毛 婭，張 迪，陳 響，歐冶金

(1.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.湖北東升天龍節(jié)能環(huán)?？萍加邢薰?，湖北 武漢 430205)

天然氣作為氣體燃料具有燃燒效率高，燃燒污染小，安全性高，同時(shí)輸送和存儲(chǔ)方便等優(yōu)點(diǎn)。隨著天然氣燃燒應(yīng)用理論、技術(shù)、工藝和設(shè)備的不斷研發(fā)，天然氣燃燒應(yīng)用技術(shù)日益多樣化[1]。大氣式燃燒器在燃燒氣體燃料方面具有優(yōu)異的性能，是應(yīng)用最廣泛的燃?xì)馊紵鱗2]。

目前，應(yīng)用CFD(computational fluid dynamics)技術(shù)進(jìn)行引射器特性的設(shè)計(jì)主要有以下研究工作：余康[3]對(duì)一種引射管采用文丘里管延伸結(jié)構(gòu)的燃燒器進(jìn)行研究，將傳統(tǒng)引射器的擴(kuò)壓段和混合段進(jìn)行調(diào)整，利用文丘里管原理調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)尺寸，使得負(fù)壓中置，以達(dá)到提高一次空氣系數(shù)引射能力的效果，一次空氣系數(shù)由0.48上升至0.63。郭憲民等[4]對(duì)雙節(jié)流引射制冷系統(tǒng)的變工況性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，比較了影響引射器性能和系統(tǒng)COP(coefficient of performance)的因素，工作流體、引射流體質(zhì)量流量及引射比均隨著氣冷器出口壓力的增大而出現(xiàn)不同程度的增加。閆晨強(qiáng)等[5]對(duì)兩級(jí)航空燃油引射器流場特性進(jìn)行分析，模擬了不同出口總壓對(duì)各級(jí)引射系數(shù)的影響，結(jié)果表明，出口總壓增加時(shí)，兩級(jí)引射器的引射系數(shù)都會(huì)下降，但下降的幅度差別較大。Yadav等[6]利用CFD研究了吸收室的幾何形狀等對(duì)引射器性能的影響，研究結(jié)果表明：噴嘴與喉部之間的距離與喉部直徑的比值越低，引射系數(shù)越低，并且隨著比值的增大引射系數(shù)也增大，但當(dāng)超出一定值時(shí)則不再增大；吸收室直徑在一個(gè)范圍波動(dòng)時(shí)，引射系數(shù)有一個(gè)最佳的值。Guillaume等[7]提出了使用橢圓形的噴嘴來提高噴射泵效率的方法。在這項(xiàng)研究中，噴射泵使用圓形橫截面和橢圓形橫截面并且它們的寬高比為3∶1，結(jié)果表明：在高流率下，采用橢圓形噴嘴的噴射泵是采用圓形噴嘴的噴射泵效率的6倍。

本研究的內(nèi)容從兩級(jí)引射器幾何參數(shù)優(yōu)化入手，旨在提高引射器的引射能力。借助CFD技術(shù)對(duì)引射器流場進(jìn)行數(shù)值模擬，分析引射器的速度場和組分場，達(dá)到以下目標(biāo)：①引射系數(shù)滿足一次空氣過量系數(shù)要求，實(shí)現(xiàn)完全預(yù)混；②整個(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)使出口速度達(dá)到燃?xì)恻c(diǎn)燃和燃燒的要求。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

引射式燃燒器的結(jié)構(gòu)主要分為兩個(gè)部分，引射器和燃燒器，其中最關(guān)鍵的部件為引射器，它影響燃?xì)馀c空氣的預(yù)混效果，燃?xì)馀c空氣混合物射出速度等。筆者采用兩級(jí)引射器作為引射式燃燒器的引射結(jié)構(gòu)，其三維模型如圖1所示。在實(shí)際的數(shù)值模擬過程中，需要對(duì)模型進(jìn)行簡化處理，引射器本身結(jié)構(gòu)相對(duì)規(guī)則，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分技術(shù)劃分網(wǎng)格，如圖2所示，網(wǎng)格數(shù)量為45萬個(gè)。

