燃气炉燃烧器流场仿真分析_郝振东.pdf

MECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期机械工程师燃气炉燃烧器流场仿真分析郝振东（特灵科技亚太研发中心，江苏 太仓 215400）0引言喷射式燃烧器通常应用在燃气炉领域，通常为文丘里管型式，也被称为引射器，其结构设计优劣直接影响燃气与空气的混合程度，进而影响燃烧效率1。根据燃气压力不同，又被分为高压引射器（大于2000 Pa）、低压引射器（小于2000 Pa），本文燃气炉供气压力小于2000 Pa。出口处的炉头由金属粉末压铸而成，起到稳定火焰并防止火焰回流的作用。正常使用中，燃气经由燃烧器入口进入，利用高速燃气的喷射作用，在入口处形成负压区，卷吸低压空气进入喷嘴，该卷吸空气被称为一次空气，一次空气与燃气充分混合流出燃烧器后，二次空气被卷吸，在炉头表面稳定充分燃烧。这种燃烧属于部分预混燃烧，燃烧过程受混合过程控制。不同结构的燃烧器，燃气与空气的混合程度存在差异，并影响燃烧速度及燃烧效率2-3。本文主要研究燃烧器的引射性能以及两种具有不同炉头结构的燃烧器燃气扩散性能的差异。该炉头由3部分组成，中心为大圆孔，径向圆周均匀分布8个小圆孔，最外侧均匀分布16个狭窄扁孔。炉头差异在于外侧的狭窄扁孔中是否有阶跃凸台结构。1燃烧器的数值模拟分析1.1燃烧器建模与网格划分燃烧器由收缩段、混合段、扩压段和炉头等4部分组成，尺寸规格为68.58 mm114.3 mm30.02 mm，结构型式如图1所示。燃气喷口为圆形，直径为10.16 mm，位于入口中心。炉头如图2所示，分为2种类型：1）炉头1外缘出口带凸台；2）炉头2外缘出口不带凸台。本文讨论对象为家用燃气炉用到的燃气燃烧器，头部固定燃气喷嘴，底部安装炉头，壳体为文丘里管样式。使用三维设计软件Creo创建几何模型，使用IECM对模型进行前处理，在ICEM中删除多余的几何，提取流体域。为了研究燃气流出燃烧器后的流场情况，在燃烧器出口创建外场。为了简化分析，不考虑燃气喷嘴的结构型式；由于该模型为轴对称模型，故仅对1/8模型进行分析，缩短计算时间。网格划分采用四面体网格，对燃烧器入口/出口进行局部网格 加 密，同时在燃烧器壁面与炉头表 面 创 建 3层边界层网格，网格创建完成后，模型网格数量达到25万，并对网格质量优化。1.2流场仿真计算模型与边界条件参数设置由于本文主要对燃烧器流场进行分析，燃气喷射压力不超过2000 Pa，马赫数比较低，因此将燃气介质视为摘要：运用Fluent软件，对燃烧器引射性能及两种不同炉头的燃烧器流场进行数值模拟分析，通过分析速度场、压力场、甲烷浓度分布，研究燃气在燃烧器作用下的流动情况，为优化燃气燃烧、改善运行能力奠定基础。关键词：燃烧器；数值模拟；流场分析；引射系数中图分类号:TK 223.23文献标志码:A文章编号：10022333（2023）08007903Flow Field Simulation Analysis of Gas Furnace BurnersHAO Zhendong(Trane TechnologyAsia Pacific R&DCenter,Taicang215400,China)Abstract:This paper uses Fluent software to conduct numerical simulation analysis of the burner induction performanceand the burner flow field of two different furnace heads.The flow of gas under the action of the burner is studied byanalyzing the velocity field,pressure field and methane concentration distribution.The results provide a basis foroptimizing gas combustion and improving operating capacity.Keywords:burner;numerical simulation;flow field analysis;induction coefficient图1燃气燃烧器（a）轴测图（b）侧视图燃气喷嘴固定位置燃烧器壳体炉头一次风二次风收缩段混合段扩压段图2炉头（a）炉头1（具有凸台结构）（b）炉头2（不具有凸台结构）79MECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址： 电邮：机械工程师表1引射系数比较不可压缩的理想状态，其组成仅包含甲烷。流体流动过程中，不考虑传热与化学反应。本文 采 用SIMPLE压力速度耦合的二阶迎风差分格式的 动 量 方 程，realizable k-epsilon双方程湍流模型能够有效地处理射流问题，并采用组分输运方程模拟甲烷扩散4-5。