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

1 概述

大氣式燃燒器利用燃氣引射助燃空氣，使燃燒所需的一部分空氣先在引射管內(nèi)與燃氣混合，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)和國外的燃氣灶的熱負荷大都在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《家用燃氣灶具》對熱負荷做出強制性規(guī)定：兩眼和兩眼以上的燃氣灶和氣電兩用灶應(yīng)有一個主火，其實測折算熱負荷：普通型灶≥3.5 kW；紅外線灶≥3.0 kW。目前關(guān)于大功率家用燃氣灶的研究大多集中于引射器結(jié)構(gòu)設(shè)計和熱效率提高措施上，而市場需求使得燃氣灶的引射設(shè)計不僅僅局限于傳統(tǒng)的低壓引射式，風(fēng)機鼓風(fēng)以提供一次空氣也逐漸被引進家用燃氣灶的設(shè)計，一次空氣系數(shù)的提高現(xiàn)實可行。因此探究在現(xiàn)有燃氣灶的灶頭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)實意義。

2 FLUENT數(shù)值模擬

2.1 物理模型及物性參數(shù)計算

本文根據(jù)市面上某額定功率為5 kW家用燃氣灶的實際尺寸建立模擬物理模型。模擬燃氣灶的尺寸參數(shù)見表 1。模擬天然氣采用純甲烷，模擬燃氣溫度為 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 模擬燃氣灶的尺寸參數(shù)

2.2 網(wǎng)格劃分

本文研究對象為燃氣灶火蓋外的燃燒區(qū)域，采用 icem進行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分。不同的計算域采用不同的網(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)域尺寸主要考慮燃氣灶實際的使用情況以及國家標準的規(guī)定，以燃氣灶頭為中心半徑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準k-ε計算模型，該模型適用范圍廣、經(jīng)濟，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間尺度k/e控制，只要k/e (湍流)＞0出現(xiàn)，燃燒即可進行，不需要點火源來啟動燃燒。輻射換熱模型選擇DO模型，其精度高，考慮因素多，在所有場合均可運用。壓力和速度耦合采用SIMPLE算法，它的優(yōu)點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)計算確定，采用速度入口，空燃混合物溫度設(shè)為實測溫度298 K；燃氣灶火蓋溫度設(shè)為定壁溫443 K；模擬區(qū)域底部視為燃氣灶臺面，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。

本文分別模擬燃氣灶功率 4.5 kW、5 kW、5.5 kW、6 kW在一次空氣系數(shù)為0.6時的燃燒狀況，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行燃燒。根據(jù)實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行分析。本文所有曲線每5個點僅顯示1個點。

(1)燃氣灶功率4.5 kW、5 kW、5.5 kW、6 kW在一次空氣系數(shù)為0.6時，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。隨著燃氣灶功率的提高，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)。燃氣灶灶頭半徑為0.057 mm。在徑向距離x＞0.15 m時，氣體仍存在流速，這是因為燃燒區(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，表明在燃氣灶使用的過程中，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，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氣灶進行了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)下的燃氣灶燃燒狀況，可以得出以下結(jié)論：

(1)相同一次空氣系數(shù)時，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，就可以采用更大的鍋來提高熱效率。相應(yīng)解釋了在進行燃燒器熱效率測試的國家標準中，需要測試的燃氣灶功率增大時，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，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。