低压引射器的数值模拟及参数化研究

上海林内有限公司 倪娟娟安世亚太上海分公司 季锃钏

低压引射器的数值模拟及参数化研究

上海林内有限公司 倪娟娟安世亚太上海分公司 季锃钏

主要研究低压大气式燃烧器中引射器内部流动情况及结构设计中的参数化，通过实验和数值模拟对比一次空气系数和质量引射系数，验证数值模拟软件的可靠性，再利用CFD软件对引射器进行参数化研究；利用 Workbench平台分别从风门位置的变化、喷嘴位置的变化和混合管长度的变化等三方面进行对比得出结论。

引射器 数值模拟 燃烧器 参数化 实验

0 引言

低压大气式引射器的结构设计一般是根据实验获取的数据和经验公式来确定结构，设计中的一些问题点也是通过反复的实验来解决和改进的。虽然引射器的工作原理简单，但内部流场相当复杂。受测试手段和方法的限制，通过实验难以获得燃烧器内部流动的真实信息，例如速度场、浓度场和压力等分布，因而造成目前产品开发过程中，需要多次打样，反复做实验和修改结构才能得到最终产品。这种方式比较传统，浪费时间且投入成本较高。随着计算流体力学的飞速发展，利用 CFD来研究燃烧器内部流场、多组分扩散、化学反应等复杂的流动现象的公司越来越多，计算流体力学在产品设计过程中起到了越来越重要的作用。

本文研究的是低压大气式燃烧器中关键部件之一的低压引射器。燃气在一定压力下，以一定流速从喷嘴流出，进入吸气收缩管，燃气靠本身的能量吸入一次空气，在引射管内燃气和一次空气混合，然后经头部火孔流出，其中引射器内部燃气和空气的混合是本文研究的重点。通过利用现有燃烧器对其流场进行数值模拟，与实验结果分别从一次空气系数、燃气和氧气的体积分数、质量流量等方面进行对比。然后分析其压力分布图，通过调整喷嘴伸进引射管的距离、风门开孔的位置等几方面对引射管进行参数化研究，使其引射能力达到最佳状态，对优化该引射器的结构具有重要的指导意义。

1 数值模拟与实验对比

1.1 值模拟

我司某型号的燃烧器结构见图 1，在此结构上做数值模拟。在常温下引射器内的燃气密度为常数，且满足牛顿流体条件；引射器内的燃气速度较低属于不可压缩流动，引射器内的燃气流动满足Navier-Stokes方程。

图1 燃烧器结构示意

本文采用ANSYS Fluent 16.0基于压力的求解器模拟燃烧器内燃气的流动情况。计算采用伪瞬态算法，湍流模型使用Realizable k-e模型，并结合标准壁面函数模拟边界层内部流动，连续性、动量、湍动能和湍流耗散率方程的离散选用二阶迎风格式。边界条件：燃气进口设为压力进口，总压1 860 Pa (通过试验测得)，物质组分纯甲烷体积分数为1；空气进口设为压力进口，总压为0 Pa，物质组分氧气体积分数为0.21；燃烧器的出口空间区域设为压力出口，压力设为0 Pa；引射器壁面上采用无滑移边界条件。

本文采用Solidworks软件对引射器进行几何建模，然后导入ANSYS DesignModeler中进行几何简化及流体域抽取，再将流体域导入ANSYS Meshing生成网格，ANSYS Meshing网格划分工具具有多种网格划分算法，对复杂几何结构可以分区采用四面体和六面体混合的非结构网格来满足计算要求。燃烧器网格如图2所示：

图2 燃烧器的网格

1.2 实验测试

一次空气系数α是实际吸入的一次空气量与完全燃烧器需要空气量的比值。它是引射型大气式燃烧器的关键参数，对燃烧状态影响很大。为了测出燃烧器的α值，从燃烧器头部抽取混合气样，并分析其中氧含量，这样根据混合气样中氧含量的大小计算出一次空气系数，并且可以计算出质量引射系数。

