楊培凱，莊智勇，陳偉博

（1.廣東江聯(lián)能源環(huán)保有限公司，廣東廣州510640；2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640）

旋流燃燒器空氣流場(chǎng)特性CFD數(shù)值模擬*

楊培凱1，莊智勇1，陳偉博2

（1.廣東江聯(lián)能源環(huán)保有限公司，廣東廣州510640；2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640）

一二次風(fēng)配風(fēng)比及其流動(dòng)特性決定燃燒過程氧氣供應(yīng)，對(duì)旋流燃燒器燃燒質(zhì)量有著決定性的影響。旋流燃燒器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、各部件布局、二次風(fēng)門開度都會(huì)影響一二次風(fēng)配風(fēng)比及其流動(dòng)特性。CFD技術(shù)因成本低、周期短，能直觀全面了解流場(chǎng)分布情況而在燃燒流動(dòng)領(lǐng)域研究被廣泛應(yīng)用，故采用Fluent對(duì)燃燒器空氣流場(chǎng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬和分析，研究不同二次風(fēng)門開度下旋流燃燒器空氣流場(chǎng)特性。結(jié)果表明，壓力最大區(qū)域主要分布在空氣入口處到二次風(fēng)門間、一次風(fēng)管入口附近區(qū)域，隨二次風(fēng)門開度增大二次風(fēng)門內(nèi)部空氣流速逐漸增大，整體平均空氣壓力、空氣旋流強(qiáng)度、旋轉(zhuǎn)氣流存在區(qū)域不斷減小，負(fù)壓區(qū)存在于旋流器前端到燃燒器空氣出口之間區(qū)域，維持火焰穩(wěn)定，對(duì)燃燒器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用起到重要指導(dǎo)作用。

旋流燃燒器；空氣流場(chǎng)；CFD；湍流；數(shù)值模擬

DOI：10.3969/j.issn.1009-9492.2015.01.006

0　引言

將燃料與空氣混合物以不同方式噴射燃燒裝置稱為燃燒器（Burner），作為核心部件廣泛應(yīng)用在鍋爐、冶煉爐、熔爐、熱處理等相關(guān)行業(yè)中。其作為整個(gè)加熱裝置的核心，控制著被控對(duì)象的功率、溫度分布、熱效率及使用壽命［1-9］。燃燒器在工作過程中，燃料的燃燒完全和整個(gè)反應(yīng)過程的快慢對(duì)燃燒器燃燒質(zhì)量有著決定性的影響，而以上這兩點(diǎn)取決于燃燒過程中氧氣供應(yīng)情況［10］。氧氣供應(yīng)不足或不理想，可能是由于總進(jìn)風(fēng)量不足或者一二次風(fēng)分配不佳［11］。在總風(fēng)量一定的情況下，一二次風(fēng)配比及其流動(dòng)特性對(duì)火焰溫度、速度和污染物生成等有顯著影響。旋流燃燒器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、各部件布局、二次風(fēng)門開度直接影響二次風(fēng)配比及其流動(dòng)特性。本文以旋流燃燒器為例，應(yīng)用CFD數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)旋流燃燒器空氣流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，探討不同二次風(fēng)門開度下燃燒器一二次風(fēng)配比和空氣流動(dòng)特性，以期對(duì)燃燒器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和燃燒質(zhì)量?jī)?yōu)化起到一定參考作用。

1　建模與網(wǎng)格劃分

物理模型采用旋流燃燒器實(shí)際設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，內(nèi)置二次風(fēng)門機(jī)構(gòu)，采用SolidWorks 2012軟件建立整個(gè)燃燒器空氣流動(dòng)計(jì)算流域，結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。進(jìn)風(fēng)口為a=400 mm，b=711 mm的矩形，燃燒器噴嘴為直徑340 mm的圓形。研究選取二次風(fēng)門機(jī)構(gòu)開度分別為15°、30°、45°建立相應(yīng)空氣計(jì)算流域模型。

圖1　旋流燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖

在ICEM—CFD軟件上進(jìn)行對(duì)所建模型網(wǎng)格剖分，將所設(shè)計(jì)燃燒器空氣計(jì)算流域模型保存為STEP文件直接導(dǎo)入ICEM中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于空氣計(jì)算流域模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各部位存在較大尺寸差距，故利用四面體網(wǎng)格靈活、適應(yīng)性強(qiáng)特性，將整個(gè)計(jì)算流域剖分為四面體網(wǎng)格系統(tǒng)，三種不同二次風(fēng)門開度模型的網(wǎng)絡(luò)劃分單元數(shù)如表1所示，生成網(wǎng)格系統(tǒng)如圖2所示。

