同濟大學熱能與環(huán)境工程研究所 鐘 芬 高乃平 魏敦崧

寧波方太廚具有限公司 劉曉剛 徐德明

0 概述

低壓引射式大氣燃燒器由于其依靠燃氣的高速射流引射燃燒所需的空氣，不需要動力設(shè)備，成為應用最廣泛的家用燃燒器之一；大氣式低壓濃淡燃燒器不僅具有普通低壓燃燒器的優(yōu)點，同時兼具低NOx排放、高效清潔等優(yōu)點，因此得到了一定的研究與使用；引射器作為家用燃燒器引射一次空氣的關(guān)鍵部件，其利用射流的紊動擴散作用使不同壓力的兩股流體相互混合，引發(fā)能量與動量交換，其引射能力直接影響燃燒器的燃燒效率、污染物的排放等，因此成為家用燃燒器的研究重點之一。

計算流體力學(Computational Fluid Dynamic，簡稱CFD)利用計算機技術(shù)進行燃燒模擬設(shè)計，具有較優(yōu)的數(shù)值模擬性能，獲得了廣泛應用。

張喜來等通過實驗對煤粉引射器的引射系數(shù)等進行了測試，同時也應用CFD技術(shù)模擬了其引射系數(shù)及內(nèi)部氣流狀況，結(jié)果顯示CFD模擬結(jié)果與實驗測試結(jié)果較吻合。

倪娟娟等應用數(shù)值模擬分析了引射器內(nèi)的氣流場分布，同時通過實驗測量了其一次空氣系數(shù)與質(zhì)量引射系數(shù)，結(jié)果表明設(shè)計的該引射器內(nèi)混合氣體已均勻混合，若在結(jié)構(gòu)緊湊的燃燒器具中，可縮短引射器的長度。

方媛媛等從實驗和數(shù)值模擬兩個方面對引射器噴嘴位置的引射系數(shù)的影響進行了研究，結(jié)果表明實驗與數(shù)值模擬兩種方法獲得的一次空氣引射系數(shù)較接近，且噴嘴在引射器對稱軸上的一次空氣系數(shù)最大。

本研究采用CFD數(shù)值模擬方法，對一款家用濃淡燃燒器灶具的4組不同的2型低壓引射器進行了設(shè)計與分析，對比了不同工況下的引射器質(zhì)量引射系數(shù)和一次空氣系數(shù)及其引射性能的主要影響因素。本研究中2型引射器各尺寸間的關(guān)系如圖1。

圖1 2型引射器尺寸關(guān)系

1 濃淡燃燒器工作原理及引射器工況設(shè)計

1.1 濃淡燃燒器的工作原理

濃淡燃燒是指使燃料以不同的比例和空氣混合，一部分燃料在空氣系數(shù)大于l的條件下燃燒，另一部分燃料則在空氣系數(shù)小于l的條件下燃燒(總空氣系數(shù)在合理范圍內(nèi))，實現(xiàn)燃料濃淡分道的燃燒方式。濃淡燃燒器的濃淡燃燒火孔一般交叉排布，研究表明，合適的濃淡燃燒配比能有效地降低NOx的排放，實現(xiàn)高效、清潔環(huán)保的燃燒。

1.2 引射器工況設(shè)計

本研究中的大氣式濃淡燃燒器采用20Y液化石油氣為氣源，按《城市燃氣分類和基本特性》(GB 13611―2006)中規(guī)定的20Y基準氣成分計算，其體積組分75%丙烷、25%丁烷，低熱值為95.12 MJ/m3，相對密度1.682(15℃，101.325 kPa，干)。其引射器有4組設(shè)計，標號分別為Ejector1、Ejector2、Ejector3和Ejector4，分別代表外圈濃火孔引射器、外圈淡火孔引射器、內(nèi)圈淡火孔引射器和內(nèi)圈濃火孔引射器。該濃淡燃燒器的引射器噴嘴尺寸、噴嘴負荷、設(shè)計一次空氣系數(shù)如表1所示。

表1 各組引射器設(shè)計參數(shù)

引射器出口靜壓由設(shè)計工況下燃燒器頭部所需靜壓確定。燃燒器頭部靜壓可由下式計算獲得:

式中:h——燃燒器頭部靜壓值，Pa；

K1——燃燒器頭部的能量損失系數(shù)；

υp——火孔混合氣體出口速度，m/s；

ρomix——出口混合氣體的密度，kg/m3；

式(2)中:ζp——火孔阻力系數(shù)；

t——火孔出口處燃氣溫度，一般為100～150 ℃，此處取100 ℃；

式中:μp——火孔流量系數(shù)，取0.8。

代入式(2)中各量數(shù)值，可計算得到K1=2.153。

根據(jù)公式(1)計算得到各引射器對應的燃燒器頭部靜壓值，燃燒器頭部各引射器對應的參數(shù)及靜壓值如表2所示。

表2 燃燒器頭部靜壓計算表

各組引射器的計算工況如表3所示，其中噴嘴距離表示的是噴嘴距引射器入口斷面的距離，負號表示噴嘴伸入引射器入口斷面的距離，下文提到的噴嘴距離均與此相同。本研究中共計算了18個工況的引射器引射情況。

