大气式燃烧器内引射器的数值模拟与实验研究

上海林内有限公司 倪娟娟

上海理工大学 张海军

0 引言

大气式燃烧器是家用燃气灶具中应用最广泛的燃气燃烧器，主要包含头部及引射器两部分。引射器是由吸气渐缩管、混合管和渐扩管组成。引射器是大气式燃烧器的关键部件之一，其作用为以高能量的气体引射低能量的气体，并使两者混合均匀；在引射器末端形成所需的剩余压力，用来克服气流在燃烧器头部的阻力损失，使燃气—空气混合物在火孔出口获得必要的速度，以保证燃烧器稳定工作；输送一定的燃气量，以保证燃烧器所需的热负荷。

冯良等人采用计算流体动力学 Computational Fluid Dynamic(CFD)，模拟了大气式燃气燃烧器中引射器的流场，结果表明通过数值模拟不仅可以提供详细的流场信息，而且具有传统实验研究无法比拟的优点。方媛媛等人从数值模拟和实验两方面研究了某引射器性能，数值模拟可以给出引射器内部的速度场和压力场，结果表明通过实验和数值模拟获得的一次空气系数和引射系数等具有较好一致性。郭甲生等人对某种上进风燃气灶的引射性能进行了实验研究和数值模拟，数值模拟给出了引射器内的速度场和温度场等，并对比了数值模拟和实验的一次空气系数，结果表明数值模拟的可靠性。游超林等人对多射流引射进行了数值模拟和实验研究，结果表明数值模拟对引射器的研究具有重要指导意义，并从实验和模拟两方面验证了该多射流引射器具有良好的混合性。鉴于前人对引射器的研究，本文采用数值模拟和实验两种方法，对上海林内2M2F燃烧器内引射器的空气引射能力和引射器出口的燃气—空气混合均匀性等问题进行研究，从而实现改进和优化本引射器和燃烧器的目的。

1 数值方法与实验装置及原理

实验用燃烧器的工作介质为甲烷，其额定压力为2 000 Pa，被引射流体为空气，其压力为0 Pa。

1.1 数值方法

在常温下引射器内的燃气密度为常数，且满足牛顿流体条件；引射器内的燃气速度较低属于不可压缩流动，引射器内的燃气流动满足Navier-Stokes方程。本文采用FLUENT 6.3基于压力的求解器模拟引射器内燃气的流场，压力速度耦合使用SIMPLE算法和采用标准k-e湍流模型，连续性、动量、湍动能和湍流耗散率方程的离散选择迎风差分格式，并采用标准壁面函数处理引射器的壁面边界。燃气进口设为压力进口，总压为1 860 Pa，物质组分甲烷体积分数为1；空气进口设为压力进口，总压为0 Pa，物质组分氧气体积分数为0.21；混合气体的出口设为压力出口，静压设为5 Pa；引射器壁面上采用无滑移边界条件。

本文采用Solide Workers软件对引射器进行几何建模，然后将其导入网格划分工具Gambit软件中生成非结构性网格，该网格具有优越的几何灵活性，对于复杂的几何结构，能生成质量较高的网格，可以方便地进行自适应计算。引射器轴向(X方向)长度为0.122 1 m，燃气入口引射器直径(Y方向)为0.04 m。引射器网格如图1所示：

图1 引射器内流场网格

1.2 实验装置及原理

实验系统由煤气包(纯甲烷)、燃气流量计、U型压力计、2M2F燃气灶、微压计、注射器和气相色谱分析仪组成。实验流程如图2所示。

图2 实验流程

引射器的引射能力采用一次空气系数和质量引射系数来描述。本文通过对一次空气—燃气的混合气体中组分来确定一次空气系数，并计算出质量引射系数。

燃气和空气混合过程中某组分i的平衡式为：

式中：xig—为实验燃气中i组分的体积分数；

xia—为空气中i组分的体积分数；

α— 一次空气系数；

V0—标准状态下1 m3的燃气燃烧所需的理论空气量，m3/m3；

xim—为混合气体中i组分的体积分数。

一次空气系数可以表示为：

质量射系数可以表示为：

式中：u—质量引射系数；

ma—被引射气体质量，kg；

mg—引射气体质量，kg。

在燃烧器头部设置取样口，用注射器对引射器中的混合气体进行取样，然后通过色谱仪可以分析出混合气体中氧气的体积分数。根据公式(2)可计算出一次空气系数。为了提高实验的精度和可靠性，每次实验须设置两个取样口，且保证气流均匀后取样，在相同的实验条件下，取两次实验的平均值。

