牟少敏,馬家樂(lè),王宗明,謝保江

(1.長(zhǎng)城鉆探工程有限公司,北京 100000;2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 新能源學(xué)院,山東 青島 266580;3.江蘇核電有限公司,江蘇 連云港 222000)

燃?xì)鉄崴鹘Y(jié)構(gòu)緊湊、使用方便并可連續(xù)供水等優(yōu)點(diǎn),得到了廣泛應(yīng)用[1]。隨著人們生活條件的不斷改善,對(duì)燃?xì)鉄崴餍阅芴岢隽烁叩囊?比如開(kāi)機(jī)恒溫時(shí)間短、熱效率高等。目前業(yè)內(nèi)先進(jìn)的燃?xì)鉄崴鳛楸ＷC在寬域功率輸出時(shí)燃燒效率仍能達(dá)到較高水平,通常會(huì)采用分段燃燒技術(shù),將火排燃燒器設(shè)計(jì)為幾段式,根據(jù)不同工況來(lái)控制火排片的點(diǎn)燃數(shù)量,從而精準(zhǔn)控制火力和水溫[2]。但是由于火排燃燒器不能在任意負(fù)荷下點(diǎn)火,需要在特定負(fù)荷下點(diǎn)燃,然后逐漸過(guò)渡到額定負(fù)荷運(yùn)行,燃?xì)鉄崴鞑荒茉诙虝r(shí)間內(nèi)達(dá)到預(yù)設(shè)恒溫,給用戶(hù)帶來(lái)不佳的使用體驗(yàn)。

火排燃燒器作為燃?xì)鉄崴鞯暮诵牟考?其結(jié)構(gòu)直接影響燃?xì)鉄崴鞯狞c(diǎn)火與傳火性能。多年來(lái)許多學(xué)者做了大量關(guān)于燃?xì)鉄崴魅紵鞯难芯抗ぷ?。易洪斌等[3]利用數(shù)值模擬方法研究了燃?xì)鉄崴魅紵鲀?nèi)部的流動(dòng)特性,并對(duì)燃燒器進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,使燃?xì)鉄崴鞯膫鳠嵝侍岣吡?.06%;姜楠等[4]利用數(shù)值模擬方法得出分配腔弧度、引射器喉部寬度是影響燃燒器引射性能的主要參數(shù),并得到了這些結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)引射性能的影響規(guī)律;劉鳳國(guó)等[5]建立了燃?xì)鉄崴黝A(yù)混系統(tǒng)的三維實(shí)體模型,利用數(shù)值模擬得到了噴嘴直徑和位置對(duì)燃燒器內(nèi)部流動(dòng)特性的影響;Sedeh等[6]采用數(shù)值模擬的方法,建立了熱水器分段的三維模型,并提出了兩種擋板的設(shè)計(jì)方案,使得熱水器的熱效率分別提高了1.25%和6.4%。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)火排燃燒器的研究取得了較大進(jìn)展,但對(duì)火排燃燒器的點(diǎn)火與傳火特性研究較少,多年來(lái)燃?xì)鉄崴饕恢毖赜脗鹘y(tǒng)的點(diǎn)火模式。

本文試圖應(yīng)用數(shù)值模擬方法,研究燃?xì)鉄崴骰鹋湃紵狞c(diǎn)火與傳火特性,強(qiáng)化火焰穩(wěn)定,探索提高點(diǎn)火可靠性的措施,為優(yōu)化火排燃燒器結(jié)構(gòu)、縮短燃?xì)鉄崴鏖_(kāi)機(jī)恒溫時(shí)間提供參考。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 幾何模型和網(wǎng)格劃分

1)火排流動(dòng)模型

燃?xì)鉄崴魅紵饔啥鄠€(gè)獨(dú)立的火排片組合而成,火排片分段布置,控制不同段的燃燒。為減少計(jì)算工作量,對(duì)單個(gè)火排片進(jìn)行建模,其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1(a)。

