基于CFD燃燒器環形輸氣系統數值模擬*

楊培凱莊智勇陳偉博

（1.廣東江聯能源環保有限公司 2.華南理工大學機械與汽車工程學院）

基于CFD燃燒器環形輸氣系統數值模擬*

楊培凱1莊智勇1陳偉博2

（1.廣東江聯能源環保有限公司 2.華南理工大學機械與汽車工程學院）

闡述計算機流體力學（CFD）湍流模型的理論基礎，介紹ICEM-CFD軟件混合網格劃分復雜結構幾何體方法。采用Fluent對燃燒器環形輸氣系統燃氣流動情況進行數值模擬和分析，研究燃氣在環形輸氣系統內的壓力和速度分布狀況。結果表明：環形輸氣系統各部位壓力分布與氣體流動速度存在較大差異，氣體粘度對系統內燃氣流動狀態有較大影響。所得結果對環形輸氣系統設計與結構優化起到重要指導作用。

燃燒器；環形輸氣系統；計算機流體力學；湍流；數值模擬

0 引言

對燃燒器在燃燒過程中各部件的壓力、溫度等運行參數進行研究是設計、優化燃燒器結構的重要手段。研究燃燒過程運行參數的2種主要手段為試驗研究和數值模擬[1-3]。試驗研究采用各種傳感器對運行參數進行直接或間接測量，得到的參數客觀、準確，但試驗成本高、周期長、對特定分布點參數無法獲取全局信息，湍流特性參數、燃燒效率等間接參數無法準確計算。隨著計算機技術、理論算法、流體力學迅猛發展，數值模擬作為試驗研究的補充工具，在燃燒流動研究領域被廣泛應用[4-10]。

環形輸氣系統的形狀、結構、安裝位置決定燃氣噴射的位置、壓力、流速和濃度空間分布狀況，對燃燒器燃燒效率、污染物生成影響很大。由于環形輸氣系統結構復雜、尺寸小，實際試驗難以獲取全面運行參數，且通過實際試驗進行結構優化成本較高。運用計算機流體力學（computational fluid dynamics，CFD）技術對環形輸氣系統燃氣流動情況進行數值模擬，能全面了解燃氣在環形輸氣系統內壓力、流速等分布狀況以及燃氣在噴嘴處的噴射角度、速度等參數，且具有周期短、成本低的特點。本文在分析CFD湍流理論模型和混合網格劃分技術基礎上，運用CFD軟件Fluent對燃燒器環形輸氣系統燃氣流動進行數值模擬和分析，為燃燒器結構優化設計提供有價值的參考。

1 湍流模型

粘性流體流動的 N-S方程組用于描述流場中任一空間點上的流動參數隨時間和空間變化情況，適用于湍流流動內部結構和物理量復雜多變的情況，方程組由如下4個方程組成[11]：

連續性方程（質量守恒方程）

Fluent商業軟件包提供一系列模擬流體湍流模型供選擇，其中包括Spalart- Allmaras模型、k – ε系列模型、雷諾茲壓力模型和大漩渦模擬模型等。不同模型適用于具體不同研究問題和邊界條件。標準k –ε 模型屬于雙方程湍流模型，通過求解速度和長度2個變量描述流體湍流行為。該模型為半經驗公式，在工程流場計算中被廣泛應用。環形輸氣系統由圓管組成，其流域結構規則，故選擇該模型作為燃燒器環形輸氣系統數值模擬的湍流模型。

標準k – ε模型由湍流動能方程k和湍流耗散率方程ε組成，如式(5)、(6)所示。求解式(5)、(6)可得到k和ε的值；湍流粘度通過k和ε計算得出；雷諾應力由Boussinesq假設求得[11]。

2 數值模擬過程

按照CFD數值模擬流程，首先對環形輸氣系統建模、網格劃分；再根據所研究問題計算相應邊界條件和收斂判斷標準；最后進入求解階段。

2.1 建模

物理模型采用燃燒器環形輸氣系統實際結構，用SolidWorks 2012繪制環形輸氣系統內部燃氣流通的區域作為數值模擬的計算域，如圖1所示。

圖1 環形輸氣系統燃氣流域模型

2.2 混合網格劃分

ICEM-CFD軟件可劃分四面體和六面體2種類型的網格。四面體網格較為靈活，但是劃分相同體積空間需要網格數量較多，增加了計算機運算量和內存占用量，比較適合尺寸較小但形狀相對較復雜的部位。六面體網格正好相反，剖分相同體積空間需要網格數量較少，但劃分前需要對幾何體進行拓撲分塊，操作比較復雜，適合尺寸較大且形狀比較規則的部位。利用這2種網格的特點，在模型較小且復雜的地方劃分四面體網格，在模型大且規則的地方劃分六面體網格，可大大提高網格質量，減少網格數量和計算量。圖2為運用混合網格剖分后環形輸氣系統網格。