表3 各組引射器計算工況

2 引射器模型建立與數(shù)值模擬

2.1 模型建立

引射器和噴嘴模型均為軸對稱，因此本研究取四分之一對稱模型進行模擬計算，以減少總網(wǎng)格數(shù)量，提高計算精度?？諝馊肟谌≈睆綖橐淦魅肟谥睆降?.5倍，長度為10 mm的圓柱面。Ejector1喉部直徑為6.8 mm，噴嘴直徑為0.39 mm，噴嘴距離為5 mm的模型如圖2所示。

圖2 Ejector1喉部直徑為6.8 mm的引射器模型

各引射器模型的編號及對應尺寸如圖3和表4所示。

圖3 引射器尺寸編號

表4 各組引射器尺寸 單位:mm

2.2 網(wǎng)格劃分

采用GAMBIT 對模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的類型分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格計算速度和收斂性好，但要求模型較規(guī)則。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模型適應性好，網(wǎng)格劃分方便，但計算速度和收斂性不如結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。綜合考慮，對模型進行分塊，采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方式。對噴嘴、喉部截面等小截面、參數(shù)變化較劇烈的面進行加密處理，使計算結(jié)果更為精確。根據(jù)模型尺寸不同，劃分的網(wǎng)格數(shù)量從30萬到100萬，見圖4。

圖4 引射器整體網(wǎng)格和噴嘴入口處加密網(wǎng)格

2.3 模型及邊界條件設(shè)置

本研究采用了Standard k-e湍流模型，Species Transport組分傳輸模型。密度和壓力的耦合求解采用SIMPLE算法，連續(xù)性方程、動量方程、組分傳輸方程的離散均采用二階迎風格式。

各引射器邊界條件設(shè)置如下表5所示，各引射器的噴嘴燃氣入口均采用速度入口，空氣入口采用壓力入口形式，燃氣與空氣的溫度均為293K，燃氣體積組分為75%的丙烷與25%的丁烷，空氣體積組分為21%的氧氣與79%的氮氣，引射器出口采用壓力出口形式。

表5 各引射器邊界條件設(shè)置

3 計算結(jié)果與分析

本研究選取喉部直徑為8 mm、噴嘴距離為0 mm工況下的Ejector1引射器進行了理論計算與數(shù)值模擬的比較。

3.1 理論計算結(jié)果

Ejector1引射器喉部直徑為8 mm時，燃燒器系數(shù)參照《燃氣燃燒與應用》(第3版)中介紹的公式進行計算:

式中:C——燃燒器系數(shù)，與燃燒器的幾何尺寸及阻力特性有關(guān)，與噴嘴的出口面積無關(guān)；

Ft——引射器喉部面積，mm2；

K——引射器能量損失系數(shù)，對于2型引射器，K=2.1；

K1——燃燒器頭部能量損失系數(shù)，根據(jù)前面計算取2.153；

F1——燃燒器常數(shù)，引射器喉部面積與火孔面積之比。

式中:Lg——燃氣體積流量，m3/s；

u——引射器的質(zhì)量引射系數(shù)；

s——燃氣的相對密度；

H——噴嘴前的燃氣壓力，Pa，采用數(shù)值計算得到的結(jié)果1 890 Pa。

將引射器Ejector1，喉部直徑為8 mm對應的燃燒器的相關(guān)參數(shù)代入公式(4)和公式(5)，可計算得到引射器的質(zhì)量引射系數(shù)為10.86。

3.2 數(shù)值模擬計算結(jié)果

引射器Ejector1喉部直徑8 mm，噴嘴距離為0 mm，引射器出口壓力為4.21 Pa，數(shù)值模擬計算得到的對稱面的速度場、壓力場和丙烷濃度場分別如圖5、圖6和圖7所示。

由圖5和圖6可發(fā)現(xiàn)燃氣由噴嘴以高速噴出，在一次空氣引射孔周圍形成負壓，從而從周圍環(huán)境中引射一定的一次空氣量，燃氣與空氣在引射管內(nèi)充分混合，進行能量和動量交換，燃氣速度迅速降低，最后以較穩(wěn)定速度進入燃燒器頭部。由圖7可發(fā)現(xiàn)燃氣與空氣充分混合后，混合氣中丙烷的體積分數(shù)約0.065。

圖5 引射器中心截面速度分布(m/s)

圖6 引射器中心截面壓力分布(Pa)