表1　R預(yù)熱式燃燒器網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)目

2　邊界條件及求解設(shè)置

旋流燃燒器空氣入口邊界條件選擇入口速度邊界，根據(jù)實(shí)際工況計(jì)算空氣入口速度邊界條件。由旋流燃燒器額定功率和燃料熱值計(jì)算燃燒器額定工作時(shí)實(shí)際單位時(shí)間內(nèi)所需空氣量為V0= 2.886 6 m3/s，根據(jù)矩形進(jìn)風(fēng)口幾何尺寸，求得空氣量進(jìn)口面積S=0.295 776 m2，則空氣入口速度為：

其等效水力直徑為：

圖2　旋流燃燒器網(wǎng)格劃分圖

設(shè)空氣運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)υ=14.8×10-6m2/s，則雷諾數(shù)為：

湍流強(qiáng)度為：

旋流燃燒器空氣出口處邊界條件選擇出口壓力邊界，依照實(shí)際工作要求，設(shè)置為大氣壓力。

設(shè)置收斂標(biāo)準(zhǔn)為平均殘差小于10-4，并且當(dāng)進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口幾個(gè)預(yù)設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度、壓力都趨于穩(wěn)定，可認(rèn)為收斂并停止求解。

3　數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1不同二次風(fēng)門開度燃燒器空氣壓力流場(chǎng)分析

圖3為旋流燃燒器在X=0與Z=182截面下不同二次風(fēng)門開度空氣流場(chǎng)壓力分布圖。其中，圖3（a）、圖3（c）、圖3（e）表明在X=0截面處旋流燃燒器整體壓力最大區(qū)域主要分布在空氣入口處到二次風(fēng)門間、一次風(fēng)管入口附近區(qū)域，壓力值分布較均勻；空氣進(jìn)入二次風(fēng)門和一次風(fēng)管后，壓力值逐漸減小，壓力分布出現(xiàn)急劇變化，空氣壓力變化幅度一次風(fēng)管內(nèi)部大于二次風(fēng)門內(nèi)部。3個(gè)不同二次風(fēng)門開度空氣流場(chǎng)比較結(jié)果表明二次風(fēng)門內(nèi)、外部空氣壓力都隨二次風(fēng)門開度增大逐漸減小，其減小趨勢(shì)呈非均勻狀態(tài)，外部壓力減小值略大于內(nèi)部壓力減小值；一次風(fēng)管內(nèi)壓力值隨二次風(fēng)門開度增大減小，二次風(fēng)門和一次風(fēng)管內(nèi)部空氣壓力幅值也隨二次風(fēng)門開度增大減小。圖3（b）、圖3（d）、圖3（f）表明在Z=182截面處二次風(fēng)門內(nèi)外的壓力差、二次風(fēng)門入口處至中心處橫向壓力差都隨著二次風(fēng)門開度增大不斷減小。二次風(fēng)門內(nèi)外壓力差值在二次風(fēng)門開度為15°時(shí)最大，達(dá)到3 000 Pa，風(fēng)門內(nèi)部壓力降低狀況最明顯，從4 000 Pa降至530 Pa；，二次風(fēng)門內(nèi)外壓力差值在二次風(fēng)門開度為30°時(shí)較15°稍小，約為900 Pa，風(fēng)門內(nèi)部空氣壓力從2 040 Pa降至約1 140 Pa，變化幅度相對(duì)較??；二次風(fēng)門內(nèi)外壓力差值在二次風(fēng)門開度為45°時(shí)為500 Pa以下，風(fēng)門內(nèi)部空氣壓力在1 930 Pa到1 440 Pa之間變化，無明顯壓力下降現(xiàn)象。

