南京理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 鮑 桐 張后雷北京慧峰仁和科技股份有限公司 苗雨旺

0 引言

氣體燃料是一種優(yōu)質(zhì)、高效、清潔的燃料，其著火溫度相對較低，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤欤字鸷腿紵?，同時也很容易實現(xiàn)自動輸氣、混合、燃燒過程，是較為理想的能源。而目前主流的擴散式燃氣燃燒方式反應(yīng)區(qū)域狹窄，主要傳熱方式是氣體熱傳導(dǎo)和對流，燃燒室內(nèi)溫度梯度較大，會帶來較高的氮氧化物排放，嚴重影響了環(huán)境。相比而言，選用孔隙率較高的多孔金屬纖維作為燃氣燃燒場，具有更高的比表面積、導(dǎo)熱系數(shù)、熱容量與熱輻射力，能更好地實現(xiàn)氣體與多孔金屬纖維之間的快速換熱，可以消除爐膛局部高溫區(qū)，縮短煙氣在高溫區(qū)停留時間，大大降低燃燒污染物排放水平。

近些年來，學(xué)者針對金屬纖維表面式燃氣燃燒器的全預(yù)混燃燒已經(jīng)開展了大量的理論與試驗研究。Marrecau等首先介紹了以新型金屬編織物為多孔燃燒介質(zhì)的燃氣燃燒器的低 NOx排放特性；Leonardi對于容積式熱水爐中的金屬纖維燃燒器的燃燒與傳熱過程做了試驗與理論研究；Delali等研究了某種多孔介質(zhì)燃燒器的燃燒特性與污染物排放情況，實驗結(jié)果表明，煙氣 NOx體積分數(shù)在(5～40)×10-6之間，當過量空氣系數(shù)在 1.2～1.6之間時，污染物放排量會達到最低水平。國內(nèi)方面，黃志甲等介紹了金屬纖維表面燃燒技術(shù)的工作原理和性能特點，分析了表面燃燒超低 NOx排放的原因，同時對燃燒器系統(tǒng)特性、混氣裝置和空燃比控制等關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，并將其應(yīng)用于中餐灶臺中，取得了良好的節(jié)能環(huán)保效果。針于金屬纖維表面燃燒器，仇中柱針對中心引入式與周邊引入式混風(fēng)裝置進行了二維數(shù)值模擬計算，通過引入均方差來衡量燃氣—空氣混合程度，得出了周邊引入式混合裝置混合效果較好的結(jié)論。

本文從提高燃氣與空氣的混合程度方向入手，設(shè)計了新型金屬纖維表面式燃燒器混風(fēng)結(jié)構(gòu)，用于實現(xiàn)燃氣的穩(wěn)定表面燃燒，前人暫無相關(guān)結(jié)構(gòu)的研究工作。通過Fluent軟件對于不同混風(fēng)結(jié)構(gòu)組合后燃燒頭區(qū)域的氣體混合流動進行了數(shù)值模擬，通過計算選取截面處的燃氣質(zhì)量分數(shù)與燃氣均勻性指數(shù)，定量對比了在金屬纖維燃燒頭前端安裝不同混風(fēng)結(jié)構(gòu)后的燃氣—空氣混合程度，對于今后熱態(tài)燃燒工況的研究工作奠定了基礎(chǔ)。

1 物理模型

本文設(shè)計制造的多孔金屬纖維表面燃燒機主要包括：風(fēng)機、仿錘體、混合腔、混氣旋流裝置和金屬纖維燃燒頭等部件組成。其中混風(fēng)腔由仿錘體和混合腔組合而成。該燃燒機主要部件的裝置剖面如圖1所示。

