吳長江 劉興宇

（貴州建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 清鎮(zhèn) 551400）

燃燒室是設(shè)備熱動力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，它的工作過程包括流體流動、傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)以及它們之間相互作用的復(fù)雜物理化學(xué)變化。由于圓柱形燃燒室?guī)缀涡螤顝?fù)雜，影響性能的參數(shù)很多，所以如果采用實驗方法研究，需要多個實驗?zāi)Ｐ?，成本高，且研究周期比較長。采用數(shù)值模擬的方法可以很好的克服這一缺點。本文通過FLUNT14.0對圓柱形燃燒器進(jìn)行了直接數(shù)值模擬研究，為燃燒器的性能優(yōu)化提供了一定的參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

將上面模型簡化為二維物理模型，我們可以將燃燒室的模型進(jìn)行簡化，某圓柱形燃燒室出口截面的結(jié)構(gòu)如圖1所示，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈴娜紵伊鞒龊笤趫D1標(biāo)號為①的位置進(jìn)入圖中漏斗狀結(jié)構(gòu)，最終從②流出。冷卻水從標(biāo)號為⑤的位置進(jìn)入“水套”結(jié)構(gòu)，由⑥流出。常溫空氣從標(biāo)號為③的位置進(jìn)入空氣流道，分別與高溫?zé)煔夂屠鋮s水發(fā)生熱交換，最終由④流出。

表1給出了該結(jié)構(gòu)的幾何尺寸，漏斗狀結(jié)構(gòu)（圖1中標(biāo)號為A的結(jié)構(gòu)）、水套（圖1中標(biāo)號為B的結(jié)構(gòu)）的壁厚均為5mm，材料為鋼，過程是穩(wěn)態(tài)的。給定的工況與流體物性參數(shù)見表2。

表1 燃燒器幾何尺寸

圖1 燃燒室出口結(jié)構(gòu)圖

①焰罩入口；②火焰罩出口；③空氣流道入口；A.火焰罩；④空氣流道出口；⑤水套入口；⑥水套出口；B.水套內(nèi)壁。

表2 物性參數(shù)

此外，考慮到流體的密度和黏度均與溫度密切相關(guān)，因此，本文首先擬合出水、空氣的密度和黏度與溫度的關(guān)系，擬合曲線及關(guān)系式如圖2、圖3、圖4、圖5所示。

1.2 數(shù)學(xué)模型

采用定常、層流、強(qiáng)制對流、無耗散模型，并假設(shè)煙氣和空氣工質(zhì)為理想氣體，不考慮輻射換熱，模型的控制方程如下［1］：

圖2 水的密度與溫度的關(guān)系

圖3 水的黏度與溫度的關(guān)系

圖4 空氣的密度與溫度的關(guān)系

圖5 空氣的黏度與溫度的關(guān)系

動量方程：

邊界條件如下［2］：

1.2.1 煙氣進(jìn)口：煙氣入口均采用質(zhì)量流量入口。

1.2.2 煙氣出口：出口截面上無回流，采用壓力邊界條件。

1.2.3 空氣出口、液態(tài)水出口、煙氣出口均采用壓力出口邊界條件。

1.2.4 固壁：u=v=0，T=TW=40℃；左側(cè)外壁面采用絕熱邊界條件，內(nèi)部壁面采用自動耦合邊界條件。

2 計算結(jié)果與討論

2.1 求解模型

質(zhì)量方程采用SIMPLE算法，動量和能量方程均采用二階迎風(fēng)差分格式，壓力、密度、體積力、動量、能量的松弛因子分別為0.3、1、1、0.8、1，連續(xù)性方程、X方向分速度、Y方向分速度的殘差控制為10-4，能量方程殘差控制為10-7，模型在FLUENT中耦合求解。計算結(jié)果收斂后根據(jù)溫度梯度、速度梯度加密網(wǎng)格，直至得到網(wǎng)格無關(guān)解［3］。

由于模型高度對稱，因此可以將三維模型簡化成二維平面模型，進(jìn)一步可簡化成左半部分平面模型，從而大大降低了計算量。本文模型基于商業(yè)軟件ICEM劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為58 920，壁面網(wǎng)格加密，劃分邊界層網(wǎng)格。

2.2 模擬結(jié)果

經(jīng)過fluent軟件數(shù)值模擬，得到了如圖6、圖7所示的全場溫度分布與速度分布。由全場的溫度場分布可知，水側(cè)溫度變化不大。這是因為水的入口溫度與空氣的入口溫度相差不大，且入口水的質(zhì)量是空氣質(zhì)量的71.43倍，再加上水的比熱容是空氣的4.15倍，從而導(dǎo)致全場水側(cè)的溫度變化不大。在靠近壁面的地方，空氣升溫明顯。在煙氣側(cè)，一部分煙氣從豎直部分進(jìn)入后，并沒有沿著斜邊流動，而是直接豎直流出，最終在斜邊部分形成了回流，因此斜邊部分煙氣溫度較低。

圖6 全場溫度分布

圖7 全場速度分布

由全場的速度場分布可知，水側(cè)速度變化不大，是因為水側(cè)流動橫截面積保持不變。在空氣側(cè)，隨著空氣進(jìn)入斜邊部分，橫截面積減小，再加上空氣被加熱，分子熱運(yùn)動加劇，從而速度越來越大。在煙氣側(cè)，速度分布不均勻?？拷行膶ΨQ面部分速度分布均勻。從云圖可以看到，斜邊部分出現(xiàn)了回流，是由于橫截面積突然增大所致。

表3 流體進(jìn)、出口溫度及換熱量

3 結(jié)論

3.1 本文通過ANSYS14.5商業(yè)軟件建立燃燒室煙氣流-固耦合換熱模型，基于SIMPLER算法，不考慮重力和輻射，模擬得到了全場的速度場分布、溫度場分布以及各流體的出口平均溫度，除此之外，還得到了煙氣側(cè)、空氣側(cè)和水側(cè)的換熱量及各壁面平均對流換熱系數(shù)。

3.2 水側(cè)由于流量大、溫度梯度小，全場的溫度分布幾無變化，保持不變?？諝鈧?cè)靠近壁面的部分，溫度明顯上升。由于煙氣側(cè)在斜面部分橫截面積變化較大，出現(xiàn)了回流，從而換熱不充分，導(dǎo)致高溫?zé)煔鉄崃繘]有得到充分利用。為了使熱量得到較好的利用，可以減小傾斜面的坡度。

［1］陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)（第二版）［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2005.

［2］楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)（第三版）［M］.北京：高等教育出版社，1998.

［3］精通CFD工程仿真與案例分析［M］.北京：人民郵電出版社，2013.