基于CFD模拟的燃气灶燃烧器结构设计研究

周亮

摘要：用燃气灶燃烧器的传统实验研发方式存在着周期长、成本高等缺点。数值模拟方法的兴起和发展，为燃气灶具的设计和优化提供了便利，能够有效地缩短工程周期、节约成本。本论文以大气式燃气灶燃烧器作为研究对象，建立三维物理模型，采用Realizable k-e湍流模型、DO辐射模型及涡耗散燃烧模型，进行燃气灶数值模拟分析，通过从燃气灶速度场、烟气浓度场、温度场等方面分析了燃烧器的性能，得出在锅底增加隔热分流挡片能够成功地降低锅底中心区域温度40℃。

关键词：燃气灶燃烧器 数值模拟 隔热分流挡片 防干烧

Research on Structure Design of Gas Stove Burner Based on CFD Simulation

ZHOU Liang（Guangdong Vanward New Electric Co.， Ltd. 528305）

Abstract：The traditional experimental research and development methods of domestic gas stove burners have shortcomings such as long cycle and high cost. The rise and development of numerical simulation methods have facilitated the design and optimization of gas stoves， which can effectively shorten the engineering cycle and save costs. In this thesis， the atmospheric gas stove burner is taken as the research object， and the three-dimensional physical model is established. The Realizable k-e turbulence model， the DO radiation model and the eddy-dissipative combustion model are used to simulate the gas stove numerical simulation. The performance of the burner was analyzed in the speed field ，the concentration field of flue gas terms and temperature field from the gas stove. It was found that the addition of the heat-insulating shunt at the bottom of the pot can successfully reduce the temperature of the center of the pot at 40°C.

Keywords：Gas stove burner，Numerical Simulation，heat-insulating shunt，Anti-dry

1、引言

由于燃气灶技术研发涉及到专利保护等方面的缘故，国外文献中呈现的是利用现存产品进行研究的成果。Shuhn.Shyurrg和Yung.ChangKo[1]研究了灶头火孔倾角对火焰结构的影响，同时发现了锅支架高度对火焰结构和热效率的影响规律，锅支架高度为12mm、火孔倾角为60°时高温区域最大且热效率也较高。Hcu SS等[2]进一步研究发现对于甲烷空气混合气体，锅支架高度对燃烧温度场分布、火焰结构及热效率的影响最显著。Hou等[3]研究发现火焰结构受燃气灶火孔倾角的影响，且在锅支架高度较低时影响更显著，其结果为设计提供了有力参考。Stoningtcn等[4]通过使用多个控制参数的实验设计方法，以此来研究三种不同型号燃气灶燃烧器的热工性能，研究结果表明：燃气灶热工性能（主要指燃气灶热效率）不仅受锅支架高度与燃烧时火焰长度二者比值的影响（只有在坐锅状态下），而且还受热负荷波动的影响（坐锅与不坐锅状态），实验显示增加它们中的任何一项都会降低热效率。冯良[5]等人采用计算流体动力学Computational Fluid Dynamic（CFD），模拟了大气式燃气燃烧器中引射器的流场，结果表明通过数值模拟不仅可以提供详细的流场信息，而且具有传统实验研究无法比拟的优点。本课题并非纯理论研究，而是基于本公司的一款新型防干烧家用灶具的防干烧装置，防干烧装置材料的局限性要求测温探头温度在一定的区间内，本课题研究的核心技术即为如何控制特定区域的温度区间。基于此课题，本文先用CFD仿真模拟得出设计方案的可行性，并通过实验验证，最终得到燃烧器的合理结构。

2、燃气灶燃烧器模型的建立

本论文研究的燃烧器是以天然气为燃料的大气式燃烧器，图1为燃烧器3D模型图及实物图。

本研究对网格类型的选择，采用结构化网格和非结构化网格相结合的方式。同时在进行网格划分时，对于结构尺寸比较小的部位，比如喷嘴和火孔，以及燃烧区域，先进行局部加密，后进行整体网格划分，这样既保证模型划分网格的质量也减少了模型整体的网格数量，有利于提高計算结果的精度和节省计算时间，模型的整体网格数约为260万，如图2（2）所示。本研究涉及到的流动问题可以近似认为不可压缩流体的流动，所以求解器选择压力求解器（将动量和压力或者压力修正作为主要变量），并且速度属性选择绝对速度；时间属性选择稳态即稳态运算。[6-9]

能量守恒定律是包含有热交换的流动系统一定要满足的基本定律。但是对于不可压缩流动，如果热交换量很小以至于可以忽略时，可不列出能量守恒方程。不过本研究涉及到燃烧过程，其中辐射传热是不可忽略的（燃烧温度最高可达2000℃，温差范围最大可达1700℃），故能量守恒方程也是本研究必须考虑的基本守恒方程之一。能量守恒定律可表述为：微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力与面力对微元体所做的功，即热力学第一定律。

本研究选用的湍流模型是Realizable k-ε模型，首先因为Realizable k-ε模型能使得模拟结果和实验结果符合性更好，其次，Realizable k-ε模型能较精确地预测平面和圆形射流扩散作用，在旋转流动、边界层流动、流动分离和二次流等方面也有很好的表现：最后，考虑到计算机性能及计算所用时间等因素，所以本研究选用Realizable k-ε模型。

本研究选用DO模型，原因是DO模型是适用范围最广的模型，它不仅精度高，而且考虑的因素多，其计算范围涵盖了从表面辐射、半透明介质辐射到燃烧问题中出现的参与性介质辐射在内的各种辐射问题。

