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燃烧器燃烧状况的数值模拟与优化研究

广东万和新电气股份有限公司 李艺锋 李强



摘  要 本文以流体力学、燃烧学为理论基础,结合现代化计算机仿真技术,对燃烧器的气流速度均匀性、燃气浓度分布均匀性以及燃烧过程进行模拟和分析,并结合三维软件对燃烧器结构进行优化。

关键词 燃烧器;仿真技术;相对标准偏差RSD


1 引言

燃烧器是燃气热水器的核心零部件,燃烧器性能的优劣直接影响燃烧状况和烟气排放含量。过往,燃烧器的研发都是凭借工程师团队自身的经验,而且需要多次制作简易模具进行样件测试,一旦开发出来就不会随意更改,时间和成本投入都非常大,最终也无法确定正式开模的样板是否能达到预期性能。

本文通过将理论、三维软件和仿真技术结合,根据设计的燃烧器结构建立几何模型,结合计算机仿真技术,代替设计繁琐复杂不便的实验测量,对燃气热水器燃烧器的气流速度均匀性、燃气浓度分布均匀性进行全方位的模拟和分析,能够详细、直观地为新型燃烧器改造、升级、研发提供强有力帮助和指导。

2 理论分析

 燃烧所必须的首要条件是燃气与燃烧所需空气充分混合。燃气和空气的混合过程也是决定燃烧过程性质的一个重要因素。气流的喷出速度、燃气与空气的相对速度、气流的交角和旋转强度等都会对燃烧过程产生明显的影响。

本研究重点对燃烧器的燃气流动速度与组分含量分布进行模拟研究,根据燃气在燃烧器腔体内属于湍流流动的特点,以及燃气燃烧传递过程应满足连续、动量、能量和组分传输方程等控制方程。

基本守恒方程如下:

(1)连续性方程

(1)

其中:ρ为流体密度;t为时间;j为坐标维数;u为速度矢量;x为坐标。

(2)动量方程

     (2)

其中:τji是流体所受表面力在i方向的分力,包括静压力和流体粘性压力;fi是作用于单位体积流体在i方向的体积力。

式(2)中可展开成三个部分:压力梯度项、扩散项和其余部分,表示为:

           (3) 

其中:μ为粘性系数;p为压力;fμi是除项之外的其他粘性力。

(3)能量方程

   (4)

式中:H为包括动能的总热焓,由静态热焓h的表达式给出:

      (5)     

Sh为包括辐射换热、化学反应热等;

Γh表示热交换系数,其定义为:

                                 (6)

其中:λε为有效热导率,cp为定压比热。

(4)组分传输方程

    (7)

式中:Γi为组分i的传质系数,Yi为组分i的质量分数;Ri为单位容积化学组分i生成率或消耗率;Si为源项。

3 数值模拟分析与验证

3.1 物理模型建立

(1)计算区域确定

燃气从喷嘴喷入,同时引射一定量的空气,燃气与空气在燃烧器腔体内部进行混合后从火孔出口喷出,然后再与二次空气混合燃烧。因此,计算区域包括燃气从喷嘴截面喷出后流动到燃烧器的出口截面以及燃烧室空间。

使用三维建模软件对燃烧器钣金零件图进行实体建模,构建适合模拟计算的实体。如图1。


然后增加入口区域、流道区域、燃烧区域,完成整个计算区域(见图2)。

(2)网格划分

网格划分是整个仿真过程的关键部分,求解过程是否能够顺利进行,求解结果是否满足要求,都依赖于几何模型的网格划分。在网格划分过程中,考虑到计算时间、精度、计算量大小,以及一些物理变量发生剧烈变化的敏感区域,需要对此区域网格进行局部加密,例如,流体在入口、火孔和出口等区域的物理场梯度比较大,因此对此区域进行了局部加密,有利于提高仿真计算的收敛性及准确地呈现该区域的物理场变量的变化趋势。另外,由于后续需要对火孔的速度和组分含量进行统计和分析,因此适当增大火孔位置的网格密度。网格总量158万,具体网格剖分如图3 所示。


 (3)设置边界条件

1)根据热水器实际工况,确认燃气入口选择质量流量入口类型,其质量流量为7.43×e-5kg/s,压力为+1350Pa,气体组分为甲烷。

 2)一次空气入口截面选择压力入口类型,使用压差测量仪确定一次风入口截面附近区域的压力,压力约为0Pa,温度为300K,气体组分为空气。

 3)二次风入口截面选择入口通风类型,使用压差测量仪确定二次风入口截面附近区域的压力,压力约为-1.5Pa,温度300K,气体组分为空气。 

4)出口截面选择压力出口类型,使用压差测量仪确定燃烧室区域的压力,压力约为-3Pa。  

(4)计算方法

为实现燃烧器湍流流动和燃气燃烧的数值模拟,采用基于非结构化网格上的有限体积法对控制方程进行离散,对离散后的控制方程采用时间积分方案为一阶隐式的分离求解法,即顺序地、逐个地求解连续性方程、动量方程、k-ε方程、能量方程和组分方程,而燃烧反应模型的求解分别作为能量方程和组分方程的源项出现。其中插值格式采用二阶迎风格式,压力—速度耦合采用SIMPLE算法。此外,能量方程的收敛标准均为10-6,而其他守恒方程的收敛标准均为 10-3。

(5)数值模拟与分析

在燃烧器的燃烧过程中,流道结构的气流分配均匀性对其燃烧效果具有重要影响,因此需要重点分析两个影响因素:火孔截面的出口速度和组分含量。通过采用相对标准偏差RSD对各影响因素的均匀性进行评价,RSD反映物理场的均匀性程度,其数值越小,物理场越均匀。