圖1 火排流動(dòng)計(jì)算模型

主火孔長(zhǎng)度為4.8 mm,寬度為0.8 mm,相鄰火孔之間的距離為1.2 mm,在火排片兩側(cè)還各有7個(gè)保焰火孔,尺寸為4.8 mm×1 mm,間距為5 mm。利用ICEM CFD對(duì)燃燒器計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,由于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,整體采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,并在火孔、燃?xì)馊肟诘人俣茸兓^劇烈的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理,網(wǎng)格如圖1(b)所示。利用該模型可以計(jì)算燃?xì)鈬娍滓淞鲃?dòng)特性,得到主火孔和保焰板火孔的氣體流速和組成。

2)燃燒室模型

建立三火排燃燒室模型,以計(jì)算火排片間的點(diǎn)火與傳火特性,如圖2(a)所示,其尺寸大小為95 mm×42 mm×140 mm。燃燒室底部的火孔分布與火排燃燒器的火孔分布完全一致,相鄰火排片的間距為7 mm,底部進(jìn)口分布如圖2(b)所示。燃燒室模型的結(jié)構(gòu)規(guī)整,整體采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,對(duì)主火孔和保焰板火孔進(jìn)行加密處理,如圖2(c)所示。

圖2 燃燒室模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

天然氣與空氣在火排片內(nèi)經(jīng)過(guò)初步預(yù)混后經(jīng)火孔噴入燃燒室內(nèi)進(jìn)行燃燒,在燃燒室內(nèi)進(jìn)行著復(fù)雜的流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)[7-11],除湍流均流控制方程外[12],需要用到湍流模型、點(diǎn)火模型、燃燒模型、輻射模型等物理模型[13]。

湍流模型采用Realizablek-ε模型對(duì)燃?xì)鉄崴鲀?nèi)的流動(dòng)和燃燒過(guò)程進(jìn)行模擬。該湍流模型輸運(yùn)方程如下:

(1)

(2)

式中:k為湍流動(dòng)能,m2/s2;μ為動(dòng)力黏度,mPa·s;μt為湍動(dòng)黏度系數(shù);ε為湍流動(dòng)能耗散率,m2/s3;c1和c2為湍流經(jīng)驗(yàn)系數(shù); 為平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能,m2/s2; 為浮力影響產(chǎn)生的湍流動(dòng)能,m2/s2; 為可壓縮湍流中脈動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的貢獻(xiàn);σk和σε為湍動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)。

燃燒模型采用渦耗散概念模型,該模型考慮了詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理,假定化學(xué)反應(yīng)都發(fā)生在小渦當(dāng)中,反應(yīng)時(shí)間由小渦的生存時(shí)間和化學(xué)反應(yīng)所需要的時(shí)間來(lái)共同控制。

小渦的尺度由下式計(jì)算:

(3)

化學(xué)反應(yīng)發(fā)生所需時(shí)間τ*為

(4)

式中:Cξ為容積比率常數(shù);Cτ為時(shí)間尺度常數(shù);ν為運(yùn)動(dòng)黏度,m2/s。

火排燃燒器燃燒有局部高溫區(qū)域的產(chǎn)生,為了確保輻射換熱的精確計(jì)算,本文選擇使用能夠滿(mǎn)足所有輻射情況的DO輻射模型。

點(diǎn)火模型選擇電火花點(diǎn)火模型(spark ignition model),在點(diǎn)火時(shí)間內(nèi),火花演化半徑隨時(shí)間變化關(guān)系如下式:

(5)

式中:ρu為火焰前緣未燃流體的密度,kg/m3;ρb為火焰后方已燃流體的密度kg/m3;St為湍流火焰速度,m/s。

1.3 邊界條件確定

利用Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,火排燃燒器計(jì)算模型的邊界條件設(shè)置如表1所示。對(duì)于燃?xì)鉄崴魅紵矣?jì)算模型,主火孔、二次空氣進(jìn)口和保焰板火孔均為速度進(jìn)口邊界條件,相應(yīng)火孔的氣體流速和組分以及二次空氣進(jìn)口速度均依據(jù)火排燃燒器模型計(jì)算結(jié)果,加權(quán)平均得到相應(yīng)值。按照點(diǎn)火針的實(shí)際運(yùn)行參數(shù),設(shè)置點(diǎn)火位置坐標(biāo)(0,30,99.6),點(diǎn)火半徑2 mm,持續(xù)時(shí)間1 ms,點(diǎn)火能量0.5 J。

