林 剛

（廣東萬和電氣有限公司 佛山 528500）

前言

國內(nèi)燃氣灶的研發(fā)主要依靠經(jīng)驗及實驗方法進行摸索，存在研發(fā)時間長，成本高等問題，隨著計算機技術的發(fā)展，越來越多智能輔助開發(fā)軟件的誕生，我們的研發(fā)方式也在逐漸進步，近年來也越來越多研究者嘗試使用計算機仿真輔助開發(fā)設計燃氣灶，郭甲生等（2008）利用CFD軟件對上進風燃氣灶的引射性能進行數(shù)值模擬，將數(shù)值模擬結果與利用氣相色譜儀所測量的數(shù)據(jù)進行對比，驗證了運用數(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）對家用燃氣灶燃燒性能的影響，得到最優(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） 運用CFD軟件研究了不同鍋支架高度對家用燃氣灶熱效率的影響，并通過實驗驗證其正確性，研究表明：隨著鍋支架高度的增加，燃氣灶的熱效率呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢[3]。而對于分體式的鋁座結構卻少有研究，而本文研究的是一種分體式多點直噴的燃燒器，研究其分氣盤鋁座的結構對整個燃燒器性能的影響。

1 燃燒器模型的建立

本論文研究的是家用燃氣灶的燃燒器，其使用的的燃氣為天然氣，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。對大氣式燃氣灶燃燒過程進行三維數(shù)值模擬，該過程包括燃氣灶三維物理模型的建立、網(wǎng)格的劃分、計算模型的選擇、邊界條件的設置以及數(shù)值模擬計算結果的分析等。

本研究使用workbench對燃燒器進行模擬仿真。運用spaceclaim對燃燒器物理模型進行優(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，對進出口邊界面重新命名，對于結構尺寸比較小的噴嘴和火孔，進行局部2階加密，最后采取整體自動化網(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，時間屬性選擇穩(wěn)態(tài)即穩(wěn)態(tài)運算。

燃燒器數(shù)學模型選著湍流Realizable k-e模型，打開能量守恒方程，其中涉及個組分的混合，所以須打開打開組分運輸模型，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)熱負荷計算出為7.2e-5 kg/s。一次與二次空氣入口都采用壓力入口(pressure-inlet)，靜壓設置為0 pa。出口邊界均采用壓力出口(pressure-outlet)，靜壓設置為0 pa。

通過對燃燒器內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，設計分析了四種不同類型的分氣通道對燃燒器性能的影響，為了確保結果可比性，四種結構的二次空氣通道面積需設計成一致。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?shù)倪x取結果展示區(qū)間，本文根據(jù)仿真結果選擇結果展示區(qū)間為摩爾濃度比在0.01～0.2之間。

2 燃燒器結構性能分析

2.1 燃燒器分氣盤結構對燃燒的影響

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)的分體式多點雙直噴燃燒器，燃氣在2 000 pa的壓力下經(jīng)過氣管閥體，以一定的流速從噴嘴射出，進入引射器的同時，由于高速形成低壓吸入一次空氣，燃氣與一次空氣在引射器內(nèi)混合，然后由分氣盤分配給各個通道，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到最大值為1，但是根據(jù)實際燃燒工況我們可以計算出在火蓋處甲烷濃度比不會超過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)域風門板一次空氣進氣口附近。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，這勢必會給燃燒帶來不利的影響，可能會出現(xiàn)局部離焰的現(xiàn)象，而其他三種結構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構出現(xiàn)離焰的概率要小得多。在結構上明顯優(yōu)于扇形分氣通道。從我們現(xiàn)實結構上我們也可以很清晰的看出在保證二次進風面積一樣的情況下，扇形通道內(nèi)徑小，外徑大的結構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。而其他三種結構內(nèi)外徑基本變化不大。這種更有利于混合氣體的流動。當然從圖中我們發(fā)現(xiàn)第二個現(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構的右斜面與混合燃料的流動方向背道了，阻礙了混合燃料向左的流動，左右的流動差異造成了富燃料區(qū)。體現(xiàn)在實際燃燒工況下則會出現(xiàn)火力不均勻的現(xiàn)象。而圖5、圖8結構均是豎直向上的流動方式，可以很輕松的向左向右流動。

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 不同分氣結構下燃燒器一次空氣的引射量

以上我們分析了四種結構內(nèi)部流場濃度矢量圖，從圖中我們也可以發(fā)現(xiàn)四個圖的顏色也有差別，這主要是一次空氣的引射量不同導致的，通過計算機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構是最適合作為四通道分氣結構的，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)上面的研究結果，我們選取偏心矩形分氣結構來分析鋁座的深度對燃燒器性能的影響，為此我們分別設計了4（6 mm、11 mm、16 mm、21 mm）個不同深度的鋁座對其進行模擬仿真，其結果如圖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，反饋到實際燃燒中具有較大概率出現(xiàn)離焰的想象，而其他三個深度則較為平均。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，導致氣流速度較急。而圖11、圖12、圖13三個圖火孔處的高度比較一致，則說在鋁座深度為11 mm的時，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最大值，過了這個最大值再增加深度對其火焰均勻性將沒有意義。

圖9 不同分氣結構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，通過計算機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阻力，這樣更加有利于混合氣體的流動，從四個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

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構的優(yōu)劣性能。在二次空氣補充面積相同的情況下下，得出偏心矩形是最適合的分氣結構，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構中驗證了鋁座深度會影響燃燒器的燃燒性能，并得到當鋁座的最佳深度在11 mm時為最佳。