圖1 兩級(jí)引射器結(jié)構(gòu)圖

圖2 兩級(jí)引射器結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是目前應(yīng)用最廣泛的湍流模型，且由于引射器的作用，燃燒器內(nèi)的紊流效果不劇烈，而雷諾應(yīng)力模型耗費(fèi)大量的計(jì)算資源并且收斂困難。因此，筆者選用湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是在湍動(dòng)能k方程的基礎(chǔ)上引入湍動(dòng)耗散率ε方程。

湍流動(dòng)能方程k為：

(1)

湍流耗散率ε方程為：

(2)

式中：ρ為密度；μ為渦粘系數(shù)；ui為時(shí)均速度；μt為湍流粘度；C1ε，C2ε，C3ε，Cμ為系數(shù)項(xiàng)；Gk為由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為由于浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；YM為可壓湍流脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；σk、σε為與湍動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)；Sk、Sε為用戶定義源項(xiàng)。

湍流粘度μt為：

(3)

對(duì)不可壓流體，不考慮用戶定義源項(xiàng)，Gb=0，YM=0，Sk=0,Sε=0時(shí),模型參數(shù)取值如表1所示[8]，其它未涉及的常數(shù)取值在標(biāo)準(zhǔn)模型下為0。

表1 湍流方程常數(shù)取值

1.3 邊界條件

數(shù)值模擬主要針對(duì)引射器引射過程，研究引射器本身入口結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)于引射性能的影響，其邊界條件如表2所示。燃?xì)馊肟凇⒁患?jí)以及二級(jí)空氣入口均采用壓力入口，二級(jí)擴(kuò)壓段出口采用壓力出口，其中燃?xì)馊肟谟扇細(xì)鈮毫Υ_定，兩級(jí)的空氣入口均為大氣壓力，即相對(duì)壓力為0 Pa，出口正壓為500 Pa。燃?xì)鉁囟葹?23 K，空氣溫度為293 K，空氣組分定義為0.21的O2，0.79的N2。

表2 引射器數(shù)值模擬邊界條件

1.4 引射系數(shù)計(jì)算公式

引射系數(shù)是指被引射流體的質(zhì)量流量與引射流體的質(zhì)量流量之比，是衡量引射式燃燒器工作性能的重要指標(biāo)。其公式定義為：

(4)

式中：u為質(zhì)量流量引射系數(shù)；qa為引射式燃燒器被引射流體流量；qg為引射式燃燒器引射流體流量。

文中所研究的引射器為兩級(jí)結(jié)構(gòu)，因而引射系數(shù)分為一級(jí)引射系數(shù)和二級(jí)引射系數(shù)，二者合并為總的引射系數(shù)。

2 幾何參數(shù)對(duì)引射性能的影響

2.1 噴嘴直徑對(duì)引射性能的影響

作為引射器的動(dòng)力來源，引射流體的噴嘴結(jié)構(gòu)決定著整個(gè)引射器的初動(dòng)力，噴嘴不合適，初動(dòng)力過低，引射能力將大大下降，初動(dòng)力過高，引射流體流速過快，需要加長混合管和擴(kuò)壓管的長度，導(dǎo)致引射器長度過大，不宜制造安裝。噴嘴的截面積將影響到引射流體的質(zhì)量流量，因而噴嘴直徑就成為首要探究的入口結(jié)構(gòu)參數(shù)。

兩級(jí)引射器采用圓形噴嘴，保持燃?xì)鈮毫?.4 MPa不變，分別對(duì)直徑4 mm、5 mm、6 mm、7 mm、8 mm、9 mm、10 mm這6個(gè)噴嘴直徑進(jìn)行數(shù)值模擬分析。噴嘴直徑與引射系數(shù)的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 噴嘴直徑與引射系數(shù)的關(guān)系曲線

從圖3可知，隨著噴嘴直徑的不斷擴(kuò)大，一級(jí)、二級(jí)和總引射系數(shù)不斷減小，減小的幅度隨直徑擴(kuò)大而不斷減緩。這說明，在天然氣供氣壓力及其余引射器結(jié)構(gòu)不變的前提下，隨著噴嘴直徑的不斷增大引射系數(shù)在不斷減小，導(dǎo)致空氣過量系數(shù)也在不斷下降[9]。

