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        圓柱形燃燒室內(nèi)流—固耦合熱數(shù)值模擬的研究

        2015-11-25 08:50:20吳長江劉興宇
        河南科技 2015年18期
        關(guān)鍵詞:全場燃燒室入口

        吳長江 劉興宇

        (貴州建設(shè)職業(yè)技術(shù)學院,貴州 清鎮(zhèn) 551400)

        燃燒室是設(shè)備熱動力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一,它的工作過程包括流體流動、傳熱、傳質(zhì)和化學反應(yīng)以及它們之間相互作用的復雜物理化學變化。由于圓柱形燃燒室?guī)缀涡螤顝碗s,影響性能的參數(shù)很多,所以如果采用實驗方法研究,需要多個實驗模型,成本高,且研究周期比較長。采用數(shù)值模擬的方法可以很好的克服這一缺點。本文通過FLUNT14.0對圓柱形燃燒器進行了直接數(shù)值模擬研究,為燃燒器的性能優(yōu)化提供了一定的參考。

        1 數(shù)值模擬

        1.1 物理模型

        將上面模型簡化為二維物理模型,我們可以將燃燒室的模型進行簡化,某圓柱形燃燒室出口截面的結(jié)構(gòu)如圖1所示,燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣從燃燒室流出后在圖1標號為①的位置進入圖中漏斗狀結(jié)構(gòu),最終從②流出。冷卻水從標號為⑤的位置進入“水套”結(jié)構(gòu),由⑥流出。常溫空氣從標號為③的位置進入空氣流道,分別與高溫煙氣和冷卻水發(fā)生熱交換,最終由④流出。

        表1給出了該結(jié)構(gòu)的幾何尺寸,漏斗狀結(jié)構(gòu)(圖1中標號為A的結(jié)構(gòu))、水套(圖1中標號為B的結(jié)構(gòu))的壁厚均為5mm,材料為鋼,過程是穩(wěn)態(tài)的。給定的工況與流體物性參數(shù)見表2。

        表1 燃燒器幾何尺寸

        圖1 燃燒室出口結(jié)構(gòu)圖

        ①焰罩入口;②火焰罩出口;③空氣流道入口;A.火焰罩;④空氣流道出口;⑤水套入口;⑥水套出口;B.水套內(nèi)壁。

        表2 物性參數(shù)

        此外,考慮到流體的密度和黏度均與溫度密切相關(guān),因此,本文首先擬合出水、空氣的密度和黏度與溫度的關(guān)系,擬合曲線及關(guān)系式如圖2、圖3、圖4、圖5所示。

        1.2 數(shù)學模型

        采用定常、層流、強制對流、無耗散模型,并假設(shè)煙氣和空氣工質(zhì)為理想氣體,不考慮輻射換熱,模型的控制方程如下[1]:

        圖2 水的密度與溫度的關(guān)系

        圖3 水的黏度與溫度的關(guān)系

        圖4 空氣的密度與溫度的關(guān)系

        圖5 空氣的黏度與溫度的關(guān)系

        動量方程:

        邊界條件如下[2]:

        1.2.1 煙氣進口:煙氣入口均采用質(zhì)量流量入口。

        1.2.2 煙氣出口:出口截面上無回流,采用壓力邊界條件。

        1.2.3 空氣出口、液態(tài)水出口、煙氣出口均采用壓力出口邊界條件。

        1.2.4 固壁:u=v=0,T=TW=40℃;左側(cè)外壁面采用絕熱邊界條件,內(nèi)部壁面采用自動耦合邊界條件。

        2 計算結(jié)果與討論

        2.1 求解模型

        質(zhì)量方程采用SIMPLE算法,動量和能量方程均采用二階迎風差分格式,壓力、密度、體積力、動量、能量的松弛因子分別為0.3、1、1、0.8、1,連續(xù)性方程、X方向分速度、Y方向分速度的殘差控制為10-4,能量方程殘差控制為10-7,模型在FLUENT中耦合求解。計算結(jié)果收斂后根據(jù)溫度梯度、速度梯度加密網(wǎng)格,直至得到網(wǎng)格無關(guān)解[3]。

        由于模型高度對稱,因此可以將三維模型簡化成二維平面模型,進一步可簡化成左半部分平面模型,從而大大降低了計算量。本文模型基于商業(yè)軟件ICEM劃分網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)為58 920,壁面網(wǎng)格加密,劃分邊界層網(wǎng)格。

        2.2 模擬結(jié)果

        經(jīng)過fluent軟件數(shù)值模擬,得到了如圖6、圖7所示的全場溫度分布與速度分布。由全場的溫度場分布可知,水側(cè)溫度變化不大。這是因為水的入口溫度與空氣的入口溫度相差不大,且入口水的質(zhì)量是空氣質(zhì)量的71.43倍,再加上水的比熱容是空氣的4.15倍,從而導致全場水側(cè)的溫度變化不大。在靠近壁面的地方,空氣升溫明顯。在煙氣側(cè),一部分煙氣從豎直部分進入后,并沒有沿著斜邊流動,而是直接豎直流出,最終在斜邊部分形成了回流,因此斜邊部分煙氣溫度較低。

        圖6 全場溫度分布

        圖7 全場速度分布

        由全場的速度場分布可知,水側(cè)速度變化不大,是因為水側(cè)流動橫截面積保持不變。在空氣側(cè),隨著空氣進入斜邊部分,橫截面積減小,再加上空氣被加熱,分子熱運動加劇,從而速度越來越大。在煙氣側(cè),速度分布不均勻??拷行膶ΨQ面部分速度分布均勻。從云圖可以看到,斜邊部分出現(xiàn)了回流,是由于橫截面積突然增大所致。

        表3 流體進、出口溫度及換熱量

        3 結(jié)論

        3.1 本文通過ANSYS14.5商業(yè)軟件建立燃燒室煙氣流-固耦合換熱模型,基于SIMPLER算法,不考慮重力和輻射,模擬得到了全場的速度場分布、溫度場分布以及各流體的出口平均溫度,除此之外,還得到了煙氣側(cè)、空氣側(cè)和水側(cè)的換熱量及各壁面平均對流換熱系數(shù)。

        3.2 水側(cè)由于流量大、溫度梯度小,全場的溫度分布幾無變化,保持不變。空氣側(cè)靠近壁面的部分,溫度明顯上升。由于煙氣側(cè)在斜面部分橫截面積變化較大,出現(xiàn)了回流,從而換熱不充分,導致高溫煙氣熱量沒有得到充分利用。為了使熱量得到較好的利用,可以減小傾斜面的坡度。

        [1]陶文銓.數(shù)值傳熱學(第二版)[M].西安:西安交通大學出版社,2005.

        [2]楊世銘,陶文銓.傳熱學(第三版)[M].北京:高等教育出版社,1998.

        [3]精通CFD工程仿真與案例分析[M].北京:人民郵電出版社,2013.

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