大气式浓淡燃烧器低压引射器的设计与研究

同济大学热能与环境工程研究所 钟 芬 高乃平 魏敦崧

宁波方太厨具有限公司 刘晓刚 徐德明

0 概述

低压引射式大气燃烧器由于其依靠燃气的高速射流引射燃烧所需的空气，不需要动力设备，成为应用最广泛的家用燃烧器之一；大气式低压浓淡燃烧器不仅具有普通低压燃烧器的优点，同时兼具低NOx排放、高效清洁等优点，因此得到了一定的研究与使用；引射器作为家用燃烧器引射一次空气的关键部件，其利用射流的紊动扩散作用使不同压力的两股流体相互混合，引发能量与动量交换，其引射能力直接影响燃烧器的燃烧效率、污染物的排放等，因此成为家用燃烧器的研究重点之一。

计算流体力学(Computational Fluid Dynamic，简称CFD)利用计算机技术进行燃烧模拟设计，具有较优的数值模拟性能，获得了广泛应用。

张喜来等通过实验对煤粉引射器的引射系数等进行了测试，同时也应用CFD技术模拟了其引射系数及内部气流状况，结果显示CFD模拟结果与实验测试结果较吻合。

倪娟娟等应用数值模拟分析了引射器内的气流场分布，同时通过实验测量了其一次空气系数与质量引射系数，结果表明设计的该引射器内混合气体已均匀混合，若在结构紧凑的燃烧器具中，可缩短引射器的长度。

方媛媛等从实验和数值模拟两个方面对引射器喷嘴位置的引射系数的影响进行了研究，结果表明实验与数值模拟两种方法获得的一次空气引射系数较接近，且喷嘴在引射器对称轴上的一次空气系数最大。

本研究采用CFD数值模拟方法，对一款家用浓淡燃烧器灶具的4组不同的2型低压引射器进行了设计与分析，对比了不同工况下的引射器质量引射系数和一次空气系数及其引射性能的主要影响因素。本研究中2型引射器各尺寸间的关系如图1。

图1 2型引射器尺寸关系

1 浓淡燃烧器工作原理及引射器工况设计

1.1 浓淡燃烧器的工作原理

浓淡燃烧是指使燃料以不同的比例和空气混合，一部分燃料在空气系数大于l的条件下燃烧，另一部分燃料则在空气系数小于l的条件下燃烧(总空气系数在合理范围内)，实现燃料浓淡分道的燃烧方式。浓淡燃烧器的浓淡燃烧火孔一般交叉排布，研究表明，合适的浓淡燃烧配比能有效地降低NOx的排放，实现高效、清洁环保的燃烧。

1.2 引射器工况设计

本研究中的大气式浓淡燃烧器采用20Y液化石油气为气源，按《城市燃气分类和基本特性》(GB 13611―2006)中规定的20Y基准气成分计算，其体积组分75%丙烷、25%丁烷，低热值为95.12 MJ/m3，相对密度1.682(15℃，101.325 kPa，干)。其引射器有4组设计，标号分别为Ejector1、Ejector2、Ejector3和Ejector4，分别代表外圈浓火孔引射器、外圈淡火孔引射器、内圈淡火孔引射器和内圈浓火孔引射器。该浓淡燃烧器的引射器喷嘴尺寸、喷嘴负荷、设计一次空气系数如表1所示。

表1 各组引射器设计参数

引射器出口静压由设计工况下燃烧器头部所需静压确定。燃烧器头部静压可由下式计算获得:

式中:h——燃烧器头部静压值，Pa；

K1——燃烧器头部的能量损失系数；

υp——火孔混合气体出口速度，m/s；

ρomix——出口混合气体的密度，kg/m3；

式(2)中:ζp——火孔阻力系数；

t——火孔出口处燃气温度，一般为100～150 ℃，此处取100 ℃；

式中:μp——火孔流量系数，取0.8。

代入式(2)中各量数值，可计算得到K1=2.153。

根据公式(1)计算得到各引射器对应的燃烧器头部静压值，燃烧器头部各引射器对应的参数及静压值如表2所示。

表2 燃烧器头部静压计算表

各组引射器的计算工况如表3所示，其中喷嘴距离表示的是喷嘴距引射器入口断面的距离，负号表示喷嘴伸入引射器入口断面的距离，下文提到的喷嘴距离均与此相同。本研究中共计算了18个工况的引射器引射情况。