圖3　不同二次風(fēng)門開度空氣流動(dòng)特性壓力云圖

圖4　二次風(fēng)門不同開度下空氣流動(dòng)特性速度圖

圖5　不同二次風(fēng)門開度燃燒器空氣流動(dòng)負(fù)壓區(qū)數(shù)值模擬結(jié)果

表2　R不同二次風(fēng)門開度燃燒器空氣流動(dòng)特性數(shù)值模擬結(jié)果

3.2不同二次風(fēng)門開度燃燒器空氣速度流場(chǎng)分析

圖4為旋流燃燒器不同二次風(fēng)門開度下空氣流場(chǎng)速度、速度矢量數(shù)值模擬結(jié)果。圖3-4（a）、圖4（c）、圖4（e）為X=0截面空氣速度分布圖，表明從總體上來說，二次風(fēng)門內(nèi)部空氣流速隨二次風(fēng)門開度增大逐漸增大，但開度不同空氣速度流場(chǎng)分布情況略有差異。二次風(fēng)門內(nèi)部靠近風(fēng)門入口處區(qū)域在風(fēng)門開度為15°時(shí)平均速度達(dá)78.1 m/s，為最高值，空氣流速從風(fēng)門入口處沿旋流器方向不斷下降，至一次風(fēng)管下游處約9.18 m/s，達(dá)最小值，經(jīng)過旋流器后速度略微上升；二次風(fēng)門內(nèi)部入口處空氣流速在風(fēng)門開度為30°時(shí)較低，從風(fēng)門入口處沿旋流器方向一段距離內(nèi)先上升，在二次風(fēng)門出口處為54.2 m/s，達(dá)流速最高值，后略下降，流經(jīng)旋流器后速度急劇上升；風(fēng)門開度為45°時(shí)燃燒器空氣速度流場(chǎng)分布情況與30°時(shí)類似，但二次風(fēng)門內(nèi)部平均流速最小，中心輸氣管中部區(qū)域流速達(dá)38.5 m/s，為速度最大值，流經(jīng)旋流器后速度上升幅值更大。

圖4（b）、圖4（d）、圖4（f）為Z=182截面空氣速度矢量圖，表明旋轉(zhuǎn)氣流存在于整個(gè)二次風(fēng)門內(nèi)部區(qū)域中，風(fēng)門開度為15°時(shí)旋流強(qiáng)度最強(qiáng)；二次風(fēng)門內(nèi)部空氣旋流強(qiáng)度隨著風(fēng)門開度增大不斷減小，旋轉(zhuǎn)氣流存在區(qū)域也逐漸縮小。

3.3不同二次風(fēng)門開度燃燒器空氣流場(chǎng)負(fù)壓區(qū)分析

圖5為不同二次風(fēng)門開度燃燒器空氣流場(chǎng)負(fù)壓區(qū)數(shù)值模擬結(jié)果，表明負(fù)壓區(qū)存在于旋流器前端到燃燒器空氣出口之間區(qū)域，燃料燃燒時(shí)負(fù)壓區(qū)能不斷卷吸已燃燒完全高溫?zé)煔猓c(diǎn)燃新鮮混合氣體，使火焰保持穩(wěn)定。負(fù)壓區(qū)形狀隨著二次風(fēng)門開度增大由細(xì)長(zhǎng)逐漸變得粗大，最低壓力絕對(duì)值不斷上升（參照表2），卷吸氣流速度不斷減?。?5°約為27.8 m/s、30°約為19.8 m/s、45°約為16.9 m/s），表明維持火焰穩(wěn)定能力不斷減弱。

表2為不同二次風(fēng)門開度燃燒器空氣流動(dòng)特性主要參數(shù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，表明隨二次風(fēng)門開度增大，大部分參數(shù)減小，但負(fù)壓區(qū)最低壓力絕對(duì)值增大且出口風(fēng)量不變。

4　結(jié)論

本文使用前處理器ICEM+求解器FLUENT的組合方案對(duì)旋流燃燒器空氣流場(chǎng)情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論：

（1）壓力最大區(qū)域主要分布在空氣入口處到二次風(fēng)門間、一次風(fēng)管入口附近區(qū)域；

（2）隨二次風(fēng)門開度增大二次風(fēng)門內(nèi)部空氣流速逐漸增大，整體平均空氣壓力、空氣旋流強(qiáng)度、旋轉(zhuǎn)氣流存在區(qū)域不斷減??；

（3）負(fù)壓區(qū)存在于旋流器前端到燃燒器空氣出口之間區(qū)域，維持火焰穩(wěn)定。

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（編輯：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

*廣州市科信局企業(yè)孵化器資助類專項(xiàng)（編號(hào)：2013J4200015）；廣州市科信局創(chuàng)新基金項(xiàng)目（編號(hào)：2013J4400223）

2014-11-16

楊培凱，男，1962年生，廣東人，大學(xué)本科，高級(jí)能源管理師。研究領(lǐng)域：高效率節(jié)能環(huán)保能源設(shè)備。已發(fā)表論文1篇。