圖1 多孔金屬纖維燃燒機設(shè)計剖面

該裝置有別于其他燃燒器的混合方式，混合腔為圓柱狀，空氣由軸向進入，燃氣由徑向進入?；旌锨挥袃?nèi)、外兩層筒壁，外壁上開數(shù)個大環(huán)形燃氣孔，內(nèi)壁上開數(shù)個小環(huán)形燃氣孔，開孔位置呈錯排，保證燃氣能夠充盈整個混合器內(nèi)腔。燃氣通過混合腔進氣口，經(jīng)外燃氣孔、內(nèi)燃氣孔進入混合腔內(nèi)?？諝馔ㄟ^風(fēng)機提升壓頭后，經(jīng)過仿錘體后與混合腔內(nèi)的燃氣進行混合，之后混合氣體通過混風(fēng)裝置(主要由葉輪與孔板組成)，再進入金屬纖維燃燒頭，從其端面與側(cè)面進入爐膛完成燃燒。

選取風(fēng)機端面到燃燒頭端面為計算域，模型中風(fēng)道內(nèi)徑207 mm，仿錘體中端最大直徑99 mm，兩邊小端直徑21 mm，長度為182 mm；混風(fēng)腔長度為180 mm，外殼體外徑492 mm，厚度6 mm，外筒外徑440 mm，厚度3 mm，內(nèi)筒外徑400 mm，厚度6 mm；燃燒頭區(qū)域長度1 150 mm，其中金屬絲網(wǎng)覆蓋區(qū)域長度為750 mm；均流孔板開孔孔徑為4.5 mm，開孔數(shù)約為460個；所制葉輪旋轉(zhuǎn)角度為45°，葉片數(shù)量為8片。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 計算模型

標準k-s模型在諸多工程模擬計算中已證明有相當高的正確性，本文選用該湍流模型來模擬CH4與空氣在燃燒器內(nèi)的混合流動過程。由于本算例中不涉及燃燒化學(xué)反應(yīng)，計算中僅勾選 Species Transport模型，而不勾選Volumetric Reaction選項。

2.2 邊界條件與物性參數(shù)

空氣與燃氣入口條件均設(shè)為壓力進口，空氣進口壓力2 kPa，燃氣進口壓力6 kPa，煙氣出口為大氣環(huán)境，出口表壓力設(shè)為零壓。同時給定兩處進口的氣體組分，分別為100%空氣與100% CH4。壁面條件：首先是無滑移條件，即內(nèi)部流體在固體界面上速度為零；其次認定固體相是不可穿透的，各組分濃度值在固體界面的法向梯度為 0，最后，設(shè)定壁面為恒溫。材料物性參數(shù)：燃氣主要成分為CH4，計算中用質(zhì)量分數(shù)100%的CH4組成，空氣簡化為21%的O2與79%的N2，假設(shè)均為常物性。

2.3 網(wǎng)格劃分與求解方法

對于上述的三維模型，將其簡化后用 Gambit對模型進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，對于較為規(guī)整的體(如燃燒頭等規(guī)則的圓柱體)采用 Cooper類型網(wǎng)格劃分，針對較為不規(guī)則的體(如仿錘體等類圓錐體)采用TGrid類型網(wǎng)格劃分。體積較小處(如混風(fēng)腔開孔處)，調(diào)整最小網(wǎng)格尺寸為1 mm，適當進行網(wǎng)格加密，最終網(wǎng)格數(shù)量約為100萬，網(wǎng)格質(zhì)量經(jīng)過校核結(jié)果較好，網(wǎng)格扭曲率全部控制在0.8以下。

數(shù)值模擬采用ANSYS Fluent軟件來解決混合流動問題，采用SIMPLEC(SIMPLE-Consistent)算法求解壓力-速度耦合問題，該算法收斂性較SIMPLE算法好。動量方程、能量方程、湍流動能方程和湍流耗散率方程的離散均采用二階迎風(fēng)格式。適當調(diào)小組分松弛因子與動量松弛因子以更好的得到收斂的結(jié)果。

3 結(jié)果與分析

采用所述的計算模型與給定參數(shù)，經(jīng)過迭代計算后達到收斂，為方便對于燃燒器內(nèi)部流場模擬結(jié)果進行分析。選取燃燒器軸向(Z向)截面：Z-430、Z-530、Z-630、…、Z-1430、Z-1580來進行考察燃氣—空氣混合情況，見圖2。