一次空气系数的测试系统按照参考《燃气检测技术手册》中引射型大气或燃烧器气体动力性能测试系统，主要包括燃气(纯甲烷)、燃气流量计、压力计、燃气灶、微压计、注射器和气相色谱仪等。一次空气系数实验流程如图3所示。

图3 一次空气系数实验流程

一次空气系数可以表示为：

式中：α——为一次空气系数；

O2,m——燃气与空气混合气中氧的体积百分数，%；

V0——标准状态下1 m3的燃气燃烧所需的理论空气量，m3/m3；

O2——空气中氧的体积分数，%。质量引射系数可以表示为：

式中：u——质量引射系数；

ma——被引射气体质量，kg；

mg——引射气体质量，kg。

1.3 结果对比及分析

1.3.1 压力分布

主引射管压力分布云图见图4。

图4 主引射管压力分布

从图4中可以看出燃气在一定压力下从喷嘴流出，形成一个负压区(白色)，卷吸空气从风门入口流入，燃气压力降低，燃气和空气在混合段掺混，在流动过程中燃气压力进一步减小，一部分传递给空气使空气动压增大，一部分用来克服流动中的阻力损失，另一部分转化为静压，在扩压段出口压力小于进口压力。此压力分布状况完全符合参考文献《燃气燃烧与应用》中的引射器工作原理图。

1.3.2 一次空气系数与质量引射系数

燃烧器出口实验与数值模拟数据对比见表1。

表1 燃烧器出口实验与数值模拟数据对比

从表1对比中可以看出，一次空气系数和质量引射系数的相对误差都在2.17%，说明Fluent软件对此模型的模拟结果与真实情况较为接近，可以用Fluent软件对此结构做参数化研究，为引射管的结构设计提供指导意见。

2 引射器结构参数化

影响大气式燃烧器一次空气引射能力的因素有混合管的喉部尺寸和锥度，火孔总面积、火孔大小和深浅、混合管的长度和弯度、内壁状况、喷嘴位置、一次空气口的形状、燃烧器头部形状、头部温度、燃气密度、热值、压力等。

从实验与数值模拟的对比中可以看出，Fluent软件的可靠性，因此在参数化的过程中，为了节省计算量，把燃烧器的头部忽略掉。只取引射器、风门和喷嘴部分。入口的边界条件不变，出口的边界条件变成压力出口5.1 Pa。分别从一次空气入口的位置、喷嘴的位置、混合管的长度等几方面利用Workbench平台对引射器进行参数化研究。

2.1 一次空气入口位置的变化

从图4的总压图中可以看出，风门的位置发生变化，被引射的空气与吸气收缩管碰撞的位置发生变化，对一次空气系数有很大的影响。风门的位置设置了5个点，见图5。

图5 风门位置设置示意

此模型中的风门位置，风门向径向移近作为负坐标-1 mm，-2 mm，风门向径向移出作为正坐标1 mm，2 mm，当风门位置移动时，保证进风面积不变，计算结果见图 6。其中横坐标零点的位置为此模型的原始位置。根据模拟结果，由公式(3)计算出各种情况下的一次空气系数相对变化率Δα。

式中：Δα——一次空气系数相对变化率；

α——喷嘴在任意位置处一次空气系数；

α0——喷嘴在0位置处的一次空气系数。

图6 一次空气系数随风门位置的变化

风门径向位置偏移后的压力分布云图见图7。

图7 风门径向位置偏移后的压力分布

从图6中可见，风门沿径向向内移动到-2 mm时一次空气系数的相对变化率增长最大，引射能力最好。随着风门位置沿径向向外移动时，一次空气系数的相对变化率逐渐变为负值，即引射能力逐渐减小。从图7的压力云图中可以看出，当风门位置沿径向发生变化时，负压区域也发生变化，空气被卷吸进入后与吸气收缩管相碰撞的位置也发生变化。风门向径向移近-2 mm时负压区域最大，被引射的空气与收缩管相撞的能量损失最小，所以引射能力最大。对于此引射器模型，相同面积的进风量时，风门开孔位置离喷嘴越近，引射能力越好，风门开孔位置离喷嘴越远，引射能力越差。