圖7 引射器中心截面丙烷體積濃度分布

引射器Ejector1中軸線上的靜壓分布和速度分布分別如圖8和圖9所示。

圖8 引射器中軸線上的靜壓力分布

圖9 引射器中軸線上的速度分布

圖8 和圖9中的吸氣收縮段(-0.02～0 m)，高速燃氣與空氣進行動量交換，將空氣引射進入引射器內(nèi)，使得中心線上壓力迅速降低，氣體速度也迅速降低；擴壓管段(0～0.028 m)，混合氣體動壓轉(zhuǎn)化為靜壓，壓力逐漸升高，速度降低。計算得到的中軸線上的壓力分布圖和速度分布圖與《燃氣燃燒與應用》中介紹的常壓吸氣低壓引射器的工作原理圖中的壓力分布和速度分布吻合。引射器Ejector1的數(shù)值模擬計算結(jié)果如表6所示。

與理論計算結(jié)果進行比較，質(zhì)量引射系數(shù)理論計算值和數(shù)值模擬計算值相差4.23%，在允許的誤差范圍內(nèi)，說明了數(shù)值模擬計算方法的可信度。

表6 數(shù)值模擬計算結(jié)果

3.3 各引射器不同工況的計算結(jié)果

4組引射器不同工況下的數(shù)值模擬計算結(jié)果如表7所示。

表7 各引射器不同工況數(shù)值模擬計算結(jié)果

從各引射器的計算結(jié)果可以看出，引射器出口壓力與噴嘴距離對引射器的引射系數(shù)具有較大的影響。由喉部直徑為6.8 mm、噴嘴距離為5 mm的Ejector1計算結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，引射器的引射系數(shù)隨出口壓力的增大而減小，其中對比3 Pa、4.21 Pa、5 Pa三種工況，出口壓力為3 Pa的質(zhì)量引射系數(shù)比出口壓力5 Pa下的大27%；同時，對比喉部直徑8 mm，出口壓力為4.21 Pa的Ejector1在不同噴嘴距離的三種工況的引射系數(shù)變化，噴嘴距離-4.8 mm時的質(zhì)量引射系數(shù)比5 mm時的大37%。由以上數(shù)據(jù)得到，當引射器喉部直徑為8 mm，噴嘴距離為-4.8 mm時，一次空氣系數(shù)能為0.771，略小于設(shè)計值0.78。根據(jù)該尺寸下一次空氣系數(shù)和噴嘴距離的關(guān)系，喉部直徑為8 mm時，通過調(diào)節(jié)噴嘴距離可以滿足一次空氣系數(shù)設(shè)計值0.78。

引射器Ejector2的設(shè)計一次空氣系數(shù)為1.2，其喉部直徑為12 mm，噴嘴距離為5 mm時計算得到的一次空氣系數(shù)為1.331，大于設(shè)計值；喉部直徑為10 mm，噴嘴距離為0 mm時計算得到的一次空氣系數(shù)為1.088，小于設(shè)計值；綜合考慮，采用喉部直徑為11 mm的引射器可滿足設(shè)計要求。引射器Ejector3設(shè)計一次空氣系數(shù)為1.2，喉部直徑10 mm，噴嘴距離為0 mm時，一次空氣系數(shù)為1.239，大于設(shè)計值；當喉部直徑8.68 mm，噴嘴距離-5.208 mm時，一次空氣系數(shù)為1.213，稍大于設(shè)計值，通過調(diào)節(jié)噴嘴距離可滿足設(shè)計要求。

引射器Ejector4的設(shè)計一次空氣系數(shù)為0.78，引射器喉部直徑為6.2 mm，噴嘴距離為5 mm與-3.72 mm時，引射器的一次空氣系數(shù)均小于設(shè)計值；引射器喉部直徑為7.5 mm條件下，噴嘴距離為-4.5 mm時的一次空氣系數(shù)為0.802，略大于設(shè)計值；綜合考慮，采用喉部直徑為7.5 mm的引射器可滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)語

本文對一款家用濃淡燃燒灶具4組不同的2型低壓引射器進行了設(shè)計與數(shù)值模擬，對比了不同工況下引射器的質(zhì)量引射系數(shù)和一次空氣系數(shù)，分析了引射器引射性能的主要影響因素，得到如下結(jié)論:

(1)引射器引射性能的主要影響因素包括:引射器喉部直徑、引射器出口壓力及噴嘴距離等。

(2)引射器的一次空氣引射系數(shù)隨著引射器出口壓力的減小而增大，噴嘴距離與引射系數(shù)的關(guān)系并不是簡單的線性關(guān)系，而與噴嘴直徑和引射器喉部直徑的相對大小有關(guān)。

(3)對于外圈與內(nèi)圈的濃火孔引射器Ejector1與Ejector4，設(shè)計的一次空氣系數(shù)均為0.78，其分別采用喉部直徑為8 mm與7.5 mm的引射器可滿足設(shè)計要求；對于外圈與內(nèi)圈淡火孔引射器Ejector2和Ejector3，設(shè)計的一次空氣系數(shù)均為1.2，分別采用喉部直徑為11 mm與8.68 mm的引射器可滿足設(shè)計要求。