基于CFD的燃燒器火蓋性能研究

周 亮

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

前言

隨著城市燃氣的普及，在大氣式家用燃氣灶已然成為了家庭必備的廚房用具之一。目前，市面上各種燃氣灶品類繁多，其質量也參次不齊，但普遍熱效率不高，煙氣中的CO和NOX化物含量偏高，這些都對人體有著危害。隨著各大公司及機構對家用燃氣灶的深入研究，燃氣灶的各種性能指標也在逐步的提升。且隨著生活水平的提升，人們對產品的外觀要求也越來越高。因此，開發(fā)出外形美觀實用、高效節(jié)能污染少的家用燃氣灶不僅對企業(yè)具有重要的指導意義，另一方面也可為國家能源可持續(xù)發(fā)展做出重要貢獻。但是燃氣具行業(yè)競爭加劇，各大企業(yè)為了提高競爭力，不斷地研發(fā)推出新產品，這就需要加快研發(fā)進程，傳統(tǒng)的設計方法已經無法滿足日益增快的新產品需求。因此引入先進的CFD研究手段是一種新型的研發(fā)手段，其優(yōu)勢在于研發(fā)速度塊，成本低。本文中的研究主要是針對燃氣灶的研究，運用CFD軟件仿真模擬燃燒器的燃燒，最終分析得出我們所設計結構的合理性。

1 燃燒器模型的建立

本論文研究的燃氣灶是以天然氣為燃料的大氣式燃氣灶，圖1為大氣式燃氣灶3D模型圖、圖為2外環(huán)燃燒器內部流場模型圖、圖3為外環(huán)燃燒器內部流場網格化后的模型、圖4為燃燒器燃燒模型3-D、圖5為燃燒器燃燒模型網格化3-D圖。圖6-9為本文分析的幾種火蓋的3-D模型圖。對大氣式燃氣灶燃燒過程進行三維數值模擬，該過程包括燃氣灶三維物理模型的建立、網格的劃分、計算模型的選擇、邊界條件的設置以及數值模擬計算結果的分析等。

本研究使用workbench對燃燒器進行模擬仿真。運用spaceclaim對燃燒器物理模型進行優(yōu)化處理，通過抽體積方式得到外環(huán)燃燒器的流體區(qū)，在經過去倒角，短邊等操作得到一個較優(yōu)燃燒器內部流體域。把燃燒器內部流體域導入到mesh軟件中，對進出口邊界面重新命名，對于結構尺寸比較小的噴嘴和火孔，進行局部2階加密，最后采取整體自動化網格，得到模型的整體網格數約為300萬，如圖3所示。本研究選擇壓力求解器，速度屬性選擇絕對速度；重力加速度為-9.8 m/s2，時間屬性選擇穩(wěn)態(tài)即穩(wěn)態(tài)運算[4]。

燃燒器數學模型選著湍流Realizable k-e模型，打開能量守恒方程，其中涉及個組分的混合，所以須打開打開組分運輸模型，混合氣體選擇methane-air。燃燒器物理模型中，甲烷采用質量速度入口(massflow-inlet)，根據熱負荷計算出為7.2e-5 kg/s。一次與二次空氣入口都采用壓力入口(pressure-inlet)，靜壓設置為0 pa。出口邊界均采用壓力出口(pressure-outlet)，靜壓設置為0 pa。

通過對燃燒器燃燒進行數值模擬，設計分析了四種不同類型的火蓋對燃燒器性能的影響，經模擬仿真得到了燃燒器內部甲烷濃度場矢量圖、燃燒溫度場分布圖及一次空氣的引射量。為了方便觀察，需要適當的選取結果展示區(qū)間，本文根據仿真結果選擇結果展示區(qū)間為摩爾濃度比在0.01～0.14之間。

2 燃燒器結構性能分析

2.1 燃燒器的內部流場分析

圖1 大氣式燃氣灶3D模型圖

圖2 外環(huán)燃燒器內部流場模型圖

圖3 外環(huán)燃燒器內部流場網格化后的模型

圖4 燃燒器燃燒3D模型

圖5 燃燒器燃燒3D模型網格化

圖6 圓弧面多孔結構火蓋

圖7 平面多孔結構火蓋

圖8 斜面槽型火蓋

圖9 側面開孔火蓋

本研究基于萬和自主研發(fā)的燃燒器平臺，分別通過仿真分析了其結構的特性，如圖10所示為燃燒器內部甲烷分布矢量圖，圖中左側顏色坐標代表著燃燒器內部甲烷的摩爾濃度，濃度越大顏色越紅，而圖中的矢量箭頭代表著此處的流速大小。從圖中可以看出燃氣在底部以一定的壓力噴出進入引射腔，此處的流速達到最大，及矢量長度最長。由于速度較高形成一個低壓區(qū)，使得一次空氣從爐頭的兩側進入引射腔，燃氣與一次空氣在混合腔內混合均勻，在此過程中，由于混合消耗能量，燃氣的流速有所下降，即矢量長度變短。最后到爐頭的頭部，經過火蓋孔噴出燃燒器，最后在大氣中燃燒。

