圓柱形燃燒室內流—固耦合熱數值模擬的研究

吳長江 劉興宇

（貴州建設職業技術學院，貴州 清鎮 551400）

燃燒室是設備熱動力系統的關鍵部件之一，它的工作過程包括流體流動、傳熱、傳質和化學反應以及它們之間相互作用的復雜物理化學變化。由于圓柱形燃燒室幾何形狀復雜，影響性能的參數很多，所以如果采用實驗方法研究，需要多個實驗模型，成本高，且研究周期比較長。采用數值模擬的方法可以很好的克服這一缺點。本文通過FLUNT14.0對圓柱形燃燒器進行了直接數值模擬研究，為燃燒器的性能優化提供了一定的參考。

1 數值模擬

1.1 物理模型

將上面模型簡化為二維物理模型，我們可以將燃燒室的模型進行簡化，某圓柱形燃燒室出口截面的結構如圖1所示，燃燒產生的高溫煙氣從燃燒室流出后在圖1標號為①的位置進入圖中漏斗狀結構，最終從②流出。冷卻水從標號為⑤的位置進入“水套”結構，由⑥流出。常溫空氣從標號為③的位置進入空氣流道，分別與高溫煙氣和冷卻水發生熱交換，最終由④流出。

表1給出了該結構的幾何尺寸，漏斗狀結構（圖1中標號為A的結構）、水套（圖1中標號為B的結構）的壁厚均為5mm，材料為鋼，過程是穩態的。給定的工況與流體物性參數見表2。

表1 燃燒器幾何尺寸

圖1 燃燒室出口結構圖

①焰罩入口；②火焰罩出口；③空氣流道入口；A.火焰罩；④空氣流道出口；⑤水套入口；⑥水套出口；B.水套內壁。

表2 物性參數

此外，考慮到流體的密度和黏度均與溫度密切相關，因此，本文首先擬合出水、空氣的密度和黏度與溫度的關系，擬合曲線及關系式如圖2、圖3、圖4、圖5所示。

1.2 數學模型

采用定常、層流、強制對流、無耗散模型，并假設煙氣和空氣工質為理想氣體，不考慮輻射換熱，模型的控制方程如下［1］：

圖2 水的密度與溫度的關系

圖3 水的黏度與溫度的關系

圖4 空氣的密度與溫度的關系

圖5 空氣的黏度與溫度的關系

動量方程：

邊界條件如下［2］：

1.2.1 煙氣進口：煙氣入口均采用質量流量入口。

1.2.2 煙氣出口：出口截面上無回流，采用壓力邊界條件。

1.2.3 空氣出口、液態水出口、煙氣出口均采用壓力出口邊界條件。

1.2.4 固壁：u=v=0，T=TW=40℃；左側外壁面采用絕熱邊界條件，內部壁面采用自動耦合邊界條件。

2 計算結果與討論

2.1 求解模型

質量方程采用SIMPLE算法，動量和能量方程均采用二階迎風差分格式，壓力、密度、體積力、動量、能量的松弛因子分別為0.3、1、1、0.8、1，連續性方程、X方向分速度、Y方向分速度的殘差控制為10-4，能量方程殘差控制為10-7，模型在FLUENT中耦合求解。計算結果收斂后根據溫度梯度、速度梯度加密網格，直至得到網格無關解［3］。

由于模型高度對稱，因此可以將三維模型簡化成二維平面模型，進一步可簡化成左半部分平面模型，從而大大降低了計算量。本文模型基于商業軟件ICEM劃分網格，網格數為58 920，壁面網格加密，劃分邊界層網格。

2.2 模擬結果

經過fluent軟件數值模擬，得到了如圖6、圖7所示的全場溫度分布與速度分布。由全場的溫度場分布可知，水側溫度變化不大。這是因為水的入口溫度與空氣的入口溫度相差不大，且入口水的質量是空氣質量的71.43倍，再加上水的比熱容是空氣的4.15倍，從而導致全場水側的溫度變化不大。在靠近壁面的地方，空氣升溫明顯。在煙氣側，一部分煙氣從豎直部分進入后，并沒有沿著斜邊流動，而是直接豎直流出，最終在斜邊部分形成了回流，因此斜邊部分煙氣溫度較低。

圖6 全場溫度分布

圖7 全場速度分布

由全場的速度場分布可知，水側速度變化不大，是因為水側流動橫截面積保持不變。在空氣側，隨著空氣進入斜邊部分，橫截面積減小，再加上空氣被加熱，分子熱運動加劇，從而速度越來越大。在煙氣側，速度分布不均勻。靠近中心對稱面部分速度分布均勻。從云圖可以看到，斜邊部分出現了回流，是由于橫截面積突然增大所致。

表3 流體進、出口溫度及換熱量

3 結論

3.1 本文通過ANSYS14.5商業軟件建立燃燒室煙氣流-固耦合換熱模型，基于SIMPLER算法，不考慮重力和輻射，模擬得到了全場的速度場分布、溫度場分布以及各流體的出口平均溫度，除此之外，還得到了煙氣側、空氣側和水側的換熱量及各壁面平均對流換熱系數。

3.2 水側由于流量大、溫度梯度小，全場的溫度分布幾無變化，保持不變。空氣側靠近壁面的部分，溫度明顯上升。由于煙氣側在斜面部分橫截面積變化較大，出現了回流，從而換熱不充分，導致高溫煙氣熱量沒有得到充分利用。為了使熱量得到較好的利用，可以減小傾斜面的坡度。

［1］陶文銓.數值傳熱學（第二版）［M］.西安：西安交通大學出版社，2005.

［2］楊世銘，陶文銓.傳熱學（第三版）［M］.北京：高等教育出版社，1998.

［3］精通CFD工程仿真與案例分析［M］.北京：人民郵電出版社，2013.