表3 各组引射器计算工况

2 引射器模型建立与数值模拟

2.1 模型建立

引射器和喷嘴模型均为轴对称，因此本研究取四分之一对称模型进行模拟计算，以减少总网格数量，提高计算精度。空气入口取直径为引射器入口直径的1.5倍，长度为10 mm的圆柱面。Ejector1喉部直径为6.8 mm，喷嘴直径为0.39 mm，喷嘴距离为5 mm的模型如图2所示。

图2 Ejector1喉部直径为6.8 mm的引射器模型

各引射器模型的编号及对应尺寸如图3和表4所示。

图3 引射器尺寸编号

表4 各组引射器尺寸 单位:mm

2.2 网格划分

采用GAMBIT 对模型进行网格划分，网格的类型分为结构化网格和非结构化网格。结构化网格计算速度和收敛性好，但要求模型较规则。非结构化网格模型适应性好，网格划分方便，但计算速度和收敛性不如结构化网格。综合考虑，对模型进行分块，采用了结构化网格和非结构化网格相结合的方式。对喷嘴、喉部截面等小截面、参数变化较剧烈的面进行加密处理，使计算结果更为精确。根据模型尺寸不同，划分的网格数量从30万到100万，见图4。

图4 引射器整体网格和喷嘴入口处加密网格

2.3 模型及边界条件设置

本研究采用了Standard k-e湍流模型，Species Transport组分传输模型。密度和压力的耦合求解采用SIMPLE算法，连续性方程、动量方程、组分传输方程的离散均采用二阶迎风格式。

各引射器边界条件设置如下表5所示，各引射器的喷嘴燃气入口均采用速度入口，空气入口采用压力入口形式，燃气与空气的温度均为293K，燃气体积组分为75%的丙烷与25%的丁烷，空气体积组分为21%的氧气与79%的氮气，引射器出口采用压力出口形式。

表5 各引射器边界条件设置

3 计算结果与分析

本研究选取喉部直径为8 mm、喷嘴距离为0 mm工况下的Ejector1引射器进行了理论计算与数值模拟的比较。

3.1 理论计算结果

Ejector1引射器喉部直径为8 mm时，燃烧器系数参照《燃气燃烧与应用》(第3版)中介绍的公式进行计算:

式中:C——燃烧器系数，与燃烧器的几何尺寸及阻力特性有关，与喷嘴的出口面积无关；

Ft——引射器喉部面积，mm2；

K——引射器能量损失系数，对于2型引射器，K=2.1；

K1——燃烧器头部能量损失系数，根据前面计算取2.153；

F1——燃烧器常数，引射器喉部面积与火孔面积之比。

式中:Lg——燃气体积流量，m3/s；

u——引射器的质量引射系数；

s——燃气的相对密度；

H——喷嘴前的燃气压力，Pa，采用数值计算得到的结果1 890 Pa。

将引射器Ejector1，喉部直径为8 mm对应的燃烧器的相关参数代入公式(4)和公式(5)，可计算得到引射器的质量引射系数为10.86。

3.2 数值模拟计算结果

引射器Ejector1喉部直径8 mm，喷嘴距离为0 mm，引射器出口压力为4.21 Pa，数值模拟计算得到的对称面的速度场、压力场和丙烷浓度场分别如图5、图6和图7所示。

由图5和图6可发现燃气由喷嘴以高速喷出，在一次空气引射孔周围形成负压，从而从周围环境中引射一定的一次空气量，燃气与空气在引射管内充分混合，进行能量和动量交换，燃气速度迅速降低，最后以较稳定速度进入燃烧器头部。由图7可发现燃气与空气充分混合后，混合气中丙烷的体积分数约0.065。

图5 引射器中心截面速度分布(m/s)

图6 引射器中心截面压力分布(Pa)

