大氣式燃燒器內引射器的數值模擬與實驗研究

上海林內有限公司 倪娟娟

上海理工大學 張海軍

0 引言

大氣式燃燒器是家用燃氣灶具中應用最廣泛的燃氣燃燒器，主要包含頭部及引射器兩部分。引射器是由吸氣漸縮管、混合管和漸擴管組成。引射器是大氣式燃燒器的關鍵部件之一，其作用為以高能量的氣體引射低能量的氣體，并使兩者混合均勻；在引射器末端形成所需的剩余壓力，用來克服氣流在燃燒器頭部的阻力損失，使燃氣—空氣混合物在火孔出口獲得必要的速度，以保證燃燒器穩定工作；輸送一定的燃氣量，以保證燃燒器所需的熱負荷。

馮良等人采用計算流體動力學 Computational Fluid Dynamic(CFD)，模擬了大氣式燃氣燃燒器中引射器的流場，結果表明通過數值模擬不僅可以提供詳細的流場信息，而且具有傳統實驗研究無法比擬的優點。方媛媛等人從數值模擬和實驗兩方面研究了某引射器性能，數值模擬可以給出引射器內部的速度場和壓力場，結果表明通過實驗和數值模擬獲得的一次空氣系數和引射系數等具有較好一致性。郭甲生等人對某種上進風燃氣灶的引射性能進行了實驗研究和數值模擬，數值模擬給出了引射器內的速度場和溫度場等，并對比了數值模擬和實驗的一次空氣系數，結果表明數值模擬的可靠性。游超林等人對多射流引射進行了數值模擬和實驗研究，結果表明數值模擬對引射器的研究具有重要指導意義，并從實驗和模擬兩方面驗證了該多射流引射器具有良好的混合性。鑒于前人對引射器的研究，本文采用數值模擬和實驗兩種方法，對上海林內2M2F燃燒器內引射器的空氣引射能力和引射器出口的燃氣—空氣混合均勻性等問題進行研究，從而實現改進和優化本引射器和燃燒器的目的。

1 數值方法與實驗裝置及原理

實驗用燃燒器的工作介質為甲烷，其額定壓力為2 000 Pa，被引射流體為空氣，其壓力為0 Pa。

1.1 數值方法

在常溫下引射器內的燃氣密度為常數，且滿足牛頓流體條件；引射器內的燃氣速度較低屬于不可壓縮流動，引射器內的燃氣流動滿足Navier-Stokes方程。本文采用FLUENT 6.3基于壓力的求解器模擬引射器內燃氣的流場，壓力速度耦合使用SIMPLE算法和采用標準k-e湍流模型，連續性、動量、湍動能和湍流耗散率方程的離散選擇迎風差分格式，并采用標準壁面函數處理引射器的壁面邊界。燃氣進口設為壓力進口，總壓為1 860 Pa，物質組分甲烷體積分數為1；空氣進口設為壓力進口，總壓為0 Pa，物質組分氧氣體積分數為0.21；混合氣體的出口設為壓力出口，靜壓設為5 Pa；引射器壁面上采用無滑移邊界條件。

本文采用Solide Workers軟件對引射器進行幾何建模，然后將其導入網格劃分工具Gambit軟件中生成非結構性網格，該網格具有優越的幾何靈活性，對于復雜的幾何結構，能生成質量較高的網格，可以方便地進行自適應計算。引射器軸向(X方向)長度為0.122 1 m，燃氣入口引射器直徑(Y方向)為0.04 m。引射器網格如圖1所示：

圖1 引射器內流場網格

1.2 實驗裝置及原理

實驗系統由煤氣包(純甲烷)、燃氣流量計、U型壓力計、2M2F燃氣灶、微壓計、注射器和氣相色譜分析儀組成。實驗流程如圖2所示。

圖2 實驗流程

引射器的引射能力采用一次空氣系數和質量引射系數來描述。本文通過對一次空氣—燃氣的混合氣體中組分來確定一次空氣系數，并計算出質量引射系數。

燃氣和空氣混合過程中某組分i的平衡式為：

式中：xig—為實驗燃氣中i組分的體積分數；

xia—為空氣中i組分的體積分數；

α— 一次空氣系數；

V0—標準狀態下1 m3的燃氣燃燒所需的理論空氣量，m3/m3；

xim—為混合氣體中i組分的體積分數。

一次空氣系數可以表示為：

質量射系數可以表示為：

式中：u—質量引射系數；

ma—被引射氣體質量，kg；

mg—引射氣體質量，kg。

在燃燒器頭部設置取樣口，用注射器對引射器中的混合氣體進行取樣，然后通過色譜儀可以分析出混合氣體中氧氣的體積分數。根據公式(2)可計算出一次空氣系數。為了提高實驗的精度和可靠性，每次實驗須設置兩個取樣口，且保證氣流均勻后取樣，在相同的實驗條件下，取兩次實驗的平均值。

