旋流燃烧器空气流场特性CFD数值模拟*

杨培凯，庄智勇，陈伟博

（1.广东江联能源环保有限公司，广东广州510640；2.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510640）

旋流燃烧器空气流场特性CFD数值模拟*

杨培凯1，庄智勇1，陈伟博2

（1.广东江联能源环保有限公司，广东广州510640；2.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510640）

一二次风配风比及其流动特性决定燃烧过程氧气供应，对旋流燃烧器燃烧质量有着决定性的影响。旋流燃烧器内部结构设计、各部件布局、二次风门开度都会影响一二次风配风比及其流动特性。CFD技术因成本低、周期短，能直观全面了解流场分布情况而在燃烧流动领域研究被广泛应用，故采用Fluent对燃烧器空气流场情况进行数值模拟和分析，研究不同二次风门开度下旋流燃烧器空气流场特性。结果表明，压力最大区域主要分布在空气入口处到二次风门间、一次风管入口附近区域，随二次风门开度增大二次风门内部空气流速逐渐增大，整体平均空气压力、空气旋流强度、旋转气流存在区域不断减小，负压区存在于旋流器前端到燃烧器空气出口之间区域，维持火焰稳定，对燃烧器结构设计和实际应用起到重要指导作用。

旋流燃烧器；空气流场；CFD；湍流；数值模拟

DOI：10.3969/j.issn.1009-9492.2015.01.006

0　引言

将燃料与空气混合物以不同方式喷射燃烧装置称为燃烧器（Burner），作为核心部件广泛应用在锅炉、冶炼炉、熔炉、热处理等相关行业中。其作为整个加热装置的核心，控制着被控对象的功率、温度分布、热效率及使用寿命［1-9］。燃烧器在工作过程中，燃料的燃烧完全和整个反应过程的快慢对燃烧器燃烧质量有着决定性的影响，而以上这两点取决于燃烧过程中氧气供应情况［10］。氧气供应不足或不理想，可能是由于总进风量不足或者一二次风分配不佳［11］。在总风量一定的情况下，一二次风配比及其流动特性对火焰温度、速度和污染物生成等有显著影响。旋流燃烧器内部结构设计、各部件布局、二次风门开度直接影响二次风配比及其流动特性。本文以旋流燃烧器为例，应用CFD数值模拟技术，对旋流燃烧器空气流场进行数值模拟，探讨不同二次风门开度下燃烧器一二次风配比和空气流动特性，以期对燃烧器结构设计和燃烧质量优化起到一定参考作用。

1　建模与网格划分

物理模型采用旋流燃烧器实际设计结构，内置二次风门机构，采用SolidWorks 2012软件建立整个燃烧器空气流动计算流域，结构尺寸如图1所示。进风口为a=400 mm，b=711 mm的矩形，燃烧器喷嘴为直径340 mm的圆形。研究选取二次风门机构开度分别为15°、30°、45°建立相应空气计算流域模型。

图1　旋流燃烧器结构示意图

在ICEM—CFD软件上进行对所建模型网格剖分，将所设计燃烧器空气计算流域模型保存为STEP文件直接导入ICEM中进行网格划分。由于空气计算流域模型内部结构复杂，各部位存在较大尺寸差距，故利用四面体网格灵活、适应性强特性，将整个计算流域剖分为四面体网格系统，三种不同二次风门开度模型的网络划分单元数如表1所示，生成网格系统如图2所示。

表1　R预热式燃烧器网格划分数目

2　边界条件及求解设置

旋流燃烧器空气入口边界条件选择入口速度边界，根据实际工况计算空气入口速度边界条件。由旋流燃烧器额定功率和燃料热值计算燃烧器额定工作时实际单位时间内所需空气量为V0= 2.886 6 m3/s，根据矩形进风口几何尺寸，求得空气量进口面积S=0.295 776 m2，则空气入口速度为：

其等效水力直径为：

图2　旋流燃烧器网格划分图

设空气运动粘度系数υ=14.8×10-6m2/s，则雷诺数为：

湍流强度为：

旋流燃烧器空气出口处边界条件选择出口压力边界，依照实际工作要求，设置为大气压力。

设置收敛标准为平均残差小于10-4，并且当进风口、出风口几个预设监测点速度、压力都趋于稳定，可认为收敛并停止求解。

3　数值模拟结果与分析

3.1不同二次风门开度燃烧器空气压力流场分析

图3为旋流燃烧器在X=0与Z=182截面下不同二次风门开度空气流场压力分布图。其中，图3（a）、图3（c）、图3（e）表明在X=0截面处旋流燃烧器整体压力最大区域主要分布在空气入口处到二次风门间、一次风管入口附近区域，压力值分布较均匀；空气进入二次风门和一次风管后，压力值逐渐减小，压力分布出现急剧变化，空气压力变化幅度一次风管内部大于二次风门内部。3个不同二次风门开度空气流场比较结果表明二次风门内、外部空气压力都随二次风门开度增大逐渐减小，其减小趋势呈非均匀状态，外部压力减小值略大于内部压力减小值；一次风管内压力值随二次风门开度增大减小，二次风门和一次风管内部空气压力幅值也随二次风门开度增大减小。图3（b）、图3（d）、图3（f）表明在Z=182截面处二次风门内外的压力差、二次风门入口处至中心处横向压力差都随着二次风门开度增大不断减小。二次风门内外压力差值在二次风门开度为15°时最大，达到3 000 Pa，风门内部压力降低状况最明显，从4 000 Pa降至530 Pa；，二次风门内外压力差值在二次风门开度为30°时较15°稍小，约为900 Pa，风门内部空气压力从2 040 Pa降至约1 140 Pa，变化幅度相对较小；二次风门内外压力差值在二次风门开度为45°时为500 Pa以下，风门内部空气压力在1 930 Pa到1 440 Pa之间变化，无明显压力下降现象。