引射器的出口速度是另一項(xiàng)重要的判定依據(jù)。引射器出口的速度不宜過快，但為了保證燃燒沖量，使得進(jìn)入燃燒器頭部及火道內(nèi)的混合氣體能夠點(diǎn)燃并穩(wěn)定的燃燒，必須具有一定的混合速度[10]。噴嘴直徑與引射器出口平均速度關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 噴嘴直徑與引射器出口平均速度關(guān)系曲線

從圖4可知，隨著噴嘴直徑不斷擴(kuò)大，引射器出口的混合氣體平均速度不斷上升，在4～7 mm的擴(kuò)大過程中，出口平均速度幾乎呈線性增長，在7～8 mm，增幅明顯下降，8～10 mm繼續(xù)增長且幅度進(jìn)一步加強(qiáng)，同時(shí)速度突破20 m/s。出口速度過快，則會(huì)影響到后續(xù)的燃燒過程，因此控制出口速度在20 m/s左右，不超過25 m/s。

綜合分析特性曲線，最終可以確定最優(yōu)噴嘴直徑為8 mm時(shí)，總引射系數(shù)達(dá)到10.5左右，出口平均速度在21 m/s左右。

2.2 二級(jí)入射口直徑對(duì)引射性能的影響

二級(jí)入射口流出的是來自一級(jí)引射區(qū)的天然氣-空氣混合氣體，是二級(jí)引射區(qū)內(nèi)的初動(dòng)力來源，它決定著二級(jí)引射區(qū)的引射能力。由于初動(dòng)能的變化，帶來二級(jí)引射能力變化，進(jìn)而對(duì)兩級(jí)引射器的引射性能有著重要影響。因此必須對(duì)二級(jí)入射口的最佳參數(shù)進(jìn)行探究。

保持其余結(jié)構(gòu)參數(shù)和各入口的壓力條件不變，選取二級(jí)入射口直徑為16 mm、20 mm、24 mm、28 mm、32 mm、36 mm、40 mm、44 mm、48 mm、52 mm、56 mm、60 mm進(jìn)行研究，得到二級(jí)入射口直徑與引射系數(shù)關(guān)系特性曲線，如圖5所示。

圖5 二級(jí)入射口直徑與引射系數(shù)關(guān)系特性曲線

從圖5可知，一級(jí)引射系數(shù)隨著二級(jí)入射口直徑的不斷增大而增大，其增長趨勢先快后慢，在直徑48 mm之后增長速度明顯減緩；同時(shí)，二級(jí)引射系數(shù)隨著二級(jí)入射口直徑的不斷增大呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，總引射系數(shù)隨著二級(jí)入射口直徑的不斷增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

綜上所述，二級(jí)入射口直徑變化對(duì)引射系數(shù)影響明顯，在直徑40 mm處為趨勢變化點(diǎn)，主要原因在于一級(jí)喉口直徑為40 mm，一級(jí)引射區(qū)內(nèi)的混合管直徑和二級(jí)入射口直徑一致，隨著二級(jí)入射口直徑的繼續(xù)擴(kuò)大，二級(jí)入射口直徑將超過一級(jí)混合管的直徑，從而帶來一定的擴(kuò)壓效果，降低二級(jí)引射能力。但從總引射系數(shù)曲線來看，直徑40 mm之后的引射性能受到了限制，由于二級(jí)入射口在一定程度上決定了二級(jí)引射區(qū)的初動(dòng)能，因而二級(jí)入射口直徑與引射器出口平均速度存在很大關(guān)系，二級(jí)入射口直徑與引射器出口平均速度關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 二級(jí)入射口直徑與引射器出口平均速度關(guān)系曲線

從圖6可知，隨著二級(jí)入射口直徑的不斷增大，引射器出口的平均速度呈現(xiàn)先快速增大再緩慢減小的趨勢。根據(jù)出口平均速度以及天然氣點(diǎn)火和燃燒需要，速度控制在25 m/s以下，因而20 mm或者24 mm的二級(jí)入射口直徑在速度方面相對(duì)合理。