由《燃氣燃燒與應用》可知，一次空氣系數和質量引射系數越大，引射能力越強；當引射器形狀和尺寸固定后，質量引射系數不隨噴射氣體的壓力變化而變化；意味著當燃氣壓力改變時，燃氣—空氣混合比可以維持不變，這是大氣式燃燒的一大優點。

2 結果與討論

2.1 流場分析

圖3 引射器內流線

圖3描述了引射器內三維數值模擬結果中某一軸面上的流線圖，其中X表示引射器的長度，Y表示引射器入口的直徑。燃氣以一定的速度進入引射器，形成射流，射流內部有許多分子微團橫向脈動，引起射流與周圍空氣的質量和動量交換，周圍空氣被卷吸。從圖中可以看出，在引射器入口的壁面有兩個對稱的渦，該渦是由于高速氣流卷吸周圍空氣所形成的；甲烷氣體和空氣兩股氣流在引射器的漸縮管和混合管內進行了劇烈的摻混，在漸擴管處混合氣體的流速比較均勻。

圖4和5分別描述了引射器內中心軸線上速度和壓力的分布。

圖4 中心軸上速度分布

圖5 中心軸線上壓力分布

從圖4可以看出，在0～0.05 m范圍內中心軸上的速度具有較大的波動，在0.05 m～0.122 1 m范圍內速度基本保持穩定。結合圖3可以看出，0～0.05 m范圍內引射器內燃氣和空氣發生了劇烈的動量交換，使燃氣和空氣混合均勻；在x=0.05 m處流速已經基本穩定。從圖5中可以看出，x=0.009 m處壓力最低為-7.48，中心軸上的壓力先迅速減小然后緩慢增大，在x=0.05 m處壓力基本保持穩定。結合圖3可以看出，引射器入口壁面內存在兩個渦，其渦心的位置為x=0.009 m，y=±0.016 m。根據伯努利方程可知，任意一條流線上總壓保持不變，漸縮管處壓力最低點一般為喉部；然而該引射器中壓力最低點向入口段移動，因為引射器入口段氣體流量比較少，在入口段與喉部之間存在較大的負壓區。結合圖3和5可以看出，該引射器喉部在x=0.024 m處，然而壓力最低點在x=0.009 m處，顯然壓力最低點向入口段移動0.015 m。

2.2 混合氣體均勻性分析

為了判斷引射器內甲烷和氧氣混合的均勻性，本文引入了當量比的定義。當量比f表示燃料和氧化劑的混合物的配比情況，定義為：

其中： (A/F)stoic為化學恰當反應時消耗的空氣—燃料質量比。F/A為摩爾體積之比。F代表燃料甲烷的體積流量，A代表空氣體積流量。

根據實驗工況分別計算出甲烷的體積流量和空氣的體積流量，采用公式(4)可以算出引射器的當量比為1.280 8，以此作為判斷引射器內燃氣和空氣混合均勻性的標準。圖6描述了引射器中心軸上當量比的變化趨勢。從圖中可以看出，隨著中心軸位置的變化，當量比逐漸減小并趨于穩定；在中心軸x=0.095 m處的當量比為1.280 8，則此處燃氣和空氣的混合氣體已經完全混合均勻，且速度已經完全穩定。對引射器而言，如果把該引射器放在結構緊湊的燃氣灶具中，在保證燃氣和空氣充分混合的前提下，該引射器的長度可以縮短到0.1 m。

圖6 中心軸線上當量比分布

2.3 實驗與數值模擬

表1分別從實驗和數值模擬兩方面描述了引射器內實驗工況和引射性能。

表1 引射器的實驗與數值模擬數據對比

從表中可以看出，數值模擬與實驗的工況基本一致，描述引射器引射性能的兩個參數一次空氣系數和質量引射系數也具有較好的一致性。根據參考文獻《大氣式燃氣引射器的 CFD研究》中給出的天然氣引射器的一次空氣系數為 0.6，質量引射系數為 10.39；本文研究的引射器的一次空氣系數可以達到0.75，質量引射系數可以達到13。對比發現該引射器具有較強引射能力。

3 結論

(1)采用中心軸上的當量比來衡量引射器中燃氣與空氣混合的均勻性，該引射器在0.1 m處已經充分混合，出口處氣體流速穩定；

(2)在結構比較緊湊的燃氣具中，可以縮短引射器的長度，為工程設計提供了理論指導；

(3)實驗和數值模擬的結果都表明該引射器具有較好的引射能力。