燃气灶物理模型中，甲烷采用质量速度入口（massflow-inlet），二次空气入口边界采用压力入口（pressure-inlet），出口边界均采用压力出口（pressure-outlet）；锅壁面边界采用无速度滑移、无质量渗透的固温边界条件（Temperature）；除了灶头设置为固体边界条件（solid），其他的区域均设置为流体边界条件（fluid）。本研究中速度入口和压力出口等边界条件的气体湍流参数采用给定湍流强度，和水力直径D（此方法有利于模拟计算的快速收敛），其水力直径定义为四倍的流通面积与湿周周长之比，湿周为流通截面上流体与固体壁面接触的长度。

通过对大气式燃气灶燃烧过程进行数值模拟，得到了燃气灶各组分浓度场分布和燃烧的速度场、温度场。由于所研究的对象为三维模型，所以均取截面进行分析，且建立的模型坐标原点位于火盖上平面中心下方40mm处。

3、燃烧器性能分析

3.1 有无隔热分流挡片的速度场分布

图3（1）显示引射器截面的甲烷气体的浓度分布图，甲烷气体在一定压力下，以一定流速从喷嘴喷出并靠自身的能量吸入一次空气，由于一次空气是甲烷气体依靠其动能吸入，所以甲烷气体的速度减小而一次空气速度增加；收缩段后进入混合段（引射器类似文丘里管，由收缩段、混合段和扩压段组成）其混合段作用是使得甲烷气体和空气混合均匀，由矢量图3（2）可以看出刚开始速度分布呈现中间速度大、壁面附近速度小的状态，但在混合段尾端附近，其混合气速度分布较均匀，由于气体混合是耗能过程，所以混合气体平均速度减小，由于后半段是扩压段，部分动压转化为静压，最终混合气体在火孔出口处燃烧。

如图4所示，对比火孔出口流速，发现无隔热分流挡片的流速略高于有隔热分流挡片的出口流速，主要是因为隔热分流挡片的存在增大了体系的静压力，导致出口流速变小。

3.2 有无隔热分流挡片的组分浓度场分布

从图5（1）可以看出燃气灶火孔处CO浓度较高，原因是甲烷和一次空气混合燃烧，其反应是二步反应，首先甲烷和一次空气反应生成CO，CO再和剩余的氧及从周围卷吸的二次空气继续反应生成CO2，故火孔处CO浓度较高。对比两种结构的一氧化碳质量分数分布图可以看出，添加隔熱分流挡片后，CO的浓度减小，这说明隔热分流挡片对烟气的减小有一定的作用，另一方面，图5（3）表示氧气质量分数分布图，由图可知火焰燃烧区域由于燃烧消耗大量氧气，使得该区域氧气质量分数非常低，燃气燃烧产生的高温烟气沿着锅壁向上流动使得锅壁附近的氧气质量分数低于空气中的氧含量。而隔热分流挡片的存在阻碍了二次空气的进入，迫使来不及燃烧的燃气往上走，相对的中心区域的氧含量比无隔热分流挡片略高一点，最终导致高温区外移，从而降低了中心区域的温度，

3.3 有无隔热分流挡片的温度场分布

如图6可以看出，燃气和一次空气的混合气体从火孔中以一定速度喷出，在喷出同时被点燃，预混燃烧并形成片状火焰，其火焰温度场呈多层次分布。随着截面位置的变化，外圈火孔火焰温度先升高后降低，因为开始随着截面位置的上升，向着火焰中心移动，所以火焰温度逐渐上升；而后随着截面位置的上升，其截面远离火焰中心同时与锅底越来越近，火焰向锅底的传热和向环境的散热增加，所以火焰温度逐渐下降。中心火孔燃气燃烧的空气系数（包括一次空气系数和二次空气系数）低于外圈火孔，则中心火孔燃气燃烧情况不及外圈火孔，故中间火孔火焰温度低于外圈火孔火焰。火焰中心部分温度最高（主要指火焰锋面，其最高温度约为1800℃），从内到外温度呈递减趋势。燃烧产生的高温烟气向锅底面以及锅边沿流动，随着高温烟气向周围流动的同时，高温烟气一边向锅传热一边向周围散热和辐射，所以烟气温度逐渐减小。燃气燃烧生成的高温烟气沿着锅壁面由下向上流动，其温度分布呈现由下而上逐渐降低，锅底边沿烟气温度约为700℃。

对比图6（1）和图6（2）两种结构的温度场可知，在增加隔热分流挡片后，中心区域的温度颜色明显变淡，即温度有所降低。图6（3）为不同高度下的温度与锅底径向位置的关系图。通过对等半径的圆取平均温度得到如表1数据，经计算得出大约有40℃左右的降低，效果明显。

综合以上分析，我们对两种结构进行实验验证，在相同条件下，以温度传感器在水烧开5分钟时测得的温度值T1与温度传感器外表面温度T2作为对比依据，见表2。

由实验数据可知，两种结构的真实温差大约在50℃，这与仿真的数据在定性上是一致的。但由于仿真存在很多假设的前提，所以对于结果偏于理想化，所以CFD仿真对结构的优化设计可以起到指导作用。

4、结论

通过对两种中心分火器的结构进行了研究，由模拟仿真可得出在分火器上添加一个隔热分流挡片可以降低中心区域的温度，大约可降低40℃，并且通过实验验证了这一结果，试验与模拟仿真的误差值大约在20%。由此可以看出，基于CFD的模拟仿真在一定的情况下可以指导结构优化设计，提高开发产品的效率。

参考文献

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