表1 燃燒器邊界條件的設(shè)定

1.4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

對(duì)于燃燒器計(jì)算模型,計(jì)算得到火排片主火孔速度與網(wǎng)格數(shù)量變化的關(guān)系,結(jié)果如圖3所示。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量超過(guò)86萬(wàn)時(shí),火孔速度隨著網(wǎng)格數(shù)量變化較小,因此可以認(rèn)為網(wǎng)格數(shù)量為86萬(wàn)可以滿(mǎn)足計(jì)算需求。對(duì)于燃燒室計(jì)算模型,以火焰高度表征網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,從圖3可知,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量高于75萬(wàn)時(shí),火焰高度基本已經(jīng)趨于穩(wěn)定,維持在55 mm附近。因此,燃燒室計(jì)算模型網(wǎng)格數(shù)量采用75萬(wàn)左右。

圖3 網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算物理量的影響

1.5 結(jié)果正確性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模擬方法的可靠性,采用本文所選的物理模型及計(jì)算方法,在密閉燃燒管(長(zhǎng)500 mm,寬80 mm,高80 mm)中對(duì)甲烷含量為10%時(shí)的甲烷/空氣預(yù)混氣體火焰的傳播過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬,與陳東梁[13]等人實(shí)驗(yàn)中實(shí)際拍攝的火焰陣面的形式進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同時(shí)刻的火焰陣面對(duì)比

從圖4可知,利用所選物理模型得到的火焰陣面變化過(guò)程與實(shí)際實(shí)驗(yàn)中拍攝到的火焰陣面變化過(guò)程基本符合。表明該數(shù)值模擬方法計(jì)算結(jié)果可靠,可以用來(lái)描述火焰的形成及發(fā)展過(guò)程。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 基本模型計(jì)算結(jié)果分析

圖5給出了火排中截面上的云圖分布,圖5(a)為速度分布,圖5(b)為甲烷分布。從圖5中可以看出燃?xì)庠谶M(jìn)入火排片時(shí),其內(nèi)部由于預(yù)混氣體過(guò)流通道突然增大,存在明顯的回流區(qū),使天然氣和空氣的預(yù)混更加均勻,對(duì)燃燒過(guò)程起到很好的穩(wěn)定作用。對(duì)火排燃燒器出口參數(shù)做面積加權(quán)平均,得到主火孔內(nèi)預(yù)混燃?xì)獾牧魉贋?.7 m/s,保焰板出口預(yù)混燃?xì)獾牧魉贋?.2 m/s,甲烷摩爾濃度分?jǐn)?shù)為13.7%;二次空氣的流速為0.95 m/s。

圖5 火排片中截面云圖分布

將火排計(jì)算模型的出口參數(shù)作為邊界條件帶入燃燒室模型進(jìn)行計(jì)算,模型中部橫斷面上的溫度場(chǎng)變化見(jiàn)圖6。由圖6可知,點(diǎn)火過(guò)程中,火排間存在明顯的低溫區(qū),火焰上升到一定高度才能向鄰近火排片傳播,不利于火排片之間的快速傳火,火焰?zhèn)鞑ニ俣认鄬?duì)較慢,則容易受到外界干擾,影響點(diǎn)火成功率;穩(wěn)定燃燒后,各火排片火焰高度差異較大。

