基于CFD的燃烧器火盖性能研究

2019-08-07周亮

日用电器 2019年7期

周亮

（广东万和新电气股份有限公司佛山 528305）

前言

随着城市燃气的普及，在大气式家用燃气灶已然成为了家庭必备的厨房用具之一。目前，市面上各种燃气灶品类繁多，其质量也参次不齐，但普遍热效率不高，烟气中的CO和NOX化物含量偏高，这些都对人体有着危害。随着各大公司及机构对家用燃气灶的深入研究，燃气灶的各种性能指标也在逐步的提升。且随着生活水平的提升，人们对产品的外观要求也越来越高。因此，开发出外形美观实用、高效节能污染少的家用燃气灶不仅对企业具有重要的指导意义，另一方面也可为国家能源可持续发展做出重要贡献。但是燃气具行业竞争加剧，各大企业为了提高竞争力，不断地研发推出新产品，这就需要加快研发进程，传统的设计方法已经无法满足日益增快的新产品需求。因此引入先进的CFD研究手段是一种新型的研发手段，其优势在于研发速度块，成本低。本文中的研究主要是针对燃气灶的研究，运用CFD软件仿真模拟燃烧器的燃烧，最终分析得出我们所设计结构的合理性。

1 燃烧器模型的建立

本论文研究的燃气灶是以天然气为燃料的大气式燃气灶，图1为大气式燃气灶3D模型图、图为2外环燃烧器内部流场模型图、图3为外环燃烧器内部流场网格化后的模型、图4为燃烧器燃烧模型3-D、图5为燃烧器燃烧模型网格化3-D图。图6-9为本文分析的几种火盖的3-D模型图。对大气式燃气灶燃烧过程进行三维数值模拟，该过程包括燃气灶三维物理模型的建立、网格的划分、计算模型的选择、边界条件的设置以及数值模拟计算结果的分析等。

本研究使用workbench对燃烧器进行模拟仿真。运用spaceclaim对燃烧器物理模型进行优化处理，通过抽体积方式得到外环燃烧器的流体区，在经过去倒角，短边等操作得到一个较优燃烧器内部流体域。把燃烧器内部流体域导入到mesh软件中，对进出口边界面重新命名，对于结构尺寸比较小的喷嘴和火孔，进行局部2阶加密，最后采取整体自动化网格，得到模型的整体网格数约为300万，如图3所示。本研究选择压力求解器，速度属性选择绝对速度；重力加速度为-9.8 m/s2，时间属性选择稳态即稳态运算[4]。

燃烧器数学模型选着湍流Realizable k-e模型，打开能量守恒方程，其中涉及个组分的混合，所以须打开打开组分运输模型，混合气体选择methane-air。燃烧器物理模型中，甲烷采用质量速度入口(massflow-inlet)，根据热负荷计算出为7.2e-5 kg/s。一次与二次空气入口都采用压力入口(pressure-inlet)，静压设置为0 pa。出口边界均采用压力出口(pressure-outlet)，静压设置为0 pa。

通过对燃烧器燃烧进行数值模拟，设计分析了四种不同类型的火盖对燃烧器性能的影响，经模拟仿真得到了燃烧器内部甲烷浓度场矢量图、燃烧温度场分布图及一次空气的引射量。为了方便观察，需要适当的选取结果展示区间，本文根据仿真结果选择结果展示区间为摩尔浓度比在0.01～0.14之间。

2 燃烧器结构性能分析

2.1 燃烧器的内部流场分析

图1 大气式燃气灶3D模型图

图2 外环燃烧器内部流场模型图

图3 外环燃烧器内部流场网格化后的模型

图4 燃烧器燃烧3D模型

图5 燃烧器燃烧3D模型网格化

图6 圆弧面多孔结构火盖

图7 平面多孔结构火盖

图8 斜面槽型火盖

图9 侧面开孔火盖

本研究基于万和自主研发的燃烧器平台，分别通过仿真分析了其结构的特性，如图10所示为燃烧器内部甲烷分布矢量图，图中左侧颜色坐标代表着燃烧器内部甲烷的摩尔浓度，浓度越大颜色越红，而图中的矢量箭头代表着此处的流速大小。从图中可以看出燃气在底部以一定的压力喷出进入引射腔，此处的流速达到最大，及矢量长度最长。由于速度较高形成一个低压区，使得一次空气从炉头的两侧进入引射腔，燃气与一次空气在混合腔内混合均匀，在此过程中，由于混合消耗能量，燃气的流速有所下降，即矢量长度变短。最后到炉头的头部，经过火盖孔喷出燃烧器，最后在大气中燃烧。

2.2 燃烧器的燃烧温度场分析

图11-14分别为四种火盖下的仿真燃烧温度分布场。图中左侧颜色坐标代表着燃烧的温度场分布，温度越高颜色越红，从四个图中我们发现在火盖附近的温度最高，往上在逐渐减小，这是因为这是大气式燃烧器，底部与顶部都与大气相连，燃烧热与烟气都随着与大气的流动而带走，但仔细看，我们可以看出四个图最高温度的宽度大小并不一样，其中图11最高温区域最宽，图12次之，图13、图14最小，众所周知，换热面积越大，换热效率就越高，而我们的高温区域越宽，预示着其高温区换热面积越大，其热效率必然会更高，还有高温区域越宽，代表着其与炊具高温接触面积越大，即其具有火力更加均匀特性，食物也能更加均匀受热。由此可见，从火力均匀性及增大高温换热区来考虑，第一种方案必然是最佳方案，由图11-14我们得知，这是一种在火盖上表面开孔的方式，且其上表面还是曲面。而上表面为平面的次之，这是因为曲面开孔方式具有发散效果，其火力更加容易往两边燃烧，增大了其高温区域。当然除了高温区域的宽度不一样，我们还可以从左边颜色坐标读出最高温度值，经过统计我们到如图15。结果很显然，其最高温均不一样，其中传统侧面开孔温度最高，圆弧面开孔和平面开孔的次之，斜面开槽的最差。的这是因为其火孔数量及火孔面积不同，传统侧面开孔，一般火孔较大，数量较少，即每个火孔的火力都比较大，其燃烧温度自然会更高。而圆弧面和平面应为具有较宽高温区，可以很好的保证其燃烧热量不损失，从而保证一个较高的温度值，而斜面开槽则会是的火焰湍流程度大，热交换较快，即很容易被空气和烟气带走热量，从而温度较低。

图10 外环燃烧器内部甲烷摩尔浓度矢量图

图11 圆弧面多孔结构燃烧温度分布场

图12 平面多孔结构燃烧温度分布场

图13 斜面槽型燃烧温度分布场

图14 侧面开孔燃烧温度分布场

图15 火盖开孔方式与燃烧温度的关系

图16 火盖开孔方式与一次空气量的关系

2.3 燃烧器的引射性能分析

通过对四种火盖的模拟仿真，我们可以得出其一次空气的进口流速，经过整理得到如图16所示，从图中我们可以直观地看出，第一种圆弧面的开孔方式的一次空气流量最大，斜面开槽和平面开孔的次子，传统侧面开孔的最差，分析其原因是因为传统侧面开孔一般火孔较少，开孔面积小，为了防止回火的产生，其火孔深度必然较大，这就导致了其腔内的流动阻力较大，是的一次空气难以引入，而圆弧面开多孔的方式，其一火孔较多，开孔面积较大，每个火孔的火力较小，不容易回火，火孔深度较浅，其腔内流动阻力较小，一次空气可以更加轻松的引入。