張振華，虞育杰，袁 剛，謝崇宏，楊 陽(yáng)

（貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025）

家用燃?xì)庠钭鳛槿粘Ｉ畋匦璧膹N房加熱烹飪器具，是消耗燃?xì)獾闹饕a(chǎn)品，然而，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的燃?xì)庠睿紵裏嵝手挥?0%～54%，且煙氣中CO等有害氣體含量偏高[1]。燃?xì)庠畹膿p失主要包括煙氣熱損失和燃料未完全燃燒損失，其中，煙氣熱損失約占燃料燃燒總熱量的40%，如果將這部分熱量充分利用起來(lái)，可以最大限度地提高燃?xì)庠顭嵝蔥2]。如果燃?xì)馕闯浞秩紵谠斐衫速M(fèi)的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生CO等有害氣體。

近年來(lái)，我國(guó)政府逐步加大對(duì)環(huán)保、節(jié)能產(chǎn)品在經(jīng)濟(jì)上和政策上的支持，GB 30720—2014《家用燃?xì)庠钅苄薅ㄖ导澳苄У燃?jí)》[3]出臺(tái)后，各大企業(yè)紛紛加緊了對(duì)環(huán)保節(jié)能產(chǎn)品的研發(fā)，高熱效率、低排放的家用燃?xì)庠畋貙⒊蔀槭袌?chǎng)的主流。鈍體燃燒器是一種較早開(kāi)發(fā)的應(yīng)用煙氣熱回流的直流燃燒器，在電站鍋爐運(yùn)行中應(yīng)用廣泛[4]。運(yùn)行情況表明，鈍體燃燒器具有明顯的穩(wěn)燃功能，同時(shí)，與普通燃燒器相比，鈍體燃燒器可以在尾部形成穩(wěn)定的回流區(qū)[5]，回流區(qū)的存在可以使燃?xì)馀c一次空氣強(qiáng)烈混合，促進(jìn)燃燒充分進(jìn)行，并對(duì)尾部煙氣具有一定的卷吸作用，減少煙氣熱損失。

本文在直火型燃?xì)庠罨鹂滋幖友b小圓錐形鈍體，構(gòu)成新型鈍體式燃?xì)庠?。采用商用CFD軟件fluent分別對(duì)燃?xì)饬鲃?dòng)和燃燒過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算，得到燃?xì)饬鲌?chǎng)、燃燒溫度場(chǎng)和CO等組分氣體的分布，并與燃?xì)庠钤Y(jié)構(gòu)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，為新型燃?xì)庠畹木唧w結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論支持。

1 新型鈍體式燃?xì)庠罱Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型鈍體式燃?xì)庠罱Y(jié)構(gòu)如圖1所示。此次設(shè)計(jì)是基于“鈍體燃燒器尾部回流高溫?zé)煔狻狈椒▽?duì)燃?xì)庠钸M(jìn)行節(jié)能改造，在直火型燃?xì)庠罨鹂滋幖友b小圓錐形鈍體，這樣改造后的燃?xì)庠罨鹂拙徒茦?gòu)成一系列的微型鈍體燃燒器。

圖1 燃?xì)庠罱Y(jié)構(gòu)

2 數(shù)值模擬的前處理

2.1 模型建立

此次研究分別對(duì)燃?xì)庠钸M(jìn)行冷態(tài)和熱態(tài)過(guò)程建模。冷態(tài)模型結(jié)構(gòu)包括引射器和燃燒器，熱態(tài)模型結(jié)構(gòu)包括燃燒器和平底鍋。

2.2 網(wǎng)格劃分

采用Gambit作為前處理軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于模型結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，計(jì)算結(jié)果對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量要求比較高，所以，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。與結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相比，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)沒(méi)有結(jié)構(gòu)性的限制，其節(jié)點(diǎn)和單元分布是任意的，因此，具有優(yōu)越的幾何靈活性，生成的網(wǎng)格質(zhì)量比較高，能夠合理處理復(fù)雜的邊界問(wèn)題，可以進(jìn)行自適應(yīng)計(jì)算，減少計(jì)算量，提高模擬計(jì)算精度[6]。網(wǎng)格劃分效果如圖2、圖3所示。進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，需要對(duì)結(jié)構(gòu)較小部分，比如火孔和天然氣入口進(jìn)行局部加密，正式生成網(wǎng)格之前需對(duì)加密部分和與其接觸區(qū)域設(shè)定過(guò)渡函數(shù)，其中，Growth rate設(shè)為1.1.最后，再對(duì)整體畫(huà)體網(wǎng)格，這樣可以在保證網(wǎng)格質(zhì)量的同時(shí)減小計(jì)算量。網(wǎng)格劃分完成后，冷態(tài)模型網(wǎng)格數(shù)約為2.4×106，熱態(tài)模型網(wǎng)格數(shù)約為2.7×106.

圖2 冷態(tài)建模網(wǎng)格

圖3 熱態(tài)建模網(wǎng)格

2.3 湍流模型

由于燃?xì)鈴倪M(jìn)口到出口以及隨后的燃燒過(guò)程壓力變化很小，且馬赫數(shù)小于0.3，所以，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將文中涉及到的流體視為不可壓縮流體[7，9]。假設(shè)流體在引射器中流動(dòng)和隨后的燃燒過(guò)程中為穩(wěn)態(tài)湍流，引射器壁面為無(wú)滑移邊界條件。計(jì)算模型采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε雙方程模型能夠很好地模擬較復(fù)雜的湍流過(guò)程，同時(shí)，可以占用較少的CPU資源，加快計(jì)算進(jìn)度[8]。在本文數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，除了遵循質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒定律外，由于還涉及到組分運(yùn)輸，且流動(dòng)處于湍流狀態(tài)，所以，還要遵守組分守恒定律。