圖6 基本型結(jié)構(gòu)不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化模擬研究

2.2.1 點(diǎn)火模式對(duì)燃燒特性的影響

在燃燒室兩側(cè)均布置點(diǎn)火針,點(diǎn)火參數(shù)設(shè)置同前,并進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。燃燒室中部橫斷面上不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)見(jiàn)圖7,中軸線(xiàn)上平均溫度隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖8。由圖7可見(jiàn),兩側(cè)同時(shí)點(diǎn)火時(shí),一開(kāi)始燃燒室兩側(cè)各形成一個(gè)火焰核,兩個(gè)火焰核各自獨(dú)立快速發(fā)展,點(diǎn)火處形成較強(qiáng)的渦流,燃燒更加充分,火焰?zhèn)鞑ヒ草^快。由圖8可知,火焰穩(wěn)定時(shí)間縮短了32%,減少了外部干擾,有利于增加點(diǎn)火成功率。

圖7 兩側(cè)點(diǎn)火時(shí)不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)

圖8 不同點(diǎn)火模式下的溫度變化曲線(xiàn)

圖9和圖10分別給出了不同點(diǎn)火模式下燃燒室中心軸線(xiàn)上CH4濃度和CO濃度變化曲線(xiàn)。

圖9 不同點(diǎn)火模式下CH4濃度變化曲線(xiàn)

圖10 不同點(diǎn)火模式下CO濃度變化曲線(xiàn)

從圖9可知,在兩側(cè)同時(shí)點(diǎn)火時(shí),CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)穩(wěn)定時(shí)間降低了15 ms,這說(shuō)明兩側(cè)同時(shí)點(diǎn)火時(shí)燃燒室內(nèi)的燃燒化學(xué)反應(yīng)發(fā)生得更快。從圖10可知,單側(cè)點(diǎn)火模式下比兩側(cè)同時(shí)點(diǎn)火模式下CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值高出43.75%,這說(shuō)明兩側(cè)同時(shí)點(diǎn)火能使燃料的燃燒更加充分。另外兩側(cè)同時(shí)點(diǎn)火模式下燃燒室內(nèi)CH4及CO的濃度變化趨勢(shì)均比較平緩,說(shuō)明兩側(cè)同時(shí)點(diǎn)火時(shí)燃燒室內(nèi)的火焰燃燒狀態(tài)更加穩(wěn)定。

2.2.2 鈍體對(duì)燃燒特性的影響

燃?xì)鉄崴鹘Y(jié)構(gòu)緊湊、集成化程度高,未見(jiàn)有學(xué)者將鈍體應(yīng)用到熱水器燃燒器設(shè)計(jì)。在火排片上方2 mm處設(shè)置寬度7.2 mm,高度8 mm的開(kāi)縫鈍體,燃燒室內(nèi)流場(chǎng)分布見(jiàn)圖11。由圖11可見(jiàn),在無(wú)鈍體時(shí)燃燒室主流為平行流動(dòng),燃?xì)馀c空氣混合不夠充分迅速;加裝鈍體后,在其后方形成回流區(qū),燃?xì)夂涂諝饣旌霞觿?有利于強(qiáng)化燃燒。

圖11 燃燒室底部的速度矢量圖

加裝鈍體后燃燒室中部橫斷面上不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)和中心軸上平均溫度隨時(shí)間的變化如圖12、圖13所示。由圖12可以看出,火焰根部變短變粗,在火焰根部出現(xiàn)高溫區(qū)域,為預(yù)混燃料的著火及火焰?zhèn)鞑ヌ峁┯欣麠l件,強(qiáng)化了火焰燃燒。并且三個(gè)火排片上方的火焰高度一致性明顯變好。由圖13可知,加裝鈍體后,燃燒穩(wěn)定時(shí)間縮短了16%,燃燒室內(nèi)平均溫度增大且溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)刻提前,這主要是因?yàn)橛捎阝g體的布置,在回流區(qū)內(nèi)預(yù)混氣體會(huì)發(fā)生反向逆流,可以增強(qiáng)燃料與空氣的預(yù)混效果,加快燃料的燃燒。

圖12 加裝鈍體時(shí)不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)

