燃料/空气文丘里混合器的研究综述

黎亚洲 廖晓炜 刘 峰 彭波峰 徐洪涛

（1.上海焱晶燃烧设备检测有限公司 上海 201708）

（2.中国特种设备检测研究院 北京 100029）

（3.上海理工大学能源与动力工程学院 上海 200093）

近年来，随着我国大气污染问题日益严重，特种设备领域中的节能环保问题开始被广泛关注。2017年4月1日起，北京市开始实施《大气污染物综合排放标准》（DB11/501—2017），该标准中明确规定新建工业锅炉NOx排放不得超过30mg/m3，这使得在不影响燃烧器其他性能的情况下，降低污染物的排放成为各燃烧器生产厂家的重要努力方向，而混合器内燃料/空气的混合特性则是降低全预混燃烧器中NOx排放的重要因素之一。

目前，用于燃烧器内燃料与空气混合的混合器普遍采用文丘里式和比例式[1]。由于文丘里混合器结构简单，其结构参数能够直接影响燃烧器的性能，因此备受国内外研究者的关注。

文丘里混合器的基本原理是当流体在缩放喷管时，在喉口即管道最小截面处的速度达到最大值，根据伯努利定律，由于此处动压最大，则静压最小，燃料由于压力差进入管内，进而达到混合的效果。对于文丘里混合器，其在燃气轮机、发动机和燃烧器内的作用是一致的，其面临的共同挑战是如何将燃料以最佳比例进入空气混合，并混合均匀。为了克服这个问题，学者们主要从混合器几何结构参数和燃料与空气的流动方式两方面进行研究，如Abo-Serie等[2]采用田口方法针对标准型文丘里管模型，研究了小孔直径、数量和喉口直管的入侵长度对文丘里混合器混合质量的变化规律，通过模拟CH4和空气的混合情况，发现喉口直管的入侵长度与喉口直径的比值大于0.05时混合效果变差。Dahake等[3]通过实验研究了发动机文丘里管内不同的喉孔数和喉口直径对天然气与空气的混合质量的影响，发现8孔有助于贫燃混合。龚英利等[4]对文丘里混合器进行可视化研究，发现文丘里混合器随节气门的开度增加，天然气与空气的混合均匀程度下降。通过在文丘里管喉口处加装引流管，可以改善天然气和空气的混合效果。史永征等[5]通过实验研究了轴向叶片式旋流器和平板式斜开缝旋流器对燃气浓度分布的影响，发现平板式斜开缝旋流器比轴向叶片式旋流器产生的混合效果更好，更有利于火焰的稳定性。旋流器角度和喷射器尖端的位置对喷射角度和再循环区的形成有很大的影响[6]。Tedder等[7]发现旋流器的角度越大，喷射角越宽，形成中心回流区的可能性越大，而中心回流区对火焰稳定性发挥着重要作用。张群等[8]对同旋向多旋流器阵列贫油直喷燃烧室流场进行数值模拟，研究表明流场中存在多个回流区，具有良好的燃烧性能。

目前，文丘里混合器的种类和研究方法较多，但鲜有文献对其研究现状进行详细的综述。因此，本文首先详细分析了文丘里混合器的几何结构参数和燃料与空气的流动方式对混合特性的影响，总结混合过程中的主要特点。其次，对目前国内外比较典型的文丘里混合器进行归类分析，总结了文丘里混合器各结构参数对燃料空气混合的影响规律，找出优化结构设计的规律和方法。最后，本文工作可为全预混燃烧器中的文丘里混合器的设计提供一定的思路。

1 影响混合均匀程度的重要因素

燃料和空气的混合均匀程度对燃料燃烧过程中的各基元反应的平衡状态有着很大的影响，Umesh等[9]指出燃烧效率与燃料/空气混合的均匀程度成正比。邵卫卫等[10]通过实验和模拟相结合的方法研究了燃气轮机文丘里混合器内预混段长度和燃料孔径对预混不均匀度SMD（Spatial Mixing Deficiency）的影响，发现预混段长度为预混通道直径的4.2倍时SMD为2.0%，当改变燃料孔径使得燃/空动量比为0.09时SMD为1.4%。SMD对NOx排放的影响如图1所示。从图1中可知，随着SMD的增大，NOx的生成量增加，尤其当SMD大于5%时，NOx排放随SMD进一步增大而急剧增加。SMD定义如下：

式中：

A——所选取的截面积；

f——燃料浓度；

——平面内燃料的平均浓度。

图1 SMD对NOx排放的影响[10]