2.2 喷嘴位置的变化

文献《燃气燃烧与应用》中明确指出，安装喷嘴时，其出口截面到引射器的喉部应该有一定的距离，否则将影响一次空气的吸入；喷嘴中心线与混合管中心线应一致，二者有偏差或有交角对引射一次空气量不利的，偏移或交角越大，其影响越大。本文只考虑喷嘴中心线与混合管中心线一致的情况，只改变喷嘴出口截面到引射器喉部的距离，即喷嘴沿轴向方向变化。分别给出9个计算工况，现有位置的计算工况为0位置，喷嘴在此位置向喉部移动作为正向坐标，分别移动1 mm、2 mm、3 mm、4 mm；喷嘴在此位置向远离喉部的方向移动作为负坐标，分别移动-1 mm、-2 mm、-4 mm、-6 mm。根据模拟结果，由公式(3)计算出各种情况下的一次空气系数相对变化率Δα，计算结果见图8。

图8 一次空气系数随喷嘴位置的变化

文献《燃气燃烧与应用》中阐述了当喉部直径dt>喷嘴外径 dout时，一般取喷嘴到喉部的距离l=(1.0~1.5)dt。此模型中喉部直径为14 mm，喷嘴外径为7 mm，喷嘴到喉部的距离为17 mm，符合上述条件l的取值范围在14~21 mm之间，此模型给定的距离在l要求的范围内。

从图8中可以看出，当x=-2~3 mm时，一次空气系数变化率为正值且波动范围不大，表明一次空气系数增大，引射能力增大。当x=3和x=-4时分别为l取值范围的临界值14 mm和21 mm，从图8中可以看出，x=3时，一次空气系数最大，引射能力最好；当x=-4时，一次空气系数已经变为负值，引射能力变差。当x=4和x=-6时已经超出喷嘴到喉部的参考距离，从图8中可以看出一次空气系数变化率为负值，一次空气系数减小，引射能力变差。

因此，此模型l的值可取在14~19 mm之间，其中14 mm时引射能力最好。从数值模拟和理论分析都表明喷嘴出口截面至喉部的距离在一定范围内对一次空气系数影响不大，当超出此范围后一次空气系数减小，影响引射能力，最终影响燃烧器的燃烧状态。从图8中可知此模型中的喷嘴出口截面和喉部的距离没有达到最优，还有优化空间。

2.3 混合管长度的变化

混合管的作用是使燃气与空气进行充分混合，使燃气-空气混合物在进入扩压段之前，其速度场、浓度场及温度场呈均匀分布。文献《燃气燃烧与应用》中给出，由于两股气流在有限空间内的混合十分复杂，因此，混合管的长度在很大程度上要根据实验资料确定。实验数据表明混合管的长度通常取lmix=(1-3dt)。由于现在计算流体的发展，目前当其它尺寸确定后可以利用数值模拟软件对混合长度进行计算，达到优化设计的目的。

由于时间的限制，目前只对现有模型就混合段取了3个点计算，现有混合管长度为0位置，混合管长度增加10 mm，和混合管长度减小10 mm。一次空气系数相对变化率随混合段长度的变化如图 9所示。

从图9中可以看出混合管长度在10~20 mm之间时，一次空气系数变化较小且一次空气系数比较大，当混合段长度在20~30 mm之间时，一次空气系数逐渐变小。此模型中混合管长度刚好为20 mm，认为此模型混合管长度比较合理。

图9 一次空气系数随混合段长度的变化

3 结语

(1)对整个燃烧器进行数值模拟和实验对比，发现数值模拟误差很小，适合目前结构的仿真计算；

(2)本引射器结构中，当进风面积相同时，风门开孔位置离喷嘴越近，引射能力越好，风门开孔位置离喷嘴越远，引射能力越差；

(3)喷嘴出口截面至喉部的距离在一定范围内时一次空气系数波动不大，当超出此范围后一次空气系数减小，引射能力减小，最终影响燃烧状态；

(4)本引射器混合段的长度设计较合理，在推荐范围内，一次空气系数较大，引射能力较好。

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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