綜合分析特性曲線得到空氣過量系數(shù)和出口速度的限制，最終選定24 mm的二級(jí)入射口直徑作為最優(yōu)參數(shù)，引射系數(shù)為10.3左右，出口平均速度在24 m/s左右。

2.3 二級(jí)空氣入口直徑對(duì)引射性能的影響

兩級(jí)引射器有兩級(jí)空氣入口，一級(jí)空氣入口所引射的空氣量受到二級(jí)入射口的限制，因而一級(jí)引射系數(shù)相對(duì)較小，主要的引射空氣來源于二級(jí)空氣入口。二級(jí)空氣入口所引射的空氣量主要有兩個(gè)作用：①引射足夠量的空氣與一級(jí)混合氣體進(jìn)行混合，滿足燃燒所需的空燃比同時(shí)保證一定的空氣過量系數(shù)；②一級(jí)引射區(qū)出來的天然氣-空氣混合氣體速度快，由于引射器本身尺寸不宜過長，必須在有限的距離內(nèi)將速度快速降下來，因此需要進(jìn)入一定量的空氣，降低出口速度，穩(wěn)定出射。

保持其余結(jié)構(gòu)參數(shù)和各入口的壓力條件不變，選取二級(jí)空氣入口直徑為88 mm、96 mm、104 mm、112 mm、120 mm、128 mm、136 mm、144 mm、152 mm、160 mm進(jìn)行研究分析，得到二級(jí)空氣入口直徑與引射系數(shù)關(guān)系曲線，如圖7所示。

圖7 二級(jí)空氣入口直徑與引射系數(shù)關(guān)系曲線

從圖7可知，隨著二級(jí)空氣入口直徑的不斷增大，一級(jí)引射系數(shù)維持在1.8左右，并未發(fā)生明顯的變化，這說明二級(jí)空氣入口的尺寸對(duì)于一級(jí)空氣入口的引射量幾乎無影響。同時(shí)，隨著二級(jí)空氣入口直徑的不斷增大，二級(jí)引射系數(shù)反而逐漸下降，這說明并非開口越大越好，且整個(gè)下降趨勢一致，近乎于線性關(guān)系，使得總引射系數(shù)呈現(xiàn)同樣變化趨勢。在直徑144 mm處基本滿足所需的總引射系數(shù)。在研究的這組數(shù)據(jù)中，兩端尺寸擴(kuò)大了將近一倍，但總引射系數(shù)的變化量不足1。這說明，二級(jí)空氣入口直徑變化對(duì)于引射系數(shù)的影響較小。二級(jí)空氣入口直徑與出口平均速度的關(guān)系特性曲線如圖8所示。

圖8 二級(jí)空氣入口直徑與出口平均速度的關(guān)系特性曲線

從圖8可知，隨著二級(jí)空氣入口直徑不斷擴(kuò)大，引射器出口平均速度逐漸下降，二級(jí)空氣入口直徑自88 mm擴(kuò)大至160 mm時(shí)，出口平均速度從26.6 m/s降至24 m/s，下降幅度較小，這說明二級(jí)空氣入口直徑對(duì)于出口平均速度的影響較小。

綜合分析特性曲線，最終確定最優(yōu)二級(jí)空氣入口直徑為144 mm時(shí)，總引射系數(shù)達(dá)到10.5左右，出口平均速度在24.3 m/s左右。

3 結(jié)論

借助CFD技術(shù)對(duì)大氣燃燒器兩級(jí)引射器各個(gè)入口結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)進(jìn)行分析研究，得出以下3個(gè)結(jié)論：①隨著噴嘴直徑不斷增大，總引射系數(shù)不斷下降，出口平均速度不斷增大，直徑8 mm為最佳參數(shù)；②隨著二級(jí)入射口不斷增大，總引射系數(shù)和出口平均速度均呈現(xiàn)先上升后不變的趨勢，直徑24 mm為最佳參數(shù)；③隨著二級(jí)空氣入口不斷增大，總引射系數(shù)呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢，引射器出口平均速度呈小幅度下降的變化趨勢，直徑144 mm為最佳參數(shù)。