由上述分析知，提高燃料/空气的混合质量可以降低NOx的排放。影响燃料/空气混合质量的重要因素则是几何结构参数和燃料与空气的流动方式。

1.1 几何结构参数对混合均匀程度的影响

文丘里混合器喉口直径的大小直接影响燃料和空气的混合好坏，喉口直径过小意味着较大的扩压角会导致气流受限，混合器容易产生震动，而喉口直径过大意味着喉口处的气流速度较小，混合效果也较差。杨俊[11]模拟分析了喉口直径对CH4与空气在燃气发动机文丘里混合器内混合的影响，发现喉口直径的变化同时影响扩压角和压缩角，较小的喉口直径可以改善CH4和空气的混合均匀度。郎晓姣等[12]通过改变喉口面积、扩压角和压缩角，确定文丘里管的最佳几何尺寸，发现当管内的压力恢复情况最好时，压力损失最小并且燃料/空气的混合均匀性最佳。

喉口处的小孔孔径和小孔数量是文丘里混合器的重要结构参数。这两个参数直接决定了燃料的质量流量。Abo-Serie等[2]模拟了喉口处小孔直径和数量对天然气与空气混合的影响，研究表明增大小孔的数量可以提高燃料的径向分布，但是过多的小孔数量对混合质量的提高没有太大作用。由于Abo-Serie选取的结构参数较少，采用田口方法并没有找到明确的变化规律，在此模型上仍然还有理论优化的可能性。Gorjibandpy等[13]研究了柴油机内文丘里混合器喉口处小孔数量对CH4质量分数的影响，发现与6孔和8孔的文丘里混合器相比，12孔的混合效果更好。杨俊等[11]发现在喉口小孔的总面积一定的情况下，喉口处的小孔孔径越小，混合的质量越均匀。

1.2 流动方式对混合均匀程度的影响

燃料和空气进入混合器内的流动方式对混合均匀程度有很大的影响，利用旋转射流产生较强的卷吸作用和掺混作用，有助于燃料与空气的混合，可以提高燃烧的稳定性。Im等[14]研究了旋流器对文丘里管喷嘴的影响，发现与无旋流器的文丘里混合器相比，旋流效应使得文丘里管喉部处的剪切空气速度增大且分布更均匀，喷嘴喷雾效果显著扩大。李平等[15]通过研究燃料和空气在旋流器型混合器内混合特性，发现内外旋流的强迫掺混作用，使燃气和空气分布均匀度提高，并且随着掺混距离的增加，燃气和空气的质量分数趋于均匀。白风玲等[16]通过实验研究了旋流器对燃烧器的出口浓度及污染物排放的影响，发现旋流器靠近燃烧器头部出口位置时燃气的浓度分布较好，并且旋流器的叶片角度越大，燃气混合情况越均匀，NOx的排放也较低。

2 燃料/空气文丘里管混合器研究综述

根据燃料与空气的混合方式，可以将文丘里混合器分为两类：文丘里直流式混合器和文丘里旋流式混合器，直流式与旋流式最大的不同是文丘里旋流混合器添加了旋流器从而增强了进气扰动。以下将按照文丘里直流式混合器与文丘里旋流式混合器这两大类分别介绍。

2.1 文丘里直流式混合器

文丘里直流式混合器不仅可以应用于燃料与空气的预混，也可以用于废气再循环系统（EGR，Exhaust Gas Recirculation）。由于燃烧室排气管道压力比进气管道压力低，在文丘里混合器内，空气与低压废气可以良好混合[17]。混合后进入燃烧器燃烧，可以减慢燃烧的反应速度，降低燃烧温度，从而降低NOx的排放。

图2为Ramasamy等[18]设计的两冲程发动机文丘里直流式混合器，空气通道被设计成缩放喷管的形状。由于最小截面处的空气流速较大，因而静压力较低，与燃气腔内的燃气形成压力差，从而产生吸附作用，使燃料从喉口小孔处喷入管内，进而达到空气与燃料混合的效果。通过数值模拟分析了多种几何结构尺寸对混合器内的压降和空燃比的变化规律，发现喉口小径为14mm时能够为低速发动机提供良好的混合性。

图2 文丘里直流式混合器[18]

上述文丘里混合器的燃料由喉管周边进入，燃料进入混合器后多沿着管壁流动，难以向管道中心扩散。为了促使燃料与空气能够在文丘里混合器的轴心处也能进行良好的混合，杨俊[11]在此基础上对其进行了优化，优化后的模型如图3所示。通过在喉口处的小孔上加装直管，可使燃料出口靠近混合器的轴心。通过数值模拟分析了燃气入口压力、出口压力、喉口小孔孔径和数量、出口直径、入口直径和喉口直径对文丘里混合器性能的影响，发现增加喉口直管的数量，且直管上开出的靠近根部的小孔截面越大，同时在直管与直管之间的壁面上加上小孔可以使燃气与空气混合均匀，但直管的数量也不宜过多，否则会加大流动损失。