2.2 燃燒器的燃燒溫度場分析

圖11-14分別為四種火蓋下的仿真燃燒溫度分布場。圖中左側顏色坐標代表著燃燒的溫度場分布，溫度越高顏色越紅，從四個圖中我們發(fā)現在火蓋附近的溫度最高，往上在逐漸減小，這是因為這是大氣式燃燒器，底部與頂部都與大氣相連，燃燒熱與煙氣都隨著與大氣的流動而帶走，但仔細看，我們可以看出四個圖最高溫度的寬度大小并不一樣，其中圖11最高溫區(qū)域最寬，圖12次之，圖13、圖14最小，眾所周知，換熱面積越大，換熱效率就越高，而我們的高溫區(qū)域越寬，預示著其高溫區(qū)換熱面積越大，其熱效率必然會更高，還有高溫區(qū)域越寬，代表著其與炊具高溫接觸面積越大，即其具有火力更加均勻特性，食物也能更加均勻受熱。由此可見，從火力均勻性及增大高溫換熱區(qū)來考慮，第一種方案必然是最佳方案，由圖11-14我們得知，這是一種在火蓋上表面開孔的方式，且其上表面還是曲面。而上表面為平面的次之，這是因為曲面開孔方式具有發(fā)散效果，其火力更加容易往兩邊燃燒，增大了其高溫區(qū)域。當然除了高溫區(qū)域的寬度不一樣，我們還可以從左邊顏色坐標讀出最高溫度值，經過統(tǒng)計我們到如圖15。結果很顯然，其最高溫均不一樣，其中傳統(tǒng)側面開孔溫度最高，圓弧面開孔和平面開孔的次之，斜面開槽的最差。的這是因為其火孔數量及火孔面積不同，傳統(tǒng)側面開孔，一般火孔較大，數量較少，即每個火孔的火力都比較大，其燃燒溫度自然會更高。而圓弧面和平面應為具有較寬高溫區(qū)，可以很好的保證其燃燒熱量不損失，從而保證一個較高的溫度值，而斜面開槽則會是的火焰湍流程度大，熱交換較快，即很容易被空氣和煙氣帶走熱量，從而溫度較低。

圖10 外環(huán)燃燒器內部甲烷摩爾濃度矢量圖

圖11 圓弧面多孔結構燃燒溫度分布場

圖12 平面多孔結構燃燒溫度分布場

圖13 斜面槽型燃燒溫度分布場

圖14 側面開孔燃燒溫度分布場

圖15 火蓋開孔方式與燃燒溫度的關系

圖16 火蓋開孔方式與一次空氣量的關系

2.3 燃燒器的引射性能分析

通過對四種火蓋的模擬仿真，我們可以得出其一次空氣的進口流速，經過整理得到如圖16所示，從圖中我們可以直觀地看出，第一種圓弧面的開孔方式的一次空氣流量最大，斜面開槽和平面開孔的次子，傳統(tǒng)側面開孔的最差，分析其原因是因為傳統(tǒng)側面開孔一般火孔較少，開孔面積小，為了防止回火的產生，其火孔深度必然較大，這就導致了其腔內的流動阻力較大，是的一次空氣難以引入，而圓弧面開多孔的方式，其一火孔較多，開孔面積較大，每個火孔的火力較小，不容易回火，火孔深度較淺，其腔內流動阻力較小，一次空氣可以更加輕松的引入。

3 結論

1）通過對四種結構火蓋得仿真模擬得到了：火蓋上表面開多孔結構在燃燒時候具有較寬的高溫燃燒區(qū)，其高溫換熱面積更大，火力分布更加均勻，更加有利于熱效率的提高。

2）對比了四種結構的燃燒器得出火蓋上表面開多孔結構更有利于一次空氣的引射，而尤以圓弧上表面為最佳。