圖2 模型選取考察界面

針對本例，選取了8個不同結(jié)構(gòu)組合配置的算例來進行對比，具體部件配置如表1所示。

表1 選取模擬工況

3.1 燃燒器混合腔總體混風(fēng)性能分析研究

本文重點關(guān)注燃燒器內(nèi)部的速度分布，尤其是燃燒頭區(qū)域(z=830～1850 mm的圓柱區(qū)域)的速度場分布。以下為各個工況的模擬結(jié)果速度云圖，從圖3～10來看，工況1到4中混風(fēng)器前置的仿錘體并未起到應(yīng)用的加強混合的作用，反而在鈍體后形成了較大的低壓回流區(qū)。由于回流區(qū)的存在，它將混合流動中的燃氣不斷卷吸到回流區(qū)中，形成強烈的紊流混合區(qū)。反觀工況5到8中混合氣流流動順暢，相同的混風(fēng)組件配置下，速度云圖更為均勻。

圖3 工況1 y-z截面氣流速度云

圖4 工況2 y-z截面氣流速度云

圖5 工況3 y-z截面氣流速度云

圖6 工況4 y-z截面氣流速度云

圖7 工況5 y-z截面氣流速度云

圖8 工況6 y-z截面氣流速度云

圖9 工況7 y-z截面氣流速度云

圖10 工況8 y-z截面氣流速度云

3.2 各截面CH4分布程度定量分析

通過對于各個工況的模擬速度云圖來看，可將工況分為兩組來對比，安裝有仿錘體的工況(工況1到 4)，以及拆除仿錘體的工況(工況 5到8)。通過后處理操作，可得到各截面的CH4質(zhì)量分數(shù)以及各截面 CH4質(zhì)量分數(shù)的均勻性指數(shù)(Uniformity Index)。其中均勻性指數(shù)描述了指定表面上指定的物理量的變化情況，1為最大值。均勻性指數(shù)能夠采用面積或質(zhì)量進行衡量，其中Area-Weighted均勻性指數(shù)可以捕捉量的變化(如組分濃度)，指定變量的均勻性指數(shù)計算式如下：

式中：i——擁有n個網(wǎng)格面的網(wǎng)格面索引；

φi——各個網(wǎng)格面上的指定變量值；

Ai——該每個網(wǎng)格面的面積；

——所取表面的變量φa的平均值，其表達式如下所示：

各工況后處理所得數(shù)據(jù)結(jié)果繪制如圖11所示：

圖11 工況1至4各截面CH4質(zhì)量分數(shù)對比

從圖11可看出，CH4質(zhì)量分數(shù)隨著選取截面位置推后而減小。Z-830為金屬纖維覆蓋區(qū)開始截面，CH4質(zhì)量分數(shù)從該截面開始呈迅速下降趨勢，之后隨著截面位置推移，其下降趨勢逐漸變平緩，自Z-1130截面起，各工況的CH4質(zhì)量分數(shù)保持較低的穩(wěn)定值。對比各工況計算結(jié)果，無混風(fēng)部件的工況1各截面CH4質(zhì)量分數(shù)在Z-830截面之前均為最低，之后被配置混風(fēng)葉輪的工況3超越，原因在于混風(fēng)葉輪的旋風(fēng)作用使得混合氣體沿葉片旋轉(zhuǎn)流動，易從燃燒頭側(cè)面透出，隨著截面位置推移，該工況的CH4質(zhì)量分數(shù)下降較快；工況2配置了均流孔板，氣流剛性較強，各截面的CH4質(zhì)量分數(shù)均保持在最高水平，說明CH4從燃燒頭側(cè)面流出量較低；工況4綜合了孔板與葉輪的作用，集較強的氣流剛性與旋風(fēng)性于一體，CH4質(zhì)量分數(shù)位于工況1與工況2之間，呈適中狀態(tài)。