圖2 環形輸氣系統的網格劃分

2.3 邊界條件設置與求解

1) 邊界條件設置

② 空氣出口壓力條件：根據設計要求，設置為1500 Pa。

2) 收斂標準

收斂標準為平均殘差小于10-3，并且當進氣口、出氣口幾個預設監測點速度、壓力都趨于穩定時，可認為收斂并停止求解。

在Fluent軟件上設置完上述求解條件后迭代求解直至收斂。

3 環形輸氣系統數值模擬結果與分析

圖3為圓環管部位數值模擬結果，對比環形進氣圓環管的壓力云圖3(a)、圖3(b)、速度云圖3(c)和局部放大的速度矢量圖3(d)可知，壓力變化在入口直管和圓環管連接處達到最大值。在圓環管內部靠近中心正對入口處，由于承受入口氣流正面沖擊，氣體的速度從 25 m/s迅速減小至0，壓力達最高值，約為18500 Pa。而在圓環管內部靠近中心正對入口處兩邊的區域，因氣體分流，壓力迅速下降至18100 Pa，靠近圓環管內壁分流氣體速度相對較高，達21 m/s，這是由于氣流在圓環管內連接處兩端靠外的區域形成 2個漩渦所致，如圖3(d)所示。

圖3 圓環管部分數值模擬結果

小管及燃氣噴嘴壓力分布圖如圖4所示，環形輸氣系統內圓環管道局部壓力超過 18000 Pa，達最大值。燃氣流至彎管處，壓力逐漸降至17700 Pa左右，到直管處壓力進一步下降，但基本保持在 17000 Pa以上。在小管末端燃氣噴嘴至管末堵板一段，壓力又有所回升，堵板上方達到17700 Pa以上，在噴口處則迅速下降至15000 Pa。

小管及燃氣噴嘴速度分布圖如圖5所示。通過對比圖3(c)可知，圓環管大部分區域燃氣流速低于4.27 m/s，達整個環形輸氣系統最低值，彎管處速度迅速上升至38.4 m/s左右，在直管處又逐漸降至30 m/s左右，在小管末端形成回流，速度降至20 m/s左右，堵板上方燃氣流速幾乎為0，燃氣噴嘴處速度迅速增加至83.8 m/s，上下兩排燃氣噴嘴速度變化基本無差異。圖6為燃氣噴嘴速度矢量圖，上下兩排噴嘴燃氣噴射方向略有差異，燃氣在下排噴嘴噴射方向與小管中軸線夾角比上排噴嘴小，在下方的噴嘴截面處出現4個低至8.5 m/s左右的小區域，估計與氣體在小管末端產生回流有關。在靠近壁面處速度都接近0，越靠近管中心速度逐漸增加，顯示在環形輸氣系統小管中氣體粘滯效應較為明顯，在設計燃氣噴嘴需考慮。

圖4 小管及燃氣噴嘴壓力分布圖

圖5 小管及燃氣噴嘴速度分布圖

圖6 小管及燃氣噴嘴速度矢量圖

4 結論

本文使用處理器 ICEM為模型網格劃分工具，Fluent為求解器的組合方案對旋流燃燒器的環形輸氣系統輸氣情況進行了數值模擬，得到如下結論：

1) 圓環管平均壓力在整個環形輸氣系統中最高，壓力變化在入口直管和圓環管連接處達到最大值；

2) 燃氣在下排噴嘴噴射方向與小管中軸線夾角比上排噴嘴小；

3) 在環形輸氣系統小管中，氣體粘滯效應對燃氣流動和噴射影響較大。

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Numerical Simulation of Annular Gas System of Burner Based on CFD

Yang Peikai1Zhuang Zhiyong1Chen Weibo2
(1.Guangdong Jianglian Energy Environmental Protection Co., Ltd.
2. School of Mechanical & Automotive Engineering, South China University of Technology)

The theoretical basis of turbulence model of CFD is illuminated and the compound grid method to create mesh system for geometries which have complex constructions using ICEM—CFD software is introduced. The flow situation of natural gas in the annular gas system is simulated and analyzed. And the situations of pressure and velocity distribution in the annular gas system are studied. The results show that there are larger the differences of both pressure distribution and gas velocity between different parts of the annular gas system. The viscous effects have a greater impact on the gas flow situation in the system. The conclusions play an important role in guiding the structure design and optimization of annular gas system.

楊培凱，男，1962年生，學士，高級能源管理師，從事高效率節能環保能源設備研制。E-mail: wanfangperky@163.net

廣州市科信局企業孵化器資助類專項（2013J4200015）；廣州市科信局創新基金項目（2013J4400223）。

Key Works:Burner; Annular Gas System; CFD; Turbulence; Numerical Simulation

莊智勇，男，1967年生，學士，測量控制與儀器儀表高級工程師，從事熱能設備控制系統、燃燒控制系統的設計研發。

陳偉博，男，1990年生，碩士，主要研究熱能設備CFD仿真與控制。