在实际工作过程中，燃气阀控制甲烷气体的喷出压力，忽略燃气阀到燃气喷嘴之间的压力损失，该燃气炉燃气喷射压力为821Pa，对燃烧器以及不同结构炉头的流场对比分析。燃气喷嘴入口设置为压力入口，甲烷质量分数为1，燃烧器入口设置为压力入口，氧气质量分数为0.23，外场入口设置为压力入口，外场出口设置为压力出口，压力为0 Pa。2基于稳态流场仿真的结果分析使用Fluent软件对燃烧器在一定燃气喷射压力状态下进行稳态数值分析，分析燃烧器的引射性能以及不同结构炉头的甲烷扩散速度、浓度变化情况。2.1燃烧器引射性能引射系数是表征引射器引射特性的重要参数，本文用质量流量引射系数来探究引射器的引射特性，其定义为被引射低压流体质量流量与引射高压流体质量流量的比值：u=qa/qg。（1）式中：qa为被引射低压流体质量流量，kg/s；qg为引射高压流体质量流量，kg/s；u为质量流量引射系数。结果表明，该燃烧器不安装炉头时引射器引射系数约为2.09，出口位置安装炉头后，出口阻力增大，导致引射器扩压段后的背压增大，降低了引射系数6。由于炉头1前端的通流面积小于炉头2，增加了流动阻力，导致引射系数最低。2.2甲烷质量分数分析燃烧器出口位置甲烷质量分数如图4所示，燃烧器不安装炉头时，甲烷浓度分布最不均匀，轴线位置浓度是最外侧的2倍；安装炉头2时，有微小的浓度差；安装炉头1，可以充分混合空气与甲烷，效果最佳。2.3速度场分析3个模型外流场核心速度大小与射流范围如图5所示。甲烷气体从燃烧器出口流出后，带动外场空气流动与混合，发生能量、动能交换7。甲烷气体的一部分动能转换为空气动能，甲烷气体流速降低，甲烷与空气实现进一步混合,图5示意了出口处甲烷气体速度梯度减小。由图5可知，燃气最高速度出现在燃烧器喉口位置；燃气在燃烧器内部流动时，速度逐渐降低，由于安装炉头，燃气流经炉头速度升高，流出燃烧器后速度又逐渐降低，增大燃气流出速度，有效降低了回火风险。由图6可知，安装炉头使得燃烧器出口的燃气速度分布更均匀；炉头1中心最高速度为15.3 m/s，炉头2中心最高速度为16.1 m/s，安装炉头1使得燃烧器出口中心位置燃气速度最小；炉头1外侧窄孔中的燃气流速（7.8m/s）比炉头2外侧窄孔中燃气流速（11.6 m/s）更小。燃气流出燃烧器后，会卷吸二次空气与燃气混合，由于炉头1窄孔流出的燃气速度最小，所以能够实现二次空气与射流核心燃气的充分混合，有助于提高燃烧效率。2.4压力场分析燃气以一定的压力从燃烧器入口进入，压力迅速下图31/8 模型网格划分（a）1/8模型（b）1/8模型网格划分外场模型喷射压力/Pa燃气质量流量/（kg s-1）空气质量流量/（kg s-1）引射系数燃烧器8210.000 5930.001 2402.09燃烧器及炉头18210.000 5120.000 4400.80燃烧器及炉头28210.000 5240.000 4570.87图4距燃烧器出口3 mm位置甲烷质量分数云图（a）燃烧器(无炉头)（b）燃烧器及炉头1（c）燃烧器及炉头2（a）燃烧器（无炉头）（b）燃烧器及炉头1（c）燃烧器及炉头2图5对称面速度云图80MECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期机械工程师（上接第78页）2王金虎,刘畅,张建军.预制菜开启餐饮消费新模式J.中国食品工业,2022(8):51-52.3王娟,高群玉,娄文勇.我国预制菜行业的发展现状及趋势J.现代食品科技,2023,39(2):99-103.4刘雅宁,张莹,袁波,等.不同淀粉浆配方对小酥肉产品的影响研究J.肉类工业,2021(8):42-47.5ARUDE V,DESHMUKH S P,PATIL P G,et al.Application ofRSM to Optimise Single Locking Cotton Feeder for EnhancingGinning Efficiency of Double Roller GinJ.Indian Journal ofFibre and Textile Research,2019,44(1):16-23.6王东文.一种链条驱动橡胶传送带卸货的特殊结构半挂车技术研究J.专用汽车,2021(11):54-57.7王振国,刘勇,吴泉兰.链板输送带自动清洁进给装置J.轻工科技,2019,35(2):60-61.8Anon.Martin Engineering Debuts Automated Conveyor BeltCleanerJ.Rock Products,2021,124(4):36.9张学勇,金晓龙,王增利.链板输送机挡料板优化设计J.工程机械,2021,52(5):30-32.10沈永松.链板-链条输送机的设计及推广应用J.轻工机械,2006(1):129-131.11ZENG F,YAN C,WU Q,et al.Dynamic Behaviour of a ConveyorBelt Considering Non-Uniform Bulk Material Distribution forSpeed ControlJ.Applied Sciences,2020,10(13).（编辑邵