图7 引射器中心截面丙烷体积浓度分布

引射器Ejector1中轴线上的静压分布和速度分布分别如图8和图9所示。

图8 引射器中轴线上的静压力分布

图9 引射器中轴线上的速度分布

图8 和图9中的吸气收缩段(-0.02～0 m)，高速燃气与空气进行动量交换，将空气引射进入引射器内，使得中心线上压力迅速降低，气体速度也迅速降低；扩压管段(0～0.028 m)，混合气体动压转化为静压，压力逐渐升高，速度降低。计算得到的中轴线上的压力分布图和速度分布图与《燃气燃烧与应用》中介绍的常压吸气低压引射器的工作原理图中的压力分布和速度分布吻合。引射器Ejector1的数值模拟计算结果如表6所示。

与理论计算结果进行比较，质量引射系数理论计算值和数值模拟计算值相差4.23%，在允许的误差范围内，说明了数值模拟计算方法的可信度。

表6 数值模拟计算结果

3.3 各引射器不同工况的计算结果

4组引射器不同工况下的数值模拟计算结果如表7所示。

表7 各引射器不同工况数值模拟计算结果

从各引射器的计算结果可以看出，引射器出口压力与喷嘴距离对引射器的引射系数具有较大的影响。由喉部直径为6.8 mm、喷嘴距离为5 mm的Ejector1计算结果可发现，引射器的引射系数随出口压力的增大而减小，其中对比3 Pa、4.21 Pa、5 Pa三种工况，出口压力为3 Pa的质量引射系数比出口压力5 Pa下的大27%；同时，对比喉部直径8 mm，出口压力为4.21 Pa的Ejector1在不同喷嘴距离的三种工况的引射系数变化，喷嘴距离-4.8 mm时的质量引射系数比5 mm时的大37%。由以上数据得到，当引射器喉部直径为8 mm，喷嘴距离为-4.8 mm时，一次空气系数能为0.771，略小于设计值0.78。根据该尺寸下一次空气系数和喷嘴距离的关系，喉部直径为8 mm时，通过调节喷嘴距离可以满足一次空气系数设计值0.78。

引射器Ejector2的设计一次空气系数为1.2，其喉部直径为12 mm，喷嘴距离为5 mm时计算得到的一次空气系数为1.331，大于设计值；喉部直径为10 mm，喷嘴距离为0 mm时计算得到的一次空气系数为1.088，小于设计值；综合考虑，采用喉部直径为11 mm的引射器可满足设计要求。引射器Ejector3设计一次空气系数为1.2，喉部直径10 mm，喷嘴距离为0 mm时，一次空气系数为1.239，大于设计值；当喉部直径8.68 mm，喷嘴距离-5.208 mm时，一次空气系数为1.213，稍大于设计值，通过调节喷嘴距离可满足设计要求。

引射器Ejector4的设计一次空气系数为0.78，引射器喉部直径为6.2 mm，喷嘴距离为5 mm与-3.72 mm时，引射器的一次空气系数均小于设计值；引射器喉部直径为7.5 mm条件下，喷嘴距离为-4.5 mm时的一次空气系数为0.802，略大于设计值；综合考虑，采用喉部直径为7.5 mm的引射器可满足设计要求。

4 结语

本文对一款家用浓淡燃烧灶具4组不同的2型低压引射器进行了设计与数值模拟，对比了不同工况下引射器的质量引射系数和一次空气系数，分析了引射器引射性能的主要影响因素，得到如下结论:

(1)引射器引射性能的主要影响因素包括:引射器喉部直径、引射器出口压力及喷嘴距离等。

(2)引射器的一次空气引射系数随着引射器出口压力的减小而增大，喷嘴距离与引射系数的关系并不是简单的线性关系，而与喷嘴直径和引射器喉部直径的相对大小有关。

(3)对于外圈与内圈的浓火孔引射器Ejector1与Ejector4，设计的一次空气系数均为0.78，其分别采用喉部直径为8 mm与7.5 mm的引射器可满足设计要求；对于外圈与内圈淡火孔引射器Ejector2和Ejector3，设计的一次空气系数均为1.2，分别采用喉部直径为11 mm与8.68 mm的引射器可满足设计要求。