图3　不同二次风门开度空气流动特性压力云图

图4　二次风门不同开度下空气流动特性速度图

图5　不同二次风门开度燃烧器空气流动负压区数值模拟结果

表2　R不同二次风门开度燃烧器空气流动特性数值模拟结果

3.2不同二次风门开度燃烧器空气速度流场分析

图4为旋流燃烧器不同二次风门开度下空气流场速度、速度矢量数值模拟结果。图3-4（a）、图4（c）、图4（e）为X=0截面空气速度分布图，表明从总体上来说，二次风门内部空气流速随二次风门开度增大逐渐增大，但开度不同空气速度流场分布情况略有差异。二次风门内部靠近风门入口处区域在风门开度为15°时平均速度达78.1 m/s，为最高值，空气流速从风门入口处沿旋流器方向不断下降，至一次风管下游处约9.18 m/s，达最小值，经过旋流器后速度略微上升；二次风门内部入口处空气流速在风门开度为30°时较低，从风门入口处沿旋流器方向一段距离内先上升，在二次风门出口处为54.2 m/s，达流速最高值，后略下降，流经旋流器后速度急剧上升；风门开度为45°时燃烧器空气速度流场分布情况与30°时类似，但二次风门内部平均流速最小，中心输气管中部区域流速达38.5 m/s，为速度最大值，流经旋流器后速度上升幅值更大。

图4（b）、图4（d）、图4（f）为Z=182截面空气速度矢量图，表明旋转气流存在于整个二次风门内部区域中，风门开度为15°时旋流强度最强；二次风门内部空气旋流强度随着风门开度增大不断减小，旋转气流存在区域也逐渐缩小。

3.3不同二次风门开度燃烧器空气流场负压区分析

图5为不同二次风门开度燃烧器空气流场负压区数值模拟结果，表明负压区存在于旋流器前端到燃烧器空气出口之间区域，燃料燃烧时负压区能不断卷吸已燃烧完全高温烟气，点燃新鲜混合气体，使火焰保持稳定。负压区形状随着二次风门开度增大由细长逐渐变得粗大，最低压力绝对值不断上升（参照表2），卷吸气流速度不断减小（15°约为27.8 m/s、30°约为19.8 m/s、45°约为16.9 m/s），表明维持火焰稳定能力不断减弱。

表2为不同二次风门开度燃烧器空气流动特性主要参数数值模拟计算结果，表明随二次风门开度增大，大部分参数减小，但负压区最低压力绝对值增大且出口风量不变。

4　结论

本文使用前处理器ICEM+求解器FLUENT的组合方案对旋流燃烧器空气流场情况进行了数值模拟，得到如下结论：

（1）压力最大区域主要分布在空气入口处到二次风门间、一次风管入口附近区域；

（2）随二次风门开度增大二次风门内部空气流速逐渐增大，整体平均空气压力、空气旋流强度、旋转气流存在区域不断减小；

（3）负压区存在于旋流器前端到燃烧器空气出口之间区域，维持火焰稳定。

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（编辑：阮毅）

Numerical Simulation of Air Flow of Turbulent Burner Based on FEA

YANG Pei-kai1，ZHUANG Zhi-yong1，CHEN Wei-bo2
（1.Guangdong Jianglian Energy Environmental Protection Co.，Ltd.，Guangzhou510640，China；2.School of Mechanical&Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou510640，China）

The primary to secondary air ratio and characteristic of air flow determine the oxygen supply during the combustion process and have a decisive impact on the combustion quality of turbulent burners.All the designs of inner structure，distributions of every component and opening degrees of secondary air door influence the primary to secondary air ratio and characteristic of air flow.CFD technology is wildly used in the research of combustion and flow since its low cost and short cycle and visualized acquaintance of the whole flow distribution.The flow situation of the turbulent burner is numerical simulated and analyzed.And the characteristics of air flow at different opening degrees of secondary air door are studied.The results show that areas from the air inlet to the secondary air door and areas near the inlet of primary air tube have the maximum pressure.As the opening degree of secondary air door increases，the average air pressure and swirling intensity and region of swirling flow decrease but the velocity inside the secondary air door increases.The area of negative pressure which stabilizes the flame exists between swirler and the air outlet of the burner.The conclusions play an important role in guiding the structure design and practical application of burners.

turbulent burner；air flow field；CFD；turbulence；numerical simulation

TP391.77

A

1009-9492（2015）01-0023-06

*广州市科信局企业孵化器资助类专项（编号：2013J4200015）；广州市科信局创新基金项目（编号：2013J4400223）

2014-11-16

杨培凯，男，1962年生，广东人，大学本科，高级能源管理师。研究领域：高效率节能环保能源设备。已发表论文1篇。