多射流引射器的數(shù)值模擬

摘 要

摘要：提出在家用燃?xì)庠铑I(lǐng)域運(yùn)用多射流高效引射器，對(duì)多射流引射器從速度分布、壓力分布、甲烷體積分?jǐn)?shù)分布等方面進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了部分參數(shù)。這種引射器具有很好的
摘要：提出在家用燃?xì)庠铑I(lǐng)域運(yùn)用多射流高效引射器，對(duì)多射流引射器從速度分布、壓力分布、甲烷體積分?jǐn)?shù)分布等方面進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了部分參數(shù)。這種引射器具有很好的引射和混合特性。
關(guān)鍵詞：家用燃?xì)庠罹?；多射流引射器；?jì)算流體力學(xué)
Numerical Simulation of Multi-jet Injector
YOU Chao-lin，CHEN Di-long，CAI Guo-han，ZOU Chun
Abstract：The application of multi-jet injector to domestic gas range field is put forward. The numerical simulation of multi-jet injector is performed in terms of velocity distribution，pressure distribution，methane volume fraction distribution and so on. The partial parameters are verified by experiments. This kind of injector has excellent injection and mixing characteristics.
Key words：domestic gas range；multi-jet injector；computational fluid dynamics
1 概述
    大氣式燃燒器中，引射器通常是1根引射管對(duì)應(yīng)1個(gè)噴嘴，這是目前最成熟、最常見的應(yīng)用形式。針對(duì)目前我國(guó)家用燃?xì)庠罹邿嵝实?、燃燒不充分、煙氣排放量大、熱?fù)荷小等問題，本文在家用燃?xì)庠铑I(lǐng)域創(chuàng)新地提出多射流交叉撞擊引射概念，其引射器的主要特征就是1根引射管對(duì)應(yīng)2個(gè)或者3個(gè)軸線相交的噴嘴，即1根引射管內(nèi)含有幾股交叉撞擊的燃?xì)鈿饬鳌?/span>
    關(guān)于引射器的研究，目前的研究大多是把引射管內(nèi)流動(dòng)看作是一維流動(dòng)，利用在流線方向上動(dòng)量守恒來建立方程[1、2]。一般計(jì)算中，引射管的結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定，只是具體的尺寸需要計(jì)算。因此，當(dāng)引射管的結(jié)構(gòu)形式不確定時(shí)，上述方法無法進(jìn)行計(jì)算。由于上述方法采用一維方程計(jì)算，因此也無法給出引射器內(nèi)部流場(chǎng)的具體詳細(xì)信息。
   本文采用計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)的方法，運(yùn)用目前較為流行的CFD商用軟件——Fluent軟件，分析模擬多射流引射器的各參數(shù)和引射器內(nèi)的流動(dòng)情況，以解決傳統(tǒng)計(jì)算方法的不足。并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證部分參數(shù)，考察Fluent軟件模擬結(jié)果的可信度。
2 多射流引射器的數(shù)值模擬
2.1 衡量引射器功能的參數(shù)
    ① 吸入的空氣量通?？梢杂觅|(zhì)量引射系數(shù)來衡量。
 
式中u——質(zhì)量引射系數(shù)
    ma——被引射氣體的質(zhì)量，kg
    mg——引射氣體的質(zhì)量
    引射系數(shù)越大，說明引射器的引射能力越強(qiáng)。
② 空氣與燃?xì)獾幕旌铣潭韧ǔＳ靡淦鞒隹诨旌蠚怏w中燃?xì)怏w積分?jǐn)?shù)的不均勻系數(shù)來衡量。
 
式中ε——燃?xì)怏w積分?jǐn)?shù)的不均勻系數(shù)
    σg——燃?xì)怏w積分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)方差
    φm——燃?xì)怏w積分?jǐn)?shù)的平均值
    不均勻系數(shù)越小，說明混合越好。
    ③ 引射器出口壓力。壓力太大或太小都不合適，一般為2～5Pa。
2.2 研究對(duì)象
    本文研究的多射流引射器與傳統(tǒng)的大氣式引射器相比，引射管部分取消了混合管，保留吸氣收縮管、擴(kuò)壓管，噴嘴采用3個(gè)，3個(gè)噴嘴均勻?qū)ΨQ分布，詳見圖1、2。引射氣體為甲烷，其額定壓力為2000Pa。被引射氣體為空氣，引射管進(jìn)口處的空氣壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。
 