图4为韩国机械与材料研究所（KIMM，Korea Institute of Machinery & Materials）设计的发动机文丘里直流式混合器，其喉管直径与空气的进出口直径几乎相等，因此具有低压损的优点，并且能产生大于3.15的空燃比（燃料为25%H2、25%CO和50%N2的合成气）， 因此该混合器被广泛应用于贫燃燃烧的燃烧器中。Danardono等[19]以此为基础，通过实验分析了节气门全开的情况下混合器的性能，通过三维数值模拟分析了喉管管径、燃气腔室厚度和燃气出口直径对空燃比、压损和混合质量的影响，发现喉部面积与进气面积的比例大于0.6时可以避免高压损失，燃气腔室与喉部面积之比保持在0.3以下可以获得较好的空燃比。

图3 杨俊优化后的文丘里混合器[11]

图4 （a）韩国机械与材料研究所设计的文丘里混合器模型（b）混合器的横截面示意图[19]

●2.1.1 带节气门的文丘里混合器

文丘里混合器燃料流量是由喉口处的真空度来调节的，为了满足燃烧器不同的运行工况，可以在文丘里管内增加节气门，通过控制气流的流动面积来限制流量。因此，节气门的开度对文丘里混合器内的流场和混合特性有很大的影响。空气流量、燃气流量随节气门开度的增大而增大，但空燃比随节气门开度的增大而减小。图5为带节气门的文丘里混合器。Kumar等[20]设计出利用旁路系统在收缩段处设置节流孔来控制进入燃烧室的气流，并且比较了圆形和矩形轴节气门对喉部职位压力的影响，发现矩形轴对喉口压力损失更小，损失的能量更少。

图5 带节气门的文丘里混合器[20]

●2.1.2 文丘里引射式混合器

增压柴油机通常采用EGR技术来实现降低NOx的排放，为了克服排气管与进气管之间的压力差，将足够的废气量送入进气管，可以在进气管中加装文丘里管。图6为文丘里引射式混合器的基本结构，可以分为收缩段、混合段和扩压段三部分。空气和废气的混合气体在扩压段是一个压缩过程，其压力升高，流动损失较小。因此文丘里管在不消耗机械功率的情况下具有引射功能[21]。

图6 文丘里引射式混合器基本结构

图7为YC6105ZLQ柴油机EGR系统布置图。当发动机在低速工况下运行时，关闭旁通路的阀门使气流全部进入文丘里管，这样文丘里管的流量较大，其引射能力增强， 能实现相对较高的EGR率；当发动机在高速工况下运行时，打开旁通路的阀门，使气流部分旁通，就可以避免壅塞现象，从而实现高低工况的兼顾[22]。

为了实现废气与新鲜空气在文丘里管混合均匀，各国学者对文丘里管的结构尺寸提出了多种方案。杨帅等[21]通过分析不同EGR率条件下再循环废气与空气混合后的流场状态、速度场、压力场，发现EGR率对文丘里管压缩段前的初始压力恢复效果有较大的影响。Gritzun等[23]提出使用可变文丘里EGR控制阀的方法改变进气口中的压降来增强对EGR量的控制，并通过阀门内侧的凸角来改善混合效果。郭鹏江等[24]提出利用文丘里管和可变喷嘴涡轮增压器（VNT）来提高柴油机EGR率的方案，分析文丘里管喉口直径对发动机外特性参数的影响，通过合理选取文丘里管喉口直径和调节VNT喷嘴环叶片位置，可以大大降低NOx的排放。Sundarara[25]通过实验研究了射流喷射角度对文丘里混合器内示踪剂浓度、横流速度、射流速度和混合器两端压降的变化规律，发现在高注射角下混合效果较好。

图7 YC6105ZLQ柴油机EGR系统简图

2.2 文丘里旋流式混合器

图8为NASA（National Aeronautics and Space Administration）文丘里单元LDI（lean direct injection）喷嘴，旋流器是单元贫油直喷喷嘴的一个重要部件，旋流器的中心插入一个燃料喷射器。燃油喷嘴雾化燃油，形成喷雾。旋流器产生旋转气流、辅助雾化油雾、稳定燃烧火焰和提供贫燃所需大量空气，此外更为重要的功能是要快速混合蒸发油雾，促进油气瞬间均匀混合，从而实现燃油的贫预混低排放燃烧[26]。

