上海林內(nèi)有限公司 倪娟娟安世亞太上海分公司 季锃釧

低壓引射器的數(shù)值模擬及參數(shù)化研究

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主要研究低壓大氣式燃燒器中引射器內(nèi)部流動情況及結(jié)構(gòu)設(shè)計中的參數(shù)化，通過實驗和數(shù)值模擬對比一次空氣系數(shù)和質(zhì)量引射系數(shù)，驗證數(shù)值模擬軟件的可靠性，再利用CFD軟件對引射器進行參數(shù)化研究；利用 Workbench平臺分別從風(fēng)門位置的變化、噴嘴位置的變化和混合管長度的變化等三方面進行對比得出結(jié)論。

引射器 數(shù)值模擬 燃燒器 參數(shù)化 實驗

0 引言

低壓大氣式引射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計一般是根據(jù)實驗獲取的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗公式來確定結(jié)構(gòu)，設(shè)計中的一些問題點也是通過反復(fù)的實驗來解決和改進的。雖然引射器的工作原理簡單，但內(nèi)部流場相當復(fù)雜。受測試手段和方法的限制，通過實驗難以獲得燃燒器內(nèi)部流動的真實信息，例如速度場、濃度場和壓力等分布，因而造成目前產(chǎn)品開發(fā)過程中，需要多次打樣，反復(fù)做實驗和修改結(jié)構(gòu)才能得到最終產(chǎn)品。這種方式比較傳統(tǒng)，浪費時間且投入成本較高。隨著計算流體力學(xué)的飛速發(fā)展，利用 CFD來研究燃燒器內(nèi)部流場、多組分擴散、化學(xué)反應(yīng)等復(fù)雜的流動現(xiàn)象的公司越來越多，計算流體力學(xué)在產(chǎn)品設(shè)計過程中起到了越來越重要的作用。

本文研究的是低壓大氣式燃燒器中關(guān)鍵部件之一的低壓引射器。燃氣在一定壓力下，以一定流速從噴嘴流出，進入吸氣收縮管，燃氣靠本身的能量吸入一次空氣，在引射管內(nèi)燃氣和一次空氣混合，然后經(jīng)頭部火孔流出，其中引射器內(nèi)部燃氣和空氣的混合是本文研究的重點。通過利用現(xiàn)有燃燒器對其流場進行數(shù)值模擬，與實驗結(jié)果分別從一次空氣系數(shù)、燃氣和氧氣的體積分數(shù)、質(zhì)量流量等方面進行對比。然后分析其壓力分布圖，通過調(diào)整噴嘴伸進引射管的距離、風(fēng)門開孔的位置等幾方面對引射管進行參數(shù)化研究，使其引射能力達到最佳狀態(tài)，對優(yōu)化該引射器的結(jié)構(gòu)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 數(shù)值模擬與實驗對比

1.1 值模擬

我司某型號的燃燒器結(jié)構(gòu)見圖 1，在此結(jié)構(gòu)上做數(shù)值模擬。在常溫下引射器內(nèi)的燃氣密度為常數(shù)，且滿足牛頓流體條件；引射器內(nèi)的燃氣速度較低屬于不可壓縮流動，引射器內(nèi)的燃氣流動滿足Navier-Stokes方程。

圖1 燃燒器結(jié)構(gòu)示意

本文采用ANSYS Fluent 16.0基于壓力的求解器模擬燃燒器內(nèi)燃氣的流動情況。計算采用偽瞬態(tài)算法，湍流模型使用Realizable k-e模型，并結(jié)合標準壁面函數(shù)模擬邊界層內(nèi)部流動，連續(xù)性、動量、湍動能和湍流耗散率方程的離散選用二階迎風(fēng)格式。邊界條件：燃氣進口設(shè)為壓力進口，總壓1 860 Pa (通過試驗測得)，物質(zhì)組分純甲烷體積分數(shù)為1；空氣進口設(shè)為壓力進口，總壓為0 Pa，物質(zhì)組分氧氣體積分數(shù)為0.21；燃燒器的出口空間區(qū)域設(shè)為壓力出口，壓力設(shè)為0 Pa；引射器壁面上采用無滑移邊界條件。