2.3 湍流模型及控制方程
    為了簡(jiǎn)化實(shí)際問題，便于分析，在建立數(shù)學(xué)模型前對(duì)引射器的氣體流動(dòng)先作了假設(shè)：引射器內(nèi)的氣體滿足牛頓內(nèi)摩擦定律，為牛頓流體；流體溫度為常溫，密度可視為常數(shù)；由于燃?xì)鈮毫^低，流體可視為不可壓縮流體；引射器內(nèi)氣體的流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)湍流；引射器壁面上滿足無滑移邊界條件。
    本文采用，κ-ε雙方程模型來解決引射器內(nèi)的流動(dòng)問題。κ-ε模型適用范圍廣，具有經(jīng)濟(jì)及合理的精度，在科學(xué)研究及工程實(shí)際中得到了廣泛的檢驗(yàn)及應(yīng)用。使用κ-ε模型解決湍流問題時(shí)，控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、組分方程和κ-ε方程[3、4]。
2.4 計(jì)算網(wǎng)格及邊界條件[5、6]
   ① 網(wǎng)格劃分
   首先利用Pro/E軟件繪制引射器幾何模型，然后將其導(dǎo)入Fluent前處理軟件Gambit中生成計(jì)算網(wǎng)格，見圖3。
 

    本文對(duì)引射器模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，這種網(wǎng)格具有優(yōu)越的幾何靈活性，生成的網(wǎng)格質(zhì)量較高，能夠較好地處理復(fù)雜邊界問題，可以方便地進(jìn)行自適應(yīng)計(jì)算，減少計(jì)算量，提高計(jì)算精度。
   ② 設(shè)定邊界條件
   燃?xì)馊肟谠O(shè)為壓力入口邊界，壓力為2000Pa，燃?xì)饨M成為純甲烷，噴嘴出口直徑為0.49mm，溫度為293K。
    空氣入口設(shè)為壓力入口，壓力為0Pa，入口當(dāng)量直徑為120mm，溫度為293K。
    引射器擴(kuò)壓管出口設(shè)為壓力出口，壓力為5Pa，出口直徑為12mm，溫度為293K。
2.5 模擬結(jié)果分析
   ① 速度分布
   圖4為引射器A面上速度分布。燃?xì)庖砸欢ㄋ俣冗M(jìn)入引射管，燃?xì)饪勘旧淼哪芰课胍淮慰諝?，?jīng)過喉部后，在擴(kuò)壓管內(nèi)燃?xì)馀c空氣進(jìn)行能量、動(dòng)量交換，混合趨于均勻，速度趨于穩(wěn)定，兩者混合均勻后經(jīng)擴(kuò)壓管流出。
 

   ② 壓力分布
   圖5為引射器A面上壓力分布。為了很好地顯示引射器內(nèi)部壓力狀況，著重體現(xiàn)了5Pa以下的壓力分布。在吸氣收縮管內(nèi)壓力接近于0Pa，與外界壓力相當(dāng)。經(jīng)過喉部，在擴(kuò)壓管部分壓力逐漸平穩(wěn)增加，而且每個(gè)橫斷面上的壓力分布非常均勻。最終在擴(kuò)壓管出口壓力達(dá)到5Pa，以克服氣流在燃燒器頭部的阻力。
 

   ③ 甲烷體積分?jǐn)?shù)分布
   圖6為引射器B面上CH4的體積分?jǐn)?shù)分布。在噴嘴內(nèi)CH4體積分?jǐn)?shù)為100%。在吸氣收縮管內(nèi)，CH4體積分?jǐn)?shù)逐步增加，并引射一部分空氣進(jìn)入引射管。經(jīng)過喉部后，在擴(kuò)壓管部分，CH4與空氣混合均勻，體積分?jǐn)?shù)趨于穩(wěn)定。
 