由《燃气燃烧与应用》可知，一次空气系数和质量引射系数越大，引射能力越强；当引射器形状和尺寸固定后，质量引射系数不随喷射气体的压力变化而变化；意味着当燃气压力改变时，燃气—空气混合比可以维持不变，这是大气式燃烧的一大优点。

2 结果与讨论

2.1 流场分析

图3 引射器内流线

图3描述了引射器内三维数值模拟结果中某一轴面上的流线图，其中X表示引射器的长度，Y表示引射器入口的直径。燃气以一定的速度进入引射器，形成射流，射流内部有许多分子微团横向脉动，引起射流与周围空气的质量和动量交换，周围空气被卷吸。从图中可以看出，在引射器入口的壁面有两个对称的涡，该涡是由于高速气流卷吸周围空气所形成的；甲烷气体和空气两股气流在引射器的渐缩管和混合管内进行了剧烈的掺混，在渐扩管处混合气体的流速比较均匀。

图4和5分别描述了引射器内中心轴线上速度和压力的分布。

图4 中心轴上速度分布

图5 中心轴线上压力分布

从图4可以看出，在0～0.05 m范围内中心轴上的速度具有较大的波动，在0.05 m～0.122 1 m范围内速度基本保持稳定。结合图3可以看出，0～0.05 m范围内引射器内燃气和空气发生了剧烈的动量交换，使燃气和空气混合均匀；在x=0.05 m处流速已经基本稳定。从图5中可以看出，x=0.009 m处压力最低为-7.48，中心轴上的压力先迅速减小然后缓慢增大，在x=0.05 m处压力基本保持稳定。结合图3可以看出，引射器入口壁面内存在两个涡，其涡心的位置为x=0.009 m，y=±0.016 m。根据伯努利方程可知，任意一条流线上总压保持不变，渐缩管处压力最低点一般为喉部；然而该引射器中压力最低点向入口段移动，因为引射器入口段气体流量比较少，在入口段与喉部之间存在较大的负压区。结合图3和5可以看出，该引射器喉部在x=0.024 m处，然而压力最低点在x=0.009 m处，显然压力最低点向入口段移动0.015 m。

2.2 混合气体均匀性分析

为了判断引射器内甲烷和氧气混合的均匀性，本文引入了当量比的定义。当量比f表示燃料和氧化剂的混合物的配比情况，定义为：

其中： (A/F)stoic为化学恰当反应时消耗的空气—燃料质量比。F/A为摩尔体积之比。F代表燃料甲烷的体积流量，A代表空气体积流量。

根据实验工况分别计算出甲烷的体积流量和空气的体积流量，采用公式(4)可以算出引射器的当量比为1.280 8，以此作为判断引射器内燃气和空气混合均匀性的标准。图6描述了引射器中心轴上当量比的变化趋势。从图中可以看出，随着中心轴位置的变化，当量比逐渐减小并趋于稳定；在中心轴x=0.095 m处的当量比为1.280 8，则此处燃气和空气的混合气体已经完全混合均匀，且速度已经完全稳定。对引射器而言，如果把该引射器放在结构紧凑的燃气灶具中，在保证燃气和空气充分混合的前提下，该引射器的长度可以缩短到0.1 m。

图6 中心轴线上当量比分布

2.3 实验与数值模拟

表1分别从实验和数值模拟两方面描述了引射器内实验工况和引射性能。

表1 引射器的实验与数值模拟数据对比

从表中可以看出，数值模拟与实验的工况基本一致，描述引射器引射性能的两个参数一次空气系数和质量引射系数也具有较好的一致性。根据参考文献《大气式燃气引射器的 CFD研究》中给出的天然气引射器的一次空气系数为 0.6，质量引射系数为 10.39；本文研究的引射器的一次空气系数可以达到0.75，质量引射系数可以达到13。对比发现该引射器具有较强引射能力。

3 结论

(1)采用中心轴上的当量比来衡量引射器中燃气与空气混合的均匀性，该引射器在0.1 m处已经充分混合，出口处气体流速稳定；

(2)在结构比较紧凑的燃气具中，可以缩短引射器的长度，为工程设计提供了理论指导；

(3)实验和数值模拟的结果都表明该引射器具有较好的引射能力。