本文采用Solidworks軟件對引射器進行幾何建模，然后導(dǎo)入ANSYS DesignModeler中進行幾何簡化及流體域抽取，再將流體域?qū)階NSYS Meshing生成網(wǎng)格，ANSYS Meshing網(wǎng)格劃分工具具有多種網(wǎng)格劃分算法，對復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)可以分區(qū)采用四面體和六面體混合的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格來滿足計算要求。燃燒器網(wǎng)格如圖2所示：

圖2 燃燒器的網(wǎng)格

1.2 實驗測試

一次空氣系數(shù)α是實際吸入的一次空氣量與完全燃燒器需要空氣量的比值。它是引射型大氣式燃燒器的關(guān)鍵參數(shù)，對燃燒狀態(tài)影響很大。為了測出燃燒器的α值，從燃燒器頭部抽取混合氣樣，并分析其中氧含量，這樣根據(jù)混合氣樣中氧含量的大小計算出一次空氣系數(shù)，并且可以計算出質(zhì)量引射系數(shù)。

一次空氣系數(shù)的測試系統(tǒng)按照參考《燃氣檢測技術(shù)手冊》中引射型大氣或燃燒器氣體動力性能測試系統(tǒng)，主要包括燃氣(純甲烷)、燃氣流量計、壓力計、燃氣灶、微壓計、注射器和氣相色譜儀等。一次空氣系數(shù)實驗流程如圖3所示。

圖3 一次空氣系數(shù)實驗流程

一次空氣系數(shù)可以表示為：

式中：α——為一次空氣系數(shù)；

O2,m——燃氣與空氣混合氣中氧的體積百分數(shù)，%；

V0——標準狀態(tài)下1 m3的燃氣燃燒所需的理論空氣量，m3/m3；

O2——空氣中氧的體積分數(shù)，%。質(zhì)量引射系數(shù)可以表示為：

式中：u——質(zhì)量引射系數(shù)；

ma——被引射氣體質(zhì)量，kg；

mg——引射氣體質(zhì)量，kg。

1.3 結(jié)果對比及分析

1.3.1 壓力分布

主引射管壓力分布云圖見圖4。

圖4 主引射管壓力分布

從圖4中可以看出燃氣在一定壓力下從噴嘴流出，形成一個負壓區(qū)(白色)，卷吸空氣從風(fēng)門入口流入，燃氣壓力降低，燃氣和空氣在混合段摻混，在流動過程中燃氣壓力進一步減小，一部分傳遞給空氣使空氣動壓增大，一部分用來克服流動中的阻力損失，另一部分轉(zhuǎn)化為靜壓，在擴壓段出口壓力小于進口壓力。此壓力分布狀況完全符合參考文獻《燃氣燃燒與應(yīng)用》中的引射器工作原理圖。

1.3.2 一次空氣系數(shù)與質(zhì)量引射系數(shù)

燃燒器出口實驗與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對比見表1。

表1 燃燒器出口實驗與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對比

從表1對比中可以看出，一次空氣系數(shù)和質(zhì)量引射系數(shù)的相對誤差都在2.17%，說明Fluent軟件對此模型的模擬結(jié)果與真實情況較為接近，可以用Fluent軟件對此結(jié)構(gòu)做參數(shù)化研究，為引射管的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供指導(dǎo)意見。

2 引射器結(jié)構(gòu)參數(shù)化

影響大氣式燃燒器一次空氣引射能力的因素有混合管的喉部尺寸和錐度，火孔總面積、火孔大小和深淺、混合管的長度和彎度、內(nèi)壁狀況、噴嘴位置、一次空氣口的形狀、燃燒器頭部形狀、頭部溫度、燃氣密度、熱值、壓力等。

