金属纤维燃气燃烧器冷态流场数值模拟研究

南京理工大学能源与动力工程学院 鲍 桐 张后雷北京慧峰仁和科技股份有限公司 苗雨旺

0 引言

气体燃料是一种优质、高效、清洁的燃料，其着火温度相对较低，火焰传播速度快，易着火和燃烧，同时也很容易实现自动输气、混合、燃烧过程，是较为理想的能源。而目前主流的扩散式燃气燃烧方式反应区域狭窄，主要传热方式是气体热传导和对流，燃烧室内温度梯度较大，会带来较高的氮氧化物排放，严重影响了环境。相比而言，选用孔隙率较高的多孔金属纤维作为燃气燃烧场，具有更高的比表面积、导热系数、热容量与热辐射力，能更好地实现气体与多孔金属纤维之间的快速换热，可以消除炉膛局部高温区，缩短烟气在高温区停留时间，大大降低燃烧污染物排放水平。

近些年来，学者针对金属纤维表面式燃气燃烧器的全预混燃烧已经开展了大量的理论与试验研究。Marrecau等首先介绍了以新型金属编织物为多孔燃烧介质的燃气燃烧器的低 NOx排放特性；Leonardi对于容积式热水炉中的金属纤维燃烧器的燃烧与传热过程做了试验与理论研究；Delali等研究了某种多孔介质燃烧器的燃烧特性与污染物排放情况，实验结果表明，烟气 NOx体积分数在(5～40)×10-6之间，当过量空气系数在 1.2～1.6之间时，污染物放排量会达到最低水平。国内方面，黄志甲等介绍了金属纤维表面燃烧技术的工作原理和性能特点，分析了表面燃烧超低 NOx排放的原因，同时对燃烧器系统特性、混气装置和空燃比控制等关键技术进行了研究，并将其应用于中餐灶台中，取得了良好的节能环保效果。针于金属纤维表面燃烧器，仇中柱针对中心引入式与周边引入式混风装置进行了二维数值模拟计算，通过引入均方差来衡量燃气—空气混合程度，得出了周边引入式混合装置混合效果较好的结论。

本文从提高燃气与空气的混合程度方向入手，设计了新型金属纤维表面式燃烧器混风结构，用于实现燃气的稳定表面燃烧，前人暂无相关结构的研究工作。通过Fluent软件对于不同混风结构组合后燃烧头区域的气体混合流动进行了数值模拟，通过计算选取截面处的燃气质量分数与燃气均匀性指数，定量对比了在金属纤维燃烧头前端安装不同混风结构后的燃气—空气混合程度，对于今后热态燃烧工况的研究工作奠定了基础。

1 物理模型

本文设计制造的多孔金属纤维表面燃烧机主要包括：风机、仿锤体、混合腔、混气旋流装置和金属纤维燃烧头等部件组成。其中混风腔由仿锤体和混合腔组合而成。该燃烧机主要部件的装置剖面如图1所示。

图1 多孔金属纤维燃烧机设计剖面

该装置有别于其他燃烧器的混合方式，混合腔为圆柱状，空气由轴向进入，燃气由径向进入。混合腔有内、外两层筒壁，外壁上开数个大环形燃气孔，内壁上开数个小环形燃气孔，开孔位置呈错排，保证燃气能够充盈整个混合器内腔。燃气通过混合腔进气口，经外燃气孔、内燃气孔进入混合腔内。空气通过风机提升压头后，经过仿锤体后与混合腔内的燃气进行混合，之后混合气体通过混风装置(主要由叶轮与孔板组成)，再进入金属纤维燃烧头，从其端面与侧面进入炉膛完成燃烧。

选取风机端面到燃烧头端面为计算域，模型中风道内径207 mm，仿锤体中端最大直径99 mm，两边小端直径21 mm，长度为182 mm；混风腔长度为180 mm，外壳体外径492 mm，厚度6 mm，外筒外径440 mm，厚度3 mm，内筒外径400 mm，厚度6 mm；燃烧头区域长度1 150 mm，其中金属丝网覆盖区域长度为750 mm；均流孔板开孔孔径为4.5 mm，开孔数约为460个；所制叶轮旋转角度为45°，叶片数量为8片。

