大功率家用燃气灶的数值模拟

同济大学机械与能源工程学院 陈 露 冯 良 彭 伟 杨宝刚

1 概述

大气式燃烧器利用燃气引射助燃空气，使燃烧所需的一部分空气先在引射管内与燃气混合，然后再送入燃烧器头部燃烧，被广泛地应用于民用和工业领域。目前国内和国外的燃气灶的热负荷大都在3.8kW以内，虽然在热效率和烟气排放上的研究相对完善，但是热负荷较小，不足以满足我国人民日常的爆炒烹饪习惯。GB 16410－2007《家用燃气灶具》对热负荷做出强制性规定：两眼和两眼以上的燃气灶和气电两用灶应有一个主火，其实测折算热负荷：普通型灶≥3.5 kW；红外线灶≥3.0 kW。目前关于大功率家用燃气灶的研究大多集中于引射器结构设计和热效率提高措施上，而市场需求使得燃气灶的引射设计不仅仅局限于传统的低压引射式，风机鼓风以提供一次空气也逐渐被引进家用燃气灶的设计，一次空气系数的提高现实可行。因此探究在现有燃气灶的灶头火孔形式下的大功率、高一次空气系数的燃烧状况具有现实意义。

2 FLUENT数值模拟

2.1 物理模型及物性参数计算

本文根据市面上某额定功率为5 kW家用燃气灶的实际尺寸建立模拟物理模型。模拟燃气灶的尺寸参数见表 1。模拟天然气采用纯甲烷，模拟燃气温度为 25 ℃，环境温度为 20 ℃，该条件下甲烷的低位体积发热量为33.365 MJ/m³，燃烧所需空气量为 9.52 m³/m³。

表1 模拟燃气灶的尺寸参数

2.2 网格划分

本文研究对象为燃气灶火盖外的燃烧区域，采用 icem进行非结构化网格的划分。不同的计算域采用不同的网格密度，对于尺寸较小的火孔以及火盖区域进行加密处理。考虑到模型的结构为轴对称，建立1/8轴对称模型几何结构。模拟区域尺寸主要考虑燃气灶实际的使用情况以及国家标准的规定，以燃气灶头为中心半径200 mm，距离灶台高108 mm作为模拟区域。

图1 模拟网格

2.3 模型算法及边界条件

本文不考虑甲烷与一次空气的预混过程，设甲烷与一次空气在进入火孔前已经混合均匀，只模拟部分预混气体从火孔流出后的燃烧状况。模拟过程主要包括气体的燃烧，辐射换热等过程。流体定义为不可压缩的牛顿流体，流动遵循动量守恒定律、能量守恒定律和质量守恒定律。对流体作如下假设：流场已充分发展为稳态湍流流动；忽略体积力的影响；流动在壁面上无滑移。采用适用于燃烧的基于压力的分离求解器。湍流流动模型采用标准k-ε计算模型，该模型适用范围广、经济，有合理的精度。燃烧模型选用气相燃烧模型中的有限速度模型，同时选择有限速度模型中的涡耗散模型，适用于湍流、快速化学反应。该计算模型忽略了复杂的而化学动力学因素，突出湍流混合对燃烧速率的控制作用。化学反应速率由大尺度涡混合时间尺度k/e控制，只要k/e (湍流)＞0出现，燃烧即可进行，不需要点火源来启动燃烧。辐射换热模型选择DO模型，其精度高，考虑因素多，在所有场合均可运用。压力和速度耦合采用SIMPLE算法，它的优点是可以直接求出速度场和压力场，收敛性很好，对流场采用二阶迎风格式。

混合好的一次空气与甲烷从火孔中流出，混合比例及流速根据模拟功率、一次空气系数计算确定，采用速度入口，空燃混合物温度设为实测温度298 K；燃气灶火盖温度设为定壁温443 K；模拟区域底部视为燃气灶台面，设为定壁温343 K；出口设置为压力出口，设为大气压(零压)，环境温度为293 K。

本文分别模拟燃气灶功率 4.5 kW、5 kW、5.5 kW、6 kW在一次空气系数为0.6时的燃烧状况，即改变一次空气和甲烷混合物在火孔处的流动速度，而不改变一次空气与甲烷的混合体积比；同时模拟在燃烧功率为5 kW情况下一次空气系数分别为0.5、0.6、0.7的燃烧状况，即同时改变一次空气和甲烷混合物在火孔处的流动速度以及混合比例。模拟案例数据见表2。

表2 模拟案例数据

2.4 模拟结果分析

混合均匀的一次空气与甲烷的从火孔处流出，从环境中引入二次空气进行燃烧。根据实际锅架高度以及模拟火焰燃烧状况综合考虑，取距离灶台高度为54 mm处径向的温度和速度分布进行分析。本文所有曲线每5个点仅显示1个点。

(1)燃气灶功率4.5 kW、5 kW、5.5 kW、6 kW在一次空气系数为0.6时，灶台高度为54 mm处径向的气体流速分布曲线比较图，如图2所示。随着燃气灶功率的提高，即一次空气与甲烷混合物气体流速的提高，锅架高度处的烟气流速最大值提高，而最小值有所降低，这是由于烟气扰动产生回流区。燃气灶灶头半径为0.057 mm。在径向距离x＞0.15 m时，气体仍存在流速，这是因为燃烧区域内空气的消耗使得边界处产生空气回流，导致气体流动。同时一定高度烟气流速波动趋势径向滞后，在径向距离x=0.15 m后，不同功率下的烟气流速趋于一致。

图2 不同功率下α=0.6、z=54 mm处的径向速度分布曲线

功率增大会使高温烟气的影响空间范围增大，如图3所示，表明在燃气灶使用的过程中，功率改变对锅架处烟气流速波动范围和烟气高温区域范围影响明显。

(2)燃烧功率为5 kW情况下，一次空气系数分别为0.5、0.6、0.7时的温度分布云图，如图4所示。从中可以看出燃烧火焰长度随着一次空气系数的增高而明显变短，燃烧最高温向火孔附近移动，烟气温度的波动空间范围变小。

图3 不同功率下α=0.6、z=54 mm处烟气温度分布云图

图4 不同一次空气系数下Q=5 kW的温度分布云图

燃烧功率为5 kW情况下一次空气系数分别为0.5、0.6、0.7时，高度为54 mm处径向的温度分布曲线比较图，如图5所示。可以看出，相同功率、不同一次空气系数下在锅架高度为 54 mm时的径向温度分布差别很大，一次空气系数越高，该高度的烟气温度越低。这与不同一次空气系数下火焰的形态有很大关系，如图4所示，一次空气系数的增高使得火焰变短。

图5 不同一次空气系数下Q=5 Kw、z=54 mm处的径向温度分布

3 结语

本文对家用大功率燃气灶进行了FLUNT数值模拟研究，主要探究了不同功率以及不同一次空气系数下的燃气灶燃烧状况，可以得出以下结论：

(1)相同一次空气系数时，燃烧功率增大会增大锅架处的烟气流速波动范围和烟气高温区域范围。当烟气高温区域范围增大时，就可以采用更大的锅来提高热效率。相应解释了在进行燃烧器热效率测试的国家标准中，需要测试的燃气灶功率增大时，测试用锅的直径也会增大。

(2)相同功率下，不同一次空气系数对燃烧火焰形态影响较大，进而影响同一高度处的温度分布。当一次空气系数的增大时，燃烧火焰会变短变直，在相同的排放要求下，可以采用更低的锅架高度来提高热效率。