圖13 燃燒室內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)

圖14和圖15給出了燃燒室內(nèi)中心軸上CH4及CO濃度隨時(shí)間的變化關(guān)系,由圖14可知,布置開(kāi)縫鈍體時(shí)燃燒室內(nèi)的CH4消耗得較快,說(shuō)明此時(shí)甲烷燃燒反應(yīng)速度較快。由圖15可知,布置鈍體后CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)峰值較低且提前出現(xiàn),這說(shuō)明鈍體的布置使燃?xì)夂涂諝獾幕旌细泳鶆?燃燒反應(yīng)速率更快且更加充分。

圖14 燃燒室內(nèi)CH4濃度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)

圖15 燃燒室內(nèi)CO濃度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)

2.2.3 加裝側(cè)擋板對(duì)燃燒特性的影響

在火排片上部穩(wěn)焰板兩側(cè)各安裝5個(gè)擋板,其尺寸為4 mm×2.6 mm,結(jié)構(gòu)如圖16所示。側(cè)擋板中截面流場(chǎng)分布見(jiàn)圖17,可見(jiàn)在側(cè)擋板后形成回流區(qū),增強(qiáng)了二次空氣與預(yù)混氣體的摻混,有助于火焰的穩(wěn)定。

圖16 側(cè)擋板布置方式示意圖

圖17 加裝側(cè)擋板后燃燒室底部流場(chǎng)分布

加裝側(cè)擋板后,燃燒室中部橫斷面上不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)和燃燒室內(nèi)中軸線(xiàn)上溫度隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖18、圖19。由圖18可見(jiàn),加裝擋板以后,燃燒室內(nèi)的高溫面積較大,火排片之間的傳火速度增加,說(shuō)明加裝擋板有利于火核的形成及發(fā)展,并且加裝擋板后,火焰高度一致性較好;由圖19可知,火焰溫度峰值增大,并且火焰穩(wěn)定時(shí)間減少16%,這主要是因?yàn)榧友b擋板后,燃料和二次空氣的預(yù)混效果增強(qiáng),提高了燃料的反應(yīng)速率,燃燒得到強(qiáng)化。

圖18 安裝擋板時(shí)不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)

圖19 加裝擋板前后燃燒室內(nèi)溫度對(duì)比

圖20和圖21給出了無(wú)擋板和加裝擋板時(shí)燃燒室內(nèi)中軸線(xiàn)上CH4和CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系。從圖20可見(jiàn),改進(jìn)后CH4的消耗速率增大,說(shuō)明增加擋板后燃燒室內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)速率增加;并且加裝擋板以后燃燒室內(nèi)的燃料濃度變化比較平緩,說(shuō)明燃燒比較穩(wěn)定。從圖21可以看出,相比于無(wú)擋板布置時(shí)的情況,布置擋板后燃燒室內(nèi)CO生成速度整體略有增加。

圖20 加裝擋板前后燃燒室內(nèi)CH4濃度對(duì)比

圖21 加裝擋板前后燃燒室內(nèi)CO濃度對(duì)比

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)燃?xì)鉄崴骰鹋湃紵臄?shù)值模擬研究,得到如下結(jié)論:

(1)對(duì)基本模型計(jì)算發(fā)現(xiàn),火排片內(nèi)存在明顯的回流,有利于天然氣與空氣均勻混合;火排間存在明顯的低溫區(qū),不利于火焰快速傳播,需要125 ms才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),且燃燒室內(nèi)火焰高度一致性較差。

(2)采用兩側(cè)點(diǎn)火模式,火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?傳火穩(wěn)定時(shí)間相比單側(cè)點(diǎn)火模式縮短了32%,有利于火焰的穩(wěn)定。

(3)在火排上方設(shè)置穩(wěn)焰鈍體以及火排片兩側(cè)加裝擋板,均可在燃燒室內(nèi)形成局部回流,火排間傳火速度有所提升,火焰穩(wěn)定時(shí)間縮短,火焰高度一致性更好。