各截面CH4質(zhì)量分數(shù)均勻性指數(shù)對比見圖12。

圖12 工況1至4各截面CH4質(zhì)量分數(shù)均勻性指數(shù)對比

從圖12中可看出，工況2由于孔板原因，CH4均勻性指數(shù)表現(xiàn)較為突出，從Z-640截面起便達到較高水平。而工況3與工況4數(shù)據(jù)則較為接近，均在z-1130截面后才達到較高水平。工況1由于未配置任何加強混風(fēng)效果的組件，CH4均勻性指數(shù)上升極為緩慢，整體結(jié)果均落后于其他工況。

隨后拆除風(fēng)道中的仿錘體再進行數(shù)值模擬，圖13～14為數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

圖13 工況5至8 各截面CH4質(zhì)量分數(shù)對比

圖14 工況5至8各截面CH4質(zhì)量分數(shù)均勻性指數(shù)對比

從圖 13中可得出，對比而言，各截面工況 5整體數(shù)值最低，原因在于去除紡錘體，流場順暢，葉輪旋風(fēng)作用得到加強，CH4質(zhì)量分數(shù)下降劇烈；工況7模擬結(jié)果與工況5類似，原因在于其均為后置葉輪，葉輪的旋風(fēng)作用占據(jù)主導(dǎo)，混合氣流易從側(cè)面流出。工況6由于只配置均流孔板，整體CH4含量保持穩(wěn)定，各截面CH4質(zhì)量分數(shù)均在4%左右。工況8相對比工況7更換了組件相對位置，將葉輪移動至孔板前，葉輪的旋流作用被孔板減弱，氣流整體呈現(xiàn)剛性強于旋風(fēng)性的特點，CH4質(zhì)量分數(shù)平穩(wěn)下降。

從圖14中可得出，工況6與工況8結(jié)果曲線較為類似，工況5與工況7結(jié)果曲線較為類似，可以得出混風(fēng)組件中后置部件對于流動情況的影響較大的結(jié)論。整體而言，工況6與8結(jié)果較工況5與7優(yōu)秀，自Z-830截面后，工況6與8 CH4均勻性指數(shù)迅速攀升至較高水平，各截面CH4含量均較為均勻。

4 結(jié)語

由有仿錘體組與無仿錘體組分析對比而言，當仿錘體存在于風(fēng)道中時，其后端會出現(xiàn)較大面積的回流區(qū)，混合氣體無法被推送至燃燒器末端，導(dǎo)致燃燒頭前后端CH4濃度差異過大，燃氣均勻性程度較差，燃燒頭燃燒時可能會出現(xiàn)喘燃的情況，因而采用風(fēng)道內(nèi)置仿錘體體的方式并不能提升混合效果，反而會影響正常燃燒。

綜合工況來看，單獨選用葉輪或者孔板均無法確保燃燒頭區(qū)域的燃氣質(zhì)量分數(shù)與均勻性指數(shù)在相對高且穩(wěn)定的程度，無法保證燃氣穩(wěn)定燃燒；而選擇在混風(fēng)腔體后加裝孔板與葉輪組件是有效提高出口CH4濃度及均勻性的有力手段，能夠較好的平衡端面出口CH4濃度與側(cè)面出口CH4濃度，其中后置孔板前置葉輪的布置組合能夠最大限度得提高燃氣質(zhì)量分數(shù)與混合均勻程度，可優(yōu)先考慮用于全預(yù)混燃氣燃燒器設(shè)計。

建立燃燒器三維模型，運用 CFD軟件對燃燒器內(nèi)部的流場進行冷態(tài)混風(fēng)數(shù)值模擬，可以獲得速度分布圖，各截面CH4質(zhì)量分數(shù)值與均勻性指數(shù)，從而對于各種工況下燃燒器中CH4與空氣的混合流動特性有了全面的認識。同時對于不同結(jié)構(gòu)的結(jié)果分析與比較，可以得出相對優(yōu)化的燃燒器設(shè)計方案。這與傳統(tǒng)的實驗方法相比，不但降低了研究成本與研究時長，也為后續(xù)的設(shè)備設(shè)計提供改良依據(jù)，具有傳統(tǒng)實驗研究所不具有的優(yōu)勢。