2.4 燃燒模型

本文研究的燃燒過(guò)程涉及到多種組分氣體的化學(xué)反應(yīng)，為了得到快速、可靠的結(jié)果，燃燒模型采用通用有限速率模型方法下的渦耗散模型計(jì)算[9]。所涉及到的燃燒反應(yīng)為雙步（methane-air-2step），即 2CH4＋3O2＝2CO＋4H2O，2CO＋O2＝2CO2。

圖4 整體模型結(jié)構(gòu)

2.5 邊界條件設(shè)置

圖4為模型的整體結(jié)構(gòu)，在冷態(tài)模擬中，假定引射器中的流體為純甲烷，無(wú)混合空氣。在熱態(tài)模擬過(guò)程中，混合氣體CH4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.087，O2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.21，其余為N2，且速度取冷態(tài)模擬中計(jì)算結(jié)果；進(jìn)口空氣中O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.233，其余為N2。具體邊界條件設(shè)置如表1所示。

表1 冷態(tài)和熱態(tài)模型邊界條件設(shè)置

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 冷態(tài)模擬

下面進(jìn)行速度矢量分析。圖5、圖6分別為無(wú)鈍體和加鈍體模型中某一爐頭出火孔（燃?xì)獬隹冢┨幍乃俣仁噶糠植记闆r。從圖中可以看出，無(wú)鈍體存在時(shí)，燃?xì)鈿饬饔纱怪被鹂讬M截面方向流出，且由于受到壁面阻力的影響，越靠近火孔中心，氣流速度越快。其中，燃?xì)庠顑?nèi)外環(huán)氣流平均速度分別為35.45 m/s、22.09 m/s。有鈍體存在時(shí)，氣流通過(guò)火孔出口的流動(dòng)方向自發(fā)性的以火孔中心為原點(diǎn)向四周發(fā)散，這種流動(dòng)方式會(huì)促使氣流通過(guò)鈍體時(shí)在其尾部形成回流區(qū)，強(qiáng)化燃?xì)馀c周圍空氣的混合，促進(jìn)燃燒充分進(jìn)行[5，10]，同時(shí)，還會(huì)加大燃?xì)馀c周圍空氣的接觸面積，促進(jìn)燃?xì)獾娜急M過(guò)程。此時(shí)，燃?xì)庠顑?nèi)外環(huán)氣流平均速度為40.89 m/s、29.37 m/s，相比無(wú)鈍體時(shí)出口氣流平均速度提升約為24%.

圖5 無(wú)鈍體時(shí)燃?xì)庠畛龌鹂姿俣仁噶?/p>

圖6 加鈍體時(shí)燃?xì)庠畛龌鹂姿俣仁噶?/p>

3.2 熱態(tài)模擬

3.2.1 溫度分布

圖7和圖8分別為無(wú)鈍體和有鈍體時(shí)，燃?xì)庠钊紵龝r(shí)在Y＝5 mm處（出火孔上方）橫截面溫度分布。從圖中可以看出，火焰呈片狀，且片狀火焰相互連接，這樣有利于燃?xì)獾娜紵推瑺罨鹧骈g的熱量傳遞，有利于燃燒反應(yīng)的進(jìn)行[7]。無(wú)鈍體時(shí)，橫截面平均溫度為1 776.36 K；加鈍體后，橫截面平均溫度為1 833.06 K。這表明，鈍體尾部回流區(qū)的存在可以強(qiáng)化燃燒的進(jìn)行，同時(shí)，回流區(qū)的卷吸高溫?zé)煔庾饔每梢跃S持鈍體尾部的高溫，促進(jìn)燃燒。

圖7 無(wú)鈍體時(shí)燃?xì)庠頨＝5 mm截面溫度分布

圖8 加鈍體時(shí)燃?xì)庠頨＝5 mm截面溫度分布

圖9 無(wú)鈍體燃?xì)庠頧＝333 mm截面CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

圖10 加鈍體燃?xì)庠頧＝333 mm截面CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

3.2.2 CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

圖9和圖10分別表示無(wú)鈍體和有鈍體的燃?xì)庠?，燃?xì)馊紵龝r(shí)X＝333 mm處（熱態(tài)模型水平正中）橫截面的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布情況。從圖中可以看出，CO主要集中在靠近鍋壁處，這是由于燃燒越靠近鍋壁，周圍空間中O2的含量越低。CH4在含氧量低的情況下，會(huì)與O2反應(yīng)，生成CO。無(wú)鈍體時(shí)，橫截面CO平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.097 6；加鈍體后，橫截面平均CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.085 1，兩者相比，CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降了12.8%.這表明，鈍體的存在可以加大燃?xì)馀c周圍空氣的接觸面積，且形成的回流區(qū)會(huì)促進(jìn)燃?xì)馀c周圍空氣的混合，使得燃燒充分進(jìn)行，減少CO的生成量。

4 結(jié)論

在傳統(tǒng)直火型燃?xì)庠畛龌鹂滋幖友b小型鈍體，可以使得燃?xì)庠诨鹂壮隹谔幰曰鹂字行臑樵c(diǎn)向四周發(fā)散，并且在鈍體尾部形成回流區(qū)。在相同的燃?xì)膺M(jìn)口條件下，燃?xì)獾某隹谒俣忍嵘s24%.加裝鈍體后，燃?xì)庠顑?nèi)形成的回流區(qū)會(huì)促進(jìn)燃?xì)馀c周圍空氣的混合，使燃燒充分進(jìn)行，CO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少12.8%.基于鈍體燃燒器方法改造傳統(tǒng)燃?xì)庠钍强尚械模梢燥@著提高燃?xì)庠畹娜紵阅堋?/p>