鍋支架高度對燃氣灶熱效率影響的數值模擬

薛 興，劉 芳

（桂林電子科技大學 建筑與交通工程學院，廣西 桂林 541004）

目前，國內燃氣灶熱效率的研究主要是采用實驗的方法[1～4]，其研發周期長、成本高。而采用數值模擬的方法研究燃氣灶熱效率，可縮短研發周期，降低成本。本文主要基于計算流體動力學CFD的數值模擬方法，在fluent軟件平臺上，對燃氣灶的燃燒和傳熱過程進行仿真計算，仿真分析結果對開發高效節能的燃氣灶具有重要的指導意義。

1 模型的建立

1.1 幾何模型

根據燃燒器尺寸建立三維物理模型。整個模型由燃燒器頭部、鍋底、灶臺面三部分組成。燃燒空間由燃燒器本身的腔體和上部分的空腔組成。用fluent前處理器gambit進行網格劃分，其主要采用六面體網格對模型進行網格劃分。適當增加燃燒器腔體和主要燃燒區域的網格數，其它區域用粗網數處理。最終網格數達30萬，數值計算的收斂精度達10-3以下。計算模型網格如圖1所示。

圖1 部分網格圖

1.2 數學模型

（1）基本控制方程

燃氣灶的主燃燒區存在較為復雜的湍流運動、湍流燃燒、輻射以及對流傳熱過程。本文對燃氣灶燃燒與傳熱流場的數值模擬做基本假設：所有表面都是黑體；在100℃時，鍋體的各部分都是等溫的。燃氣灶數值模擬的控制方程可用下式[5]表示：

式中，

準為任意變量；

г為廣義擴散系數；

S是源項。

準、г、S不同的形式，可表示連續方程、動量方程、能量方程、組分方程。

（2）湍流模型

燃氣灶數值模擬，選擇合適的湍流模型較為重要。文獻[6]和[7]表明Realizable湍流模型較適合燃燒室數值模擬。Realizable k-ε雙方程湍流模型使均流方程封閉，表達式為[5]：

其中，σk和σε分別是與湍動能k和耗散率ε對應的 Prandtl數，fluent默認值 σk=1.0，σε=1.2，C2=1.9。

（3）燃燒模型

燃氣灶燃燒器內的燃燒處于湍流燃燒狀態，即湍流流動過程和化學反應有著強烈的相互作用。Fluent提供了基于Magnussen和Hjertager提出的渦團破碎模型改進的渦耗散EDM燃燒模型。在該模型中，物質i在反應r中的產生率Rir取兩式中的最小值。

式中，

ν'i，r、ν"j，r為物質 i在反應 r中的反應物和生成物化學恰當比系數；

Mwi為物質i的相對分子質量；

N為生成物的總個數；

Y為組分質量分數。

A、B為經驗常數，分別約等于4.0和0.5。

2 邊界條件

進口：分布在圓臺壁面上的18個條形孔是燃氣和空氣混合物的入口，使用速度入口邊界條件：燃氣的低熱值為101.97 MJ/m3，流速1.2 m/s，混合后各組分的質量分數分別為：φC4H8為9.4%，φC2為20.3%；湍流參數使用水力直徑和湍流強度的定義方法，按公式 I=0.16（Re）-1/8計算。

出口：采用壓力出口邊界條件φo2為23.1%，其余為N2。回流方向與邊界垂直，定義出口背壓、回流溫度、回流的湍流強度和水力直徑。

壁面：采用無速度滑移壁面，將火孔壁面和百葉窗溫度設為定溫 512 K；水初溫 27℃，水終溫100℃，鍋壁溫取兩者的平均值，設定鍋底溫度為336 K。

控制方程選用一階迎風格式進行迭代，壓力場和速度場采用SIMPLE算法進行耦合計算，同時選用亞松弛因子加速收斂。

3 計算結果與分析

3.1 溫度場特性

圖2是x=0時截面的溫度分布圖，圖3是z=10 mm時，截面溫度分布圖。從圖中可以看出，液化石油氣和空氣混合后從條形孔中以一定的速度噴出之后，在燃燒區域內發生化學反應，在火孔附近燃燒較好，形成高溫區域，同時，火焰向鍋底面及其外部延伸，且隨著火焰的延伸，溫度逐漸降低。底部進入的二次空氣與混合燃氣混合之后，參與燃燒。這里計算溫度單位采用開爾文。

圖2 x=0截面溫度分布

圖3 z=10mm截面溫度分布

3.2 鍋支架高度對熱效率的影響

鍋支架高度是指火孔端面與鍋支架最高部位之間的距離。不同的鍋支架高度，得到的燃燒空間也不同，進而影響燃燒所需的二次空氣量。鍋支架越高，供給的二次空氣量越多，燃燒越完全，煙氣中的一氧化碳含量越低，但是火焰接觸不到鍋底，煙熱損失增加，致使熱效率降低。相反，隨著鍋支架高度降低，雖然提供的二次空氣量減少，但是火焰充分與鍋底表面接觸，熱效率增加。當鍋支架高度過低時，二次空氣量較少，火焰受壓于鍋底造成不完全燃燒，煙氣中的一氧化碳量增加且熱效率降低。如圖4所示，當鍋支架高度從15mm增加到20 mm時，熱效率從35.2%上升到47.34%；當鍋支架高度增加到48 mm時，熱效率下降到36.3%。

圖4 鍋支架高度對灶具熱效率的影響

4 結束語

文章采用數值模擬的方法，分析了鍋支架高度對燃氣灶熱效率的影響，結果表明：熱效率隨著鍋支架高度的增加呈現先增大后減小的趨勢。模擬結果能較好地反應參數對熱效率的影響。將數值模擬的方法應用于燃氣灶熱效率的研究，更為方便快捷。由于CFD軟件能較為容易的實現變結構的流體計算，有利于綜合分析因素對燃氣灶熱效率的影響，也為燃氣灶的設計提供支持。

[1]劉 杰，李永安，劉學亭.家用燃氣灶具熱效率的測試方法[J].實驗室研究與探索，2004，23（1）：55-56.

[2]劉學亭，張從菊，郭玉平，等.幾種家用燃氣灶熱效率特性的實驗研究[J].實驗室研究與探索，2009，28（3）：27-29.

[3]Hou S S,KO Y C.Effects of heating height on flame appearance,temperature field and efficiency of an impinging laminar jet flame used in domestic gas stoves[J].Energy Conversion and Management,2004,45(10):1583-1595.

[4]李兆堅，江 億.家用燃氣灶熱效率特性測試分析[J].應用基礎與工程科學學報,2006,14(3):369-374.

[5]王福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用[M].清華大學出版社，20011.

[6]蔣紹堅，劉霞杰，張 燦，等.旋流燃氣灶數值模擬研究[J].熱科學與技術,2009，8（4）:337-342.

[7]何 悟，鄭洪濤，蔡 林，等.湍流燃燒模型在燃燒室數值計算中的對比分析[J].熱科學與技術,2011，10（4）:360-365.