薛 興,劉 芳
(桂林電子科技大學(xué) 建筑與交通工程學(xué)院,廣西 桂林 541004)
目前,國內(nèi)燃氣灶熱效率的研究主要是采用實驗的方法[1~4],其研發(fā)周期長、成本高。而采用數(shù)值模擬的方法研究燃氣灶熱效率,可縮短研發(fā)周期,降低成本。本文主要基于計算流體動力學(xué)CFD的數(shù)值模擬方法,在fluent軟件平臺上,對燃氣灶的燃燒和傳熱過程進行仿真計算,仿真分析結(jié)果對開發(fā)高效節(jié)能的燃氣灶具有重要的指導(dǎo)意義。
根據(jù)燃燒器尺寸建立三維物理模型。整個模型由燃燒器頭部、鍋底、灶臺面三部分組成。燃燒空間由燃燒器本身的腔體和上部分的空腔組成。用fluent前處理器gambit進行網(wǎng)格劃分,其主要采用六面體網(wǎng)格對模型進行網(wǎng)格劃分。適當增加燃燒器腔體和主要燃燒區(qū)域的網(wǎng)格數(shù),其它區(qū)域用粗網(wǎng)數(shù)處理。最終網(wǎng)格數(shù)達30萬,數(shù)值計算的收斂精度達10-3以下。計算模型網(wǎng)格如圖1所示。
圖1 部分網(wǎng)格圖
(1)基本控制方程
燃氣灶的主燃燒區(qū)存在較為復(fù)雜的湍流運動、湍流燃燒、輻射以及對流傳熱過程。本文對燃氣灶燃燒與傳熱流場的數(shù)值模擬做基本假設(shè):所有表面都是黑體;在100℃時,鍋體的各部分都是等溫的。燃氣灶數(shù)值模擬的控制方程可用下式[5]表示:
式中,
準為任意變量;
г為廣義擴散系數(shù);
S是源項。
準、г、S不同的形式,可表示連續(xù)方程、動量方程、能量方程、組分方程。
(2)湍流模型
燃氣灶數(shù)值模擬,選擇合適的湍流模型較為重要。文獻[6]和[7]表明Realizable湍流模型較適合燃燒室數(shù)值模擬。Realizable k-ε雙方程湍流模型使均流方程封閉,表達式為[5]:
其中,σk和σε分別是與湍動能k和耗散率ε對應(yīng)的 Prandtl數(shù),fluent默認值 σk=1.0,σε=1.2,C2=1.9。
(3)燃燒模型
燃氣灶燃燒器內(nèi)的燃燒處于湍流燃燒狀態(tài),即湍流流動過程和化學(xué)反應(yīng)有著強烈的相互作用。Fluent提供了基于Magnussen和Hjertager提出的渦團破碎模型改進的渦耗散EDM燃燒模型。在該模型中,物質(zhì)i在反應(yīng)r中的產(chǎn)生率Rir取兩式中的最小值。
式中,
ν'i,r、ν"j,r為物質(zhì) i在反應(yīng) r中的反應(yīng)物和生成物化學(xué)恰當比系數(shù);
Mwi為物質(zhì)i的相對分子質(zhì)量;
N為生成物的總個數(shù);
Y為組分質(zhì)量分數(shù)。
A、B為經(jīng)驗常數(shù),分別約等于4.0和0.5。
進口:分布在圓臺壁面上的18個條形孔是燃氣和空氣混合物的入口,使用速度入口邊界條件:燃氣的低熱值為101.97 MJ/m3,流速1.2 m/s,混合后各組分的質(zhì)量分數(shù)分別為:φC4H8為9.4%,φC2為20.3%;湍流參數(shù)使用水力直徑和湍流強度的定義方法,按公式 I=0.16(Re)-1/8計算。
出口:采用壓力出口邊界條件φo2為23.1%,其余為N2?;亓鞣较蚺c邊界垂直,定義出口背壓、回流溫度、回流的湍流強度和水力直徑。
壁面:采用無速度滑移壁面,將火孔壁面和百葉窗溫度設(shè)為定溫 512 K;水初溫 27℃,水終溫100℃,鍋壁溫取兩者的平均值,設(shè)定鍋底溫度為336 K。
控制方程選用一階迎風(fēng)格式進行迭代,壓力場和速度場采用SIMPLE算法進行耦合計算,同時選用亞松弛因子加速收斂。
圖2是x=0時截面的溫度分布圖,圖3是z=10 mm時,截面溫度分布圖。從圖中可以看出,液化石油氣和空氣混合后從條形孔中以一定的速度噴出之后,在燃燒區(qū)域內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),在火孔附近燃燒較好,形成高溫區(qū)域,同時,火焰向鍋底面及其外部延伸,且隨著火焰的延伸,溫度逐漸降低。底部進入的二次空氣與混合燃氣混合之后,參與燃燒。這里計算溫度單位采用開爾文。
圖2 x=0截面溫度分布
圖3 z=10mm截面溫度分布
鍋支架高度是指火孔端面與鍋支架最高部位之間的距離。不同的鍋支架高度,得到的燃燒空間也不同,進而影響燃燒所需的二次空氣量。鍋支架越高,供給的二次空氣量越多,燃燒越完全,煙氣中的一氧化碳含量越低,但是火焰接觸不到鍋底,煙熱損失增加,致使熱效率降低。相反,隨著鍋支架高度降低,雖然提供的二次空氣量減少,但是火焰充分與鍋底表面接觸,熱效率增加。當鍋支架高度過低時,二次空氣量較少,火焰受壓于鍋底造成不完全燃燒,煙氣中的一氧化碳量增加且熱效率降低。如圖4所示,當鍋支架高度從15mm增加到20 mm時,熱效率從35.2%上升到47.34%;當鍋支架高度增加到48 mm時,熱效率下降到36.3%。
圖4 鍋支架高度對灶具熱效率的影響
文章采用數(shù)值模擬的方法,分析了鍋支架高度對燃氣灶熱效率的影響,結(jié)果表明:熱效率隨著鍋支架高度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。模擬結(jié)果能較好地反應(yīng)參數(shù)對熱效率的影響。將數(shù)值模擬的方法應(yīng)用于燃氣灶熱效率的研究,更為方便快捷。由于CFD軟件能較為容易的實現(xiàn)變結(jié)構(gòu)的流體計算,有利于綜合分析因素對燃氣灶熱效率的影響,也為燃氣灶的設(shè)計提供支持。
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