次空氣和甲烷混合物在火孔處的流動速度以及混合比例。模擬案例數(shù)據(jù)見表2。

表2 模擬案例數(shù)據(jù)

2.4 模擬結(jié)果分析

混合均勻的一次空氣與甲烷的從火孔處流出，從環(huán)境中引入二次空氣進(jìn)行燃燒。根據(jù)實(shí)際鍋架高度以及模擬火焰燃燒狀況綜合考慮，取距離灶臺高度為54 mm處徑向的溫度和速度分布進(jìn)行分析。本文所有曲線每5個(gè)點(diǎn)僅顯示1個(gè)點(diǎn)。

(1)燃?xì)庠罟β?.5 kW、5 kW、5.5 kW、6 kW在一次空氣系數(shù)為0.6時(shí)，灶臺高度為54 mm處徑向的氣體流速分布曲線比較圖，如圖2所示。隨著燃?xì)庠罟β实奶岣?，即一次空氣與甲烷混合物氣體流速的提高，鍋架高度處的煙氣流速最大值提高，而最小值有所降低，這是由于煙氣擾動產(chǎn)生回流區(qū)。燃?xì)庠钤铑^半徑為0.057 mm。在徑向距離x＞0.15 m時(shí)，氣體仍存在流速，這是因?yàn)槿紵齾^(qū)域內(nèi)空氣的消耗使得邊界處產(chǎn)生空氣回流，導(dǎo)致氣體流動。同時(shí)一定高度煙氣流速波動趨勢徑向滯后，在徑向距離x=0.15 m后，不同功率下的煙氣流速趨于一致。

圖2 不同功率下α=0.6、z=54 mm處的徑向速度分布曲線

功率增大會使高溫?zé)煔獾挠绊懣臻g范圍增大，如圖3所示，表明在燃?xì)庠钍褂玫倪^程中，功率改變對鍋架處煙氣流速波動范圍和煙氣高溫區(qū)域范圍影響明顯。

(2)燃燒功率為5 kW情況下，一次空氣系數(shù)分別為0.5、0.6、0.7時(shí)的溫度分布云圖，如圖4所示。從中可以看出燃燒火焰長度隨著一次空氣系數(shù)的增高而明顯變短，燃燒最高溫向火孔附近移動，煙氣溫度的波動空間范圍變小。

圖3 不同功率下α=0.6、z=54 mm處煙氣溫度分布云圖

圖4 不同一次空氣系數(shù)下Q=5 kW的溫度分布云圖

燃燒功率為5 kW情況下一次空氣系數(shù)分別為0.5、0.6、0.7時(shí)，高度為54 mm處徑向的溫度分布曲線比較圖，如圖5所示?？梢钥闯?，相同功率、不同一次空氣系數(shù)下在鍋架高度為 54 mm時(shí)的徑向溫度分布差別很大，一次空氣系數(shù)越高，該高度的煙氣溫度越低。這與不同一次空氣系數(shù)下火焰的形態(tài)有很大關(guān)系，如圖4所示，一次空氣系數(shù)的增高使得火焰變短。

圖5 不同一次空氣系數(shù)下Q=5 Kw、z=54 mm處的徑向溫度分布

3 結(jié)語

本文對家用大功率燃?xì)庠钸M(jìn)行了FLUNT數(shù)值模擬研究，主要探究了不同功率以及不同一次空氣系數(shù)下的燃?xì)庠钊紵隣顩r，可以得出以下結(jié)論：

(1)相同一次空氣系數(shù)時(shí)，燃燒功率增大會增大鍋架處的煙氣流速波動范圍和煙氣高溫區(qū)域范圍。當(dāng)煙氣高溫區(qū)域范圍增大時(shí)，就可以采用更大的鍋來提高熱效率。相應(yīng)解釋了在進(jìn)行燃燒器熱效率測試的國家標(biāo)準(zhǔn)中，需要測試的燃?xì)庠罟β试龃髸r(shí)，測試用鍋的直徑也會增大。

(2)相同功率下，不同一次空氣系數(shù)對燃燒火焰形態(tài)影響較大，進(jìn)而影響同一高度處的溫度分布。當(dāng)一次空氣系數(shù)的增大時(shí)，燃燒火焰會變短變直，在相同的排放要求下，可以采用更低的鍋架高度來提高熱效率。