④ 擴(kuò)壓管出口參數(shù)
在擴(kuò)壓管出口斷面上，得到了表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。
表1 擴(kuò)壓管出口參數(shù)統(tǒng)計(jì)
CH4的質(zhì)量流量/(kg·s-1)
5.51×10-5
CH4平均體積分?jǐn)?shù)/%
11.35
CH4最大體積分?jǐn)?shù)/%
11.67
CH4最小體積分?jǐn)?shù)/%
11.02
引射系數(shù)
14.16
不均勻系數(shù)/%
1.44
    從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出：天然氣三噴嘴多射流引射器的引射系數(shù)較高，達(dá)14.16，而不均勻系數(shù)較低，為1.44%。這兩個(gè)參數(shù)很好地表征了三噴嘴引射器的優(yōu)良引射和混合特性。
3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    由于測(cè)試手段、方法的限制，本文通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證多射流引射器的引射系數(shù)和出口壓力，而不均勻系數(shù)暫不能得到驗(yàn)證。
3.1 引射系數(shù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    引射系數(shù)實(shí)驗(yàn)是通過氣相色譜分析法測(cè)試多射流引射器的一次空氣系數(shù)[7、8]，并計(jì)算其引射系數(shù)。實(shí)驗(yàn)裝置按GB 16410—2007《家用燃?xì)庠罹摺窐?biāo)準(zhǔn)中熱負(fù)荷測(cè)試方法的規(guī)定安裝[9]。
    實(shí)驗(yàn)時(shí)，調(diào)整燃?xì)鈮毫χ了鑹毫?，打開閥門，使混合氣從燃燒器流出(不點(diǎn)火)。在燃燒器的噴嘴前采集純?nèi)細(xì)鈽颖?，用注射器在燃燒器的頭部火孔內(nèi)抽取混合氣體樣本，然后將純?nèi)細(xì)鈽颖竞突旌蠚怏w樣本分別進(jìn)行氣相色譜分析。實(shí)驗(yàn)時(shí)需注意環(huán)境通風(fēng)，抽氣采樣時(shí)應(yīng)盡量均勻緩慢。
    通過氣相色譜分析法分析出純?nèi)細(xì)夂鸵淮慰諝?燃?xì)饣旌蠚獾慕M成，即可計(jì)算出一次空氣系數(shù)和引射系數(shù)。
    假設(shè)實(shí)驗(yàn)燃?xì)?標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))為1m3，燃?xì)夂涂諝饣旌线^程中某組分i的平衡式為：
    xi,g+xi,aαV0=xi,m(1+αV0)
式中xi,g——實(shí)驗(yàn)燃?xì)?引射氣體)中i組分的體積分?jǐn)?shù)
    xi,a——空氣中i組分的體積分?jǐn)?shù)
    α——一次空氣系數(shù)
    V0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1m3的實(shí)驗(yàn)燃?xì)馊紵枰睦碚摽諝饬?根據(jù)實(shí)驗(yàn)燃?xì)獾慕M成計(jì)算出)，m3/m3
    xi,m——混合氣體中i組分的體積分?jǐn)?shù)
可以解得一次空氣系數(shù)為：
 
    1m3引射氣體(甲烷)的質(zhì)量在數(shù)值上滿足下式：
    mg=ρg    (4)
式中ρg——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)燃?xì)?引射氣體)的密度，kg/m3
   被引射氣體(空氣)的質(zhì)量在數(shù)值上滿足下式：
    ma=1.293αV0    (5)
式中1.293——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣的密度，kg/m3
將式(4)、(5)代入式(1)，可得引射系數(shù)為：
 
    本實(shí)驗(yàn)中，燃燒器采用多射流燃燒器，實(shí)驗(yàn)氣源采用純甲烷。實(shí)驗(yàn)分別做兩次，結(jié)果取其平均值。表2為多射流燃燒器引射系數(shù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。
表2 多射流燃燒器引射系數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
項(xiàng)目
實(shí)驗(yàn)1
實(shí)驗(yàn)2
混合氣體樣本中O2體積分?jǐn)?shù)%
18.47
18.49
混合氣體樣本中N2體積分?jǐn)?shù)/%
69.90
69.99
混合氣體樣本中CH4體積分?jǐn)?shù)/%
11.62
11.51
一次空氣系數(shù)
0.79
0.80
引射系數(shù)
13.70
13.86
引射系數(shù)平均值
13.78
    實(shí)驗(yàn)表明，多射流引射器天然氣的引射系數(shù)為13.78，與模擬結(jié)果14.16相比，相對(duì)誤差為2.7%，說明Fluent軟件的模擬結(jié)果較為可信。
3.2 引射器出口壓力測(cè)試
    用數(shù)字微壓計(jì)測(cè)量引射器的出口壓力，實(shí)驗(yàn)裝置同上。
    實(shí)驗(yàn)時(shí)，拆除燃燒器的頭部部分，僅保留引射器部分。調(diào)整燃?xì)鈮毫χ了鑹毫?，打開閥門，使燃?xì)鈴囊淦髁鞒?不點(diǎn)火)。用數(shù)字微壓計(jì)檢測(cè)引射器出口的壓力。
    結(jié)果顯示，多射流引射器的出口壓力為3.7Pa，與模擬值5Pa相差不多，說明Fluent軟件的模擬結(jié)果較為可信。
4 結(jié)論
    ① 用計(jì)算流體力學(xué)的數(shù)學(xué)模型以及相關(guān)的求解技術(shù)來分析多射流引射器是可行的。對(duì)于多射流引射器等新型引射器的研究開發(fā)，采用計(jì)算流體力學(xué)、Fluent軟件模擬等方法十分必要。
    ② 通過天然氣三噴嘴多射流引射器的研究，發(fā)現(xiàn)天然氣三噴嘴多射流引射器具有較高的引射系數(shù)、較好的混合效果，為研究開發(fā)高效節(jié)能的家用燃?xì)庠罹呷紵魈峁┝肆己没A(chǔ)。
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[9] GB 16410—2007，家用燃?xì)庠罹遊S].
 
(本文作者：游超林1 陳迪龍1 蔡國(guó)漢1 鄒春2 1.寧波方太廚具有限公司 浙江寧波 315300；2.華中科技大學(xué) 煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北武漢 430074)