從實驗與數(shù)值模擬的對比中可以看出，F(xiàn)luent軟件的可靠性，因此在參數(shù)化的過程中，為了節(jié)省計算量，把燃燒器的頭部忽略掉。只取引射器、風(fēng)門和噴嘴部分。入口的邊界條件不變，出口的邊界條件變成壓力出口5.1 Pa。分別從一次空氣入口的位置、噴嘴的位置、混合管的長度等幾方面利用Workbench平臺對引射器進行參數(shù)化研究。

2.1 一次空氣入口位置的變化

從圖4的總壓圖中可以看出，風(fēng)門的位置發(fā)生變化，被引射的空氣與吸氣收縮管碰撞的位置發(fā)生變化，對一次空氣系數(shù)有很大的影響。風(fēng)門的位置設(shè)置了5個點，見圖5。

圖5 風(fēng)門位置設(shè)置示意

此模型中的風(fēng)門位置，風(fēng)門向徑向移近作為負坐標-1 mm，-2 mm，風(fēng)門向徑向移出作為正坐標1 mm，2 mm，當風(fēng)門位置移動時，保證進風(fēng)面積不變，計算結(jié)果見圖 6。其中橫坐標零點的位置為此模型的原始位置。根據(jù)模擬結(jié)果，由公式(3)計算出各種情況下的一次空氣系數(shù)相對變化率Δα。

式中：Δα——一次空氣系數(shù)相對變化率；

α——噴嘴在任意位置處一次空氣系數(shù)；

α0——噴嘴在0位置處的一次空氣系數(shù)。

圖6 一次空氣系數(shù)隨風(fēng)門位置的變化

風(fēng)門徑向位置偏移后的壓力分布云圖見圖7。

圖7 風(fēng)門徑向位置偏移后的壓力分布

從圖6中可見，風(fēng)門沿徑向向內(nèi)移動到-2 mm時一次空氣系數(shù)的相對變化率增長最大，引射能力最好。隨著風(fēng)門位置沿徑向向外移動時，一次空氣系數(shù)的相對變化率逐漸變?yōu)樨撝?，即引射能力逐漸減小。從圖7的壓力云圖中可以看出，當風(fēng)門位置沿徑向發(fā)生變化時，負壓區(qū)域也發(fā)生變化，空氣被卷吸進入后與吸氣收縮管相碰撞的位置也發(fā)生變化。風(fēng)門向徑向移近-2 mm時負壓區(qū)域最大，被引射的空氣與收縮管相撞的能量損失最小，所以引射能力最大。對于此引射器模型，相同面積的進風(fēng)量時，風(fēng)門開孔位置離噴嘴越近，引射能力越好，風(fēng)門開孔位置離噴嘴越遠，引射能力越差。

2.2 噴嘴位置的變化

文獻《燃氣燃燒與應(yīng)用》中明確指出，安裝噴嘴時，其出口截面到引射器的喉部應(yīng)該有一定的距離，否則將影響一次空氣的吸入；噴嘴中心線與混合管中心線應(yīng)一致，二者有偏差或有交角對引射一次空氣量不利的，偏移或交角越大，其影響越大。本文只考慮噴嘴中心線與混合管中心線一致的情況，只改變噴嘴出口截面到引射器喉部的距離，即噴嘴沿軸向方向變化。分別給出9個計算工況，現(xiàn)有位置的計算工況為0位置，噴嘴在此位置向喉部移動作為正向坐標，分別移動1 mm、2 mm、3 mm、4 mm；噴嘴在此位置向遠離喉部的方向移動作為負坐標，分別移動-1 mm、-2 mm、-4 mm、-6 mm。根據(jù)模擬結(jié)果，由公式(3)計算出各種情況下的一次空氣系數(shù)相對變化率Δα，計算結(jié)果見圖8。

圖8 一次空氣系數(shù)隨噴嘴位置的變化

文獻《燃氣燃燒與應(yīng)用》中闡述了當喉部直徑dt>噴嘴外徑 dout時，一般取噴嘴到喉部的距離l=(1.0~1.5)dt。此模型中喉部直徑為14 mm，噴嘴外徑為7 mm，噴嘴到喉部的距離為17 mm，符合上述條件l的取值范圍在14~21 mm之間，此模型給定的距離在l要求的范圍內(nèi)。