2 数学模型

2.1 计算模型

标准k-s模型在诸多工程模拟计算中已证明有相当高的正确性，本文选用该湍流模型来模拟CH4与空气在燃烧器内的混合流动过程。由于本算例中不涉及燃烧化学反应，计算中仅勾选 Species Transport模型，而不勾选Volumetric Reaction选项。

2.2 边界条件与物性参数

空气与燃气入口条件均设为压力进口，空气进口压力2 kPa，燃气进口压力6 kPa，烟气出口为大气环境，出口表压力设为零压。同时给定两处进口的气体组分，分别为100%空气与100% CH4。壁面条件：首先是无滑移条件，即内部流体在固体界面上速度为零；其次认定固体相是不可穿透的，各组分浓度值在固体界面的法向梯度为 0，最后，设定壁面为恒温。材料物性参数：燃气主要成分为CH4，计算中用质量分数100%的CH4组成，空气简化为21%的O2与79%的N2，假设均为常物性。

2.3 网格划分与求解方法

对于上述的三维模型，将其简化后用 Gambit对模型进行结构化网格划分，对于较为规整的体(如燃烧头等规则的圆柱体)采用 Cooper类型网格划分，针对较为不规则的体(如仿锤体等类圆锥体)采用TGrid类型网格划分。体积较小处(如混风腔开孔处)，调整最小网格尺寸为1 mm，适当进行网格加密，最终网格数量约为100万，网格质量经过校核结果较好，网格扭曲率全部控制在0.8以下。

数值模拟采用ANSYS Fluent软件来解决混合流动问题，采用SIMPLEC(SIMPLE-Consistent)算法求解压力-速度耦合问题，该算法收敛性较SIMPLE算法好。动量方程、能量方程、湍流动能方程和湍流耗散率方程的离散均采用二阶迎风格式。适当调小组分松弛因子与动量松弛因子以更好的得到收敛的结果。

3 结果与分析

采用所述的计算模型与给定参数，经过迭代计算后达到收敛，为方便对于燃烧器内部流场模拟结果进行分析。选取燃烧器轴向(Z向)截面：Z-430、Z-530、Z-630、…、Z-1430、Z-1580来进行考察燃气—空气混合情况，见图2。

图2 模型选取考察界面

针对本例，选取了8个不同结构组合配置的算例来进行对比，具体部件配置如表1所示。

表1 选取模拟工况

3.1 燃烧器混合腔总体混风性能分析研究

本文重点关注燃烧器内部的速度分布，尤其是燃烧头区域(z=830～1850 mm的圆柱区域)的速度场分布。以下为各个工况的模拟结果速度云图，从图3～10来看，工况1到4中混风器前置的仿锤体并未起到应用的加强混合的作用，反而在钝体后形成了较大的低压回流区。由于回流区的存在，它将混合流动中的燃气不断卷吸到回流区中，形成强烈的紊流混合区。反观工况5到8中混合气流流动顺畅，相同的混风组件配置下，速度云图更为均匀。

图3 工况1 y-z截面气流速度云

图4 工况2 y-z截面气流速度云

图5 工况3 y-z截面气流速度云

图6 工况4 y-z截面气流速度云

图7 工况5 y-z截面气流速度云

图8 工况6 y-z截面气流速度云

图9 工况7 y-z截面气流速度云

图10 工况8 y-z截面气流速度云

3.2 各截面CH4分布程度定量分析

通过对于各个工况的模拟速度云图来看，可将工况分为两组来对比，安装有仿锤体的工况(工况1到 4)，以及拆除仿锤体的工况(工况 5到8)。通过后处理操作，可得到各截面的CH4质量分数以及各截面 CH4质量分数的均匀性指数(Uniformity Index)。其中均匀性指数描述了指定表面上指定的物理量的变化情况，1为最大值。均匀性指数能够采用面积或质量进行衡量，其中Area-Weighted均匀性指数可以捕捉量的变化(如组分浓度)，指定变量的均匀性指数计算式如下：

