锅支架高度对燃气灶热效率影响的数值模拟

薛 兴，刘 芳

（桂林电子科技大学 建筑与交通工程学院，广西 桂林 541004）

目前，国内燃气灶热效率的研究主要是采用实验的方法[1～4]，其研发周期长、成本高。而采用数值模拟的方法研究燃气灶热效率，可缩短研发周期，降低成本。本文主要基于计算流体动力学CFD的数值模拟方法，在fluent软件平台上，对燃气灶的燃烧和传热过程进行仿真计算，仿真分析结果对开发高效节能的燃气灶具有重要的指导意义。

1 模型的建立

1.1 几何模型

根据燃烧器尺寸建立三维物理模型。整个模型由燃烧器头部、锅底、灶台面三部分组成。燃烧空间由燃烧器本身的腔体和上部分的空腔组成。用fluent前处理器gambit进行网格划分，其主要采用六面体网格对模型进行网格划分。适当增加燃烧器腔体和主要燃烧区域的网格数，其它区域用粗网数处理。最终网格数达30万，数值计算的收敛精度达10-3以下。计算模型网格如图1所示。

图1 部分网格图

1.2 数学模型

（1）基本控制方程

燃气灶的主燃烧区存在较为复杂的湍流运动、湍流燃烧、辐射以及对流传热过程。本文对燃气灶燃烧与传热流场的数值模拟做基本假设：所有表面都是黑体；在100℃时，锅体的各部分都是等温的。燃气灶数值模拟的控制方程可用下式[5]表示：

式中，

准为任意变量；

г为广义扩散系数；

S是源项。

准、г、S不同的形式，可表示连续方程、动量方程、能量方程、组分方程。

（2）湍流模型

燃气灶数值模拟，选择合适的湍流模型较为重要。文献[6]和[7]表明Realizable湍流模型较适合燃烧室数值模拟。Realizable k-ε双方程湍流模型使均流方程封闭，表达式为[5]：

其中，σk和σε分别是与湍动能k和耗散率ε对应的 Prandtl数，fluent默认值 σk=1.0，σε=1.2，C2=1.9。

（3）燃烧模型

燃气灶燃烧器内的燃烧处于湍流燃烧状态，即湍流流动过程和化学反应有着强烈的相互作用。Fluent提供了基于Magnussen和Hjertager提出的涡团破碎模型改进的涡耗散EDM燃烧模型。在该模型中，物质i在反应r中的产生率Rir取两式中的最小值。

式中，

ν'i，r、ν"j，r为物质 i在反应 r中的反应物和生成物化学恰当比系数；

Mwi为物质i的相对分子质量；

N为生成物的总个数；

Y为组分质量分数。

A、B为经验常数，分别约等于4.0和0.5。

2 边界条件

进口：分布在圆台壁面上的18个条形孔是燃气和空气混合物的入口，使用速度入口边界条件：燃气的低热值为101.97 MJ/m3，流速1.2 m/s，混合后各组分的质量分数分别为：φC4H8为9.4%，φC2为20.3%；湍流参数使用水力直径和湍流强度的定义方法，按公式 I=0.16（Re）-1/8计算。

出口：采用压力出口边界条件φo2为23.1%，其余为N2。回流方向与边界垂直，定义出口背压、回流温度、回流的湍流强度和水力直径。

壁面：采用无速度滑移壁面，将火孔壁面和百叶窗温度设为定温 512 K；水初温 27℃，水终温100℃，锅壁温取两者的平均值，设定锅底温度为336 K。

控制方程选用一阶迎风格式进行迭代，压力场和速度场采用SIMPLE算法进行耦合计算，同时选用亚松弛因子加速收敛。

3 计算结果与分析

3.1 温度场特性

图2是x=0时截面的温度分布图，图3是z=10 mm时，截面温度分布图。从图中可以看出，液化石油气和空气混合后从条形孔中以一定的速度喷出之后，在燃烧区域内发生化学反应，在火孔附近燃烧较好，形成高温区域，同时，火焰向锅底面及其外部延伸，且随着火焰的延伸，温度逐渐降低。底部进入的二次空气与混合燃气混合之后，参与燃烧。这里计算温度单位采用开尔文。

图2 x=0截面温度分布

图3 z=10mm截面温度分布

3.2 锅支架高度对热效率的影响

锅支架高度是指火孔端面与锅支架最高部位之间的距离。不同的锅支架高度，得到的燃烧空间也不同，进而影响燃烧所需的二次空气量。锅支架越高，供给的二次空气量越多，燃烧越完全，烟气中的一氧化碳含量越低，但是火焰接触不到锅底，烟热损失增加，致使热效率降低。相反，随着锅支架高度降低，虽然提供的二次空气量减少，但是火焰充分与锅底表面接触，热效率增加。当锅支架高度过低时，二次空气量较少，火焰受压于锅底造成不完全燃烧，烟气中的一氧化碳量增加且热效率降低。如图4所示，当锅支架高度从15mm增加到20 mm时，热效率从35.2%上升到47.34%；当锅支架高度增加到48 mm时，热效率下降到36.3%。

图4 锅支架高度对灶具热效率的影响

4 结束语

文章采用数值模拟的方法，分析了锅支架高度对燃气灶热效率的影响，结果表明：热效率随着锅支架高度的增加呈现先增大后减小的趋势。模拟结果能较好地反应参数对热效率的影响。将数值模拟的方法应用于燃气灶热效率的研究，更为方便快捷。由于CFD软件能较为容易的实现变结构的流体计算，有利于综合分析因素对燃气灶热效率的影响，也为燃气灶的设计提供支持。

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