從圖8中可以看出，當x=-2~3 mm時，一次空氣系數(shù)變化率為正值且波動范圍不大，表明一次空氣系數(shù)增大，引射能力增大。當x=3和x=-4時分別為l取值范圍的臨界值14 mm和21 mm，從圖8中可以看出，x=3時，一次空氣系數(shù)最大，引射能力最好；當x=-4時，一次空氣系數(shù)已經(jīng)變?yōu)樨撝?，引射能力變差。當x=4和x=-6時已經(jīng)超出噴嘴到喉部的參考距離，從圖8中可以看出一次空氣系數(shù)變化率為負值，一次空氣系數(shù)減小，引射能力變差。

因此，此模型l的值可取在14~19 mm之間，其中14 mm時引射能力最好。從數(shù)值模擬和理論分析都表明噴嘴出口截面至喉部的距離在一定范圍內(nèi)對一次空氣系數(shù)影響不大，當超出此范圍后一次空氣系數(shù)減小，影響引射能力，最終影響燃燒器的燃燒狀態(tài)。從圖8中可知此模型中的噴嘴出口截面和喉部的距離沒有達到最優(yōu)，還有優(yōu)化空間。

2.3 混合管長度的變化

混合管的作用是使燃氣與空氣進行充分混合，使燃氣-空氣混合物在進入擴壓段之前，其速度場、濃度場及溫度場呈均勻分布。文獻《燃氣燃燒與應(yīng)用》中給出，由于兩股氣流在有限空間內(nèi)的混合十分復(fù)雜，因此，混合管的長度在很大程度上要根據(jù)實驗資料確定。實驗數(shù)據(jù)表明混合管的長度通常取lmix=(1-3dt)。由于現(xiàn)在計算流體的發(fā)展，目前當其它尺寸確定后可以利用數(shù)值模擬軟件對混合長度進行計算，達到優(yōu)化設(shè)計的目的。

由于時間的限制，目前只對現(xiàn)有模型就混合段取了3個點計算，現(xiàn)有混合管長度為0位置，混合管長度增加10 mm，和混合管長度減小10 mm。一次空氣系數(shù)相對變化率隨混合段長度的變化如圖 9所示。

從圖9中可以看出混合管長度在10~20 mm之間時，一次空氣系數(shù)變化較小且一次空氣系數(shù)比較大，當混合段長度在20~30 mm之間時，一次空氣系數(shù)逐漸變小。此模型中混合管長度剛好為20 mm，認為此模型混合管長度比較合理。

圖9 一次空氣系數(shù)隨混合段長度的變化

3 結(jié)語

(1)對整個燃燒器進行數(shù)值模擬和實驗對比，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬誤差很小，適合目前結(jié)構(gòu)的仿真計算；

(2)本引射器結(jié)構(gòu)中，當進風(fēng)面積相同時，風(fēng)門開孔位置離噴嘴越近，引射能力越好，風(fēng)門開孔位置離噴嘴越遠，引射能力越差；

(3)噴嘴出口截面至喉部的距離在一定范圍內(nèi)時一次空氣系數(shù)波動不大，當超出此范圍后一次空氣系數(shù)減小，引射能力減小，最終影響燃燒狀態(tài)；

(4)本引射器混合段的長度設(shè)計較合理，在推薦范圍內(nèi)，一次空氣系數(shù)較大，引射能力較好。

Numerical Simulation and Parametric Study of the Injector in the Low Pressure Atmospheric Gas Burners

Shanghai Rinnai CO., Ltd. Ni Juanjuan PERA Global Technology Co., Ltd. Shanghai Branch Ji Zengchuan

This paper mainly study the internal flow and structure design of the ejector in the low pressure air burner. Through experiment and numerical simulation, the reliability of the numerical simulation software is verified by comparing the experimental and numerical simulation results. Conclusions have been made by using the CFD software to conduct the parametric study and comparing the changes of the throttle position, the nozzle position and the mixing tube length by using the workbench platform.

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