为方便分析,对火排的每组火孔出口位置进行了标记,如图4所示。


3.2 模拟结果

由图5可知,靠近拐弯处的位置8、9、10的出口处气流速度偏大,并且速度方向并不完全是垂直于火孔盖截面,而是有一定的倾斜。


由图6可知,速度大致呈现先缓慢减小而后再增大得趋势,各出口截面平均速度的算术平均值为3.984m/s,相对偏差RSD为8.532%。   

由图7可知,CH4各出口截面平均组分含量的算术平均值为19.163%,相对偏差RSD为2.021%。从组分含量分布曲线可知,组分含量的偏差幅度很小,说明燃气与空气的混合均匀性很好,如图8所示。

各出口截面平均速度的相对偏差8.532%比CH4各出口截面平均组分含量的相对偏差2.021%明显要大,达到4.2倍关系,说明出口截面速度分布对火排气流均匀性影响更大。



3.3 实验验证

从图9为燃烧器的火焰照片,图9(上)为小火情况,图9(下)为大火情况。图10为速度云图,其中位置8、9、10的速度比其他位置明显要大,与实验照片所呈现的规律一致。位置1、2、9的速度方向主要为向上并往右方向倾斜较小,而位置3~8的速度方向主要为向上并往右方向倾斜较大,其中以位置6、7、8比较明显,而位置10的速度方向向上并向左方向倾斜,模拟结果与实验照片所呈现的规律基本一致。


4 结构优化与分析

靠近拐弯处的火孔流速比较大,说明该位置的流体流量较大,需要得到整体均匀的流速,所以需要对该区域进行优化。

(1)优化方案A

优化方案的思路:对拐弯最窄处的流道间距由原方案的4.2mm调整为2.7mm,如图11(a)所示。 

(2)优化方案B 

优化方案的思路:对火盖进行结构优化,火孔呈 V型布置,强化火孔处气流的混合,如图11(b)所示。

(3)优化方案C 

结合方案A和方案B,如图11(c)所示。


(4) 模拟结果对比

对于优化方案A,如图12所示;对于优化方案B,如图13所示;对于优化方案C,如图14所示,优化结果看汇总表1。



从表1可知:

(1)方案A,优化流道,速度的相对偏差是最低的,只有2.485%,组分含量的相对偏差也比原方案小0.347%。

(2)方案B,由于流道没改变,所以速度的相对偏差接近原方案,因改变火盖的形状而使组分含量的相对偏差则比原方案小1.439%。

(3)方案C,出口速度的相对偏差比原方案小4.052%,组分含量的相对偏差比原方案小1.689%,综合来说,优化方案C最优。

5 实验验证

通过日本加野热式风速仪分别对原方案和C处的火孔出口气流速度进行测试,如图15所示。


测试结果,表明原方案的算术平均值为1.9m/s,相对偏差RSD为10.81%,然而优化方案C的算术平均值为1.51m/s,相对标偏差RSD为7.54%,说明优化方案C在火孔出口速度分布均匀性优于原方案,结果如图16所示。


通过安装到整机方式分别对原方案、优化方案B和方案C的燃烧器进行燃烧,经过调试,检测烟气含量。

测试结果如表2所示,结果表明优化方案C实现了CO含量为206ppm的排放,比原方案减少181ppm。


6 结论

通过数值模拟的方法,深入研究了燃烧器流道的气流混合分配和燃烧性能情况,再通过对流道结构进行优化设计,重点解决气体流速和组分含量分布的均匀性问题,最终实现燃烧排放物含量的降低。在数值模拟与优化结果中,可以获得如下结论:

(1)通过改变燃烧器拐弯最窄处流道间距的大小,可以改变火孔出口的速度大小。其中,拐弯最窄处流道间距变小,会使靠近拐弯最窄处的火孔速度降低,而远离拐弯处的火孔速度增大。

(2)火孔呈V型布置,强化了火孔处气流的混合,提高火孔处的组分含量分布均匀性。 

(3)本文仿真与试验测试的数值虽然有些偏差,但相对数值很吻合,说明了仿真计算的数值发挥指导性的作用。

(4)采用三维技术与仿真技术双结合的方式对燃烧器的结构进行优化设计,能大大减少燃烧器的开发周期及成本,提高研发效率。

(5)采用三维技术与仿真技术双结合的方式同样适合于其他结构复杂而对性能要求又比较高的部件开发,例如燃气热水器中热交换器。


参考文献:

[1]韩占中,王敬,兰小平.《FLUENT-流体工程仿真计算实例与应用》.北京:北京理工大学出版社,2010.

[2]王福军.《计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用》.北京:北京清华大学出版社,2006.

[3]刘蓉,刘文斌.《燃气燃烧与燃烧装置》.北京:机械工业出版社,2012.


主编点评:

论文作者利用CFD与实验相结合的方法,对燃气热水器(壁挂炉)用大气式燃烧器结构行了优化设计。作者首先使用CFD软件计算了气流的速度分布与混合物浓度分布,在分析计算结果的基础上,提出了燃烧器结构参数调整方案。通过重新计算找到最佳方案。最终通过实际测试,在热负荷与过剩空气系数基本不变的情况下,燃烧器CO排放量由优化前的387ppm降低到206ppm。火焰分布状况也得到了改善。

论文评审组一致认为,该论文结构清晰,表述清楚。选题切合实际,研究路线正确。充分体现了CFD在本行业的应用路径,即:仿真、调整、仿真、寻优、实验验证。希望作者再接再厉将这一设计方法应用到更多领域。

 
 


  
 
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