式中：i——拥有n个网格面的网格面索引；

φi——各个网格面上的指定变量值；

Ai——该每个网格面的面积；

——所取表面的变量φa的平均值，其表达式如下所示：

各工况后处理所得数据结果绘制如图11所示：

图11 工况1至4各截面CH4质量分数对比

从图11可看出，CH4质量分数随着选取截面位置推后而减小。Z-830为金属纤维覆盖区开始截面，CH4质量分数从该截面开始呈迅速下降趋势，之后随着截面位置推移，其下降趋势逐渐变平缓，自Z-1130截面起，各工况的CH4质量分数保持较低的稳定值。对比各工况计算结果，无混风部件的工况1各截面CH4质量分数在Z-830截面之前均为最低，之后被配置混风叶轮的工况3超越，原因在于混风叶轮的旋风作用使得混合气体沿叶片旋转流动，易从燃烧头侧面透出，随着截面位置推移，该工况的CH4质量分数下降较快；工况2配置了均流孔板，气流刚性较强，各截面的CH4质量分数均保持在最高水平，说明CH4从燃烧头侧面流出量较低；工况4综合了孔板与叶轮的作用，集较强的气流刚性与旋风性于一体，CH4质量分数位于工况1与工况2之间，呈适中状态。

各截面CH4质量分数均匀性指数对比见图12。

图12 工况1至4各截面CH4质量分数均匀性指数对比

从图12中可看出，工况2由于孔板原因，CH4均匀性指数表现较为突出，从Z-640截面起便达到较高水平。而工况3与工况4数据则较为接近，均在z-1130截面后才达到较高水平。工况1由于未配置任何加强混风效果的组件，CH4均匀性指数上升极为缓慢，整体结果均落后于其他工况。

随后拆除风道中的仿锤体再进行数值模拟，图13～14为数据处理结果。

图13 工况5至8 各截面CH4质量分数对比

图14 工况5至8各截面CH4质量分数均匀性指数对比

从图 13中可得出，对比而言，各截面工况 5整体数值最低，原因在于去除纺锤体，流场顺畅，叶轮旋风作用得到加强，CH4质量分数下降剧烈；工况7模拟结果与工况5类似，原因在于其均为后置叶轮，叶轮的旋风作用占据主导，混合气流易从侧面流出。工况6由于只配置均流孔板，整体CH4含量保持稳定，各截面CH4质量分数均在4%左右。工况8相对比工况7更换了组件相对位置，将叶轮移动至孔板前，叶轮的旋流作用被孔板减弱，气流整体呈现刚性强于旋风性的特点，CH4质量分数平稳下降。

从图14中可得出，工况6与工况8结果曲线较为类似，工况5与工况7结果曲线较为类似，可以得出混风组件中后置部件对于流动情况的影响较大的结论。整体而言，工况6与8结果较工况5与7优秀，自Z-830截面后，工况6与8 CH4均匀性指数迅速攀升至较高水平，各截面CH4含量均较为均匀。

4 结语

由有仿锤体组与无仿锤体组分析对比而言，当仿锤体存在于风道中时，其后端会出现较大面积的回流区，混合气体无法被推送至燃烧器末端，导致燃烧头前后端CH4浓度差异过大，燃气均匀性程度较差，燃烧头燃烧时可能会出现喘燃的情况，因而采用风道内置仿锤体体的方式并不能提升混合效果，反而会影响正常燃烧。

综合工况来看，单独选用叶轮或者孔板均无法确保燃烧头区域的燃气质量分数与均匀性指数在相对高且稳定的程度，无法保证燃气稳定燃烧；而选择在混风腔体后加装孔板与叶轮组件是有效提高出口CH4浓度及均匀性的有力手段，能够较好的平衡端面出口CH4浓度与侧面出口CH4浓度，其中后置孔板前置叶轮的布置组合能够最大限度得提高燃气质量分数与混合均匀程度，可优先考虑用于全预混燃气燃烧器设计。

建立燃烧器三维模型，运用 CFD软件对燃烧器内部的流场进行冷态混风数值模拟，可以获得速度分布图，各截面CH4质量分数值与均匀性指数，从而对于各种工况下燃烧器中CH4与空气的混合流动特性有了全面的认识。同时对于不同结构的结果分析与比较，可以得出相对优化的燃烧器设计方案。这与传统的实验方法相比，不但降低了研究成本与研究时长，也为后续的设备设计提供改良依据，具有传统实验研究所不具有的优势。