图8 NASA文丘里单元LDI喷嘴[26]

曾青华等[27]在此基础上通过实验研究了旋流器级数、双旋流器旋向和混合段收缩角等对油/气混合燃烧规律，发现在不同贫油气工况下，反向双旋流燃烧室内燃烧效率更高，排放的污染物更少，并提出设有“文丘里管式预混合段的双旋流燃烧器”的单元LDI喷嘴。Ren等[28]研究了文丘里旋流贫燃直喷混合器内缩放段和仅有收缩段两种不同配置对混合质量的影响，发现具有缩放段的文丘里混合器对回流区的形成有促进作用，在此基础上研究了空气旋流器和CH4燃料旋流器不同旋流方向的配置对喷射性能的影响，发现旋流方向对混合效果的影响差别不大。曾青华与Ren得出不同结论可能是由于所研究的燃料的不同引起的。

使用多个较小的喷射器/旋流器组件可以实现燃料空气快速的均匀混合，并产生多个小的燃烧区域，在高温区的停留时间短，大大降低了NOx的生成[29]。LDI喷嘴具有总体尺寸小、旋流器通流面积大和快速混合的能力强等特征。将多个较小LDI喷嘴与文丘里管结合使用有两种方案：一种是文丘里多点喷射LDI混合器，另一种是文丘里多旋流LDI混合器。

●2.2.1 文丘里旋流式多点喷射LDI混合器

Li等[30]为了研究H2/空气混合的文丘里多点贫燃直喷（LDI）燃烧器的燃烧特性，设计了两种旋流器布置方式，图9为文丘里旋流式2×2阵列LDI混合器，即同向旋流阵列和反向旋流阵列，同向旋流阵列的所有旋流器处于相同的旋转方向，反向旋转阵列的相邻旋流器的旋转方向相反。在不同当量比状况下，同向阵列和反向阵列的旋流器中心线存在略微不对称的流动，在燃烧室的两个侧壁附近产生两个不对称的回流区，且回流区的形状、位置和长度随当量比的变化变化。四个阵列的旋流器之间有四个相互作用的涡流，燃气与空气混合均匀实现了稳定燃烧，进而降低了NOx的生成。图10为文丘里多点贫燃旋流直喷喷嘴的不同模型。Hicks等[31]以NASA文丘里单元LDI喷嘴为基础，研究了3×3阵列的9点文丘里旋流式LDI燃烧器和7点文丘里旋流式LDI燃烧器，发现3×3阵列中能够产生较强的中心回流区，而7点文丘里旋流混合器中由于单元喷嘴的间距较近而没有产生中心回流区。对以上分析可知，对于文丘里多点喷射LDI混合器，单元喷嘴的数目和间距对燃料/空气的混合有一定的影响。

图9 4点贫燃直喷燃烧器的同向和逆向旋流器示意图[30]

图10 文丘里多点贫燃旋流直喷喷嘴[31]

●2.2.2 文丘里多旋流LDI混合器

图11为美国goodrich aerospace公司、GEAE公司等联合制造的TARS（Triple Annular Research Swirler）燃烧室[32]。燃烧室的头部设置了三组同轴心的空气旋流器，通过内部旋流器的气流速率大约是总气流速率的10%，通过中间旋流器的气流速率大约是总气流速率的30%，旋流器的旋向显著影响了中心流动区域的速度分布，其中反向旋转的涡旋数比同向旋转要小得多，这是因为中间旋流器的通道中反向旋转的大量空气减少了中心旋流器种的涡流强度，并降低中央回流区的尺寸和强度。不同的旋流器产生的旋流流场加强了燃料/空气的混合改变温度场和停留时间，从而降低热力性NOx的生成。

图11 TARS文丘里多旋流LDI喷嘴[32]

3 发展趋势及展望

文丘里混合器中各个组件对燃料/空气的混合特性有着不同的影响，其中任何一个结构参数发生变化都可能影响其他结构参数的最优值。根据燃料的不同，选取合适的文丘里混合器一方面可以提升燃烧器燃烧效率，另一方面降低NOx的排放。

本文主要针对燃料和空气文丘里混合器的研究现状进行了综述，并对未来的发展趋势做出以下归纳：

1）文丘里混合器由于结构简单，混合效果好的特点将受到越来越多的重视。

2）利用旋流器增强进气扰动提高燃料与空气的混合均匀程度，有利于提高燃烧效率，避免局部温度过高，降低NOx的排放。

3）将废气与空气在文丘里管内混合，可以减慢燃烧的反应速度，降低燃烧温度，降低NOx的排放。废气再循环技术依然是今后的研究重点。

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