摘要：建立燃?xì)夂涂諝忸A(yù)混系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，利用CFD技術(shù)對(duì)燃?xì)饪焖贌崴魅紵鞯娜細(xì)夂涂諝忸A(yù)混系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了預(yù)混系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)(噴嘴直徑和噴嘴位置)對(duì)預(yù)混效果的影響。

關(guān)鍵詞：燃?xì)饪焖贌崴鳌∫淦鳌☆A(yù)混系統(tǒng)　噴嘴　數(shù)值模擬

Abstract: A mathematical model of gas and airpremixed system is established．The numerical simula．tion of gas and air premixed system for burner in gasinstantaneous water heater is performed by CFD．Theinfluence of geometric structure parameter(nozzle dialneter and position)of the premixed system on the premix effect is analyzed．

Key words: gas instantaneous water heater；ejector；premixed system；nozzle；numerical simulation

1　燃?xì)夂涂諝忸A(yù)混系統(tǒng)

燃?xì)夂涂諝饣旌系男Ч麤Q定了燃燒效率和污染物的排放量。利用引射器實(shí)現(xiàn)燃?xì)夂涂諝馊A(yù)混，可以達(dá)到燃?xì)饪焖贌崴魅紵魅A(yù)混燃燒的目的。為了掌握預(yù)混系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)預(yù)混效果的影響，建立了燃?xì)夂涂諝忸A(yù)混系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，利用fluent軟件對(duì)燃?xì)夂涂諝忸A(yù)混系統(tǒng)進(jìn)行模擬。

燃?xì)夂涂諝忸A(yù)混系統(tǒng)主要利用引射器原理^[1-5]。進(jìn)行燃?xì)夂涂諝獾幕旌希疚牡念A(yù)混系統(tǒng)是在引射器基礎(chǔ)上進(jìn)行r一定的改進(jìn)，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖l。燃?xì)馊紵璧目諝庖苛鹘?jīng)引射器，單純依靠燃?xì)庾陨韷毫π纬傻呢?fù)壓不足以引射全部空氣。因此，需要由風(fēng)機(jī)為空氣提供一定的動(dòng)能和壓力能，但燃?xì)鈱?duì)空氣的引射效果仍然存在，減少了風(fēng)機(jī)做功。預(yù)混系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)混氣效果影響很大，因此有必要對(duì)預(yù)混系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究與分析。

2　預(yù)混系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和邊界條件

伴隨著計(jì)算機(jī)硬件和數(shù)值訓(xùn)計(jì)算方法的發(fā)展，數(shù)值模擬被廣泛應(yīng)用于解決各種流體流動(dòng)、傳熱和燃燒問(wèn)題。在引射器設(shè)計(jì)方面，由于數(shù)值模擬比試驗(yàn)研究節(jié)省大量時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，很多學(xué)者^[6-11]在最初產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)多采用數(shù)值模擬來(lái)獲得引射器結(jié)構(gòu)尺寸與最佳工況的關(guān)系，數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)際值相對(duì)誤差控制在5％以?xún)?nèi)。在燃?xì)夂涂諝忸A(yù)混系統(tǒng)內(nèi)部，流體流動(dòng)及各種組分之間的摻}昆屬于湍流擴(kuò)散過(guò)程。由于民用天然氣額定壓力為2kPa，馬赫數(shù)比較低，

流體可視為不可壓縮性流體。流體流動(dòng)過(guò)程屬于無(wú)化學(xué)反應(yīng)、無(wú)熱傳導(dǎo)的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程。

①　控制方程的選擇

預(yù)混系統(tǒng)的控制方程包括連續(xù)性(質(zhì)量守恒)方程、動(dòng)量方程、組分方程和湍流方程^[12-13]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者^{[8，11，14-16]}在引射器數(shù)值模擬中普遍采用Realizable k-ε模型，研究發(fā)現(xiàn)該模型可以較好地預(yù)測(cè)引射過(guò)程的擴(kuò)散速率，以及引射器內(nèi)部的回流特性，Realizable k-ε模型在圓口射流和平板射流模擬中，能給出較好的射流擴(kuò)張角。

②　邊界條件和網(wǎng)格劃分

預(yù)混系統(tǒng)中燃?xì)夂涂諝獾馁|(zhì)量流量，可根據(jù)燃燒器的額定熱負(fù)荷和空氣系數(shù)計(jì)算得出。在模型中，燃?xì)夂涂諝獾倪M(jìn)口都設(shè)置為質(zhì)量流量邊界條件。燃燒器的額定熱負(fù)荷為22kw，燃燒器共有11個(gè)引射器，燃?xì)饪梢暈榧兗淄椋總€(gè)燃?xì)鈬娮斓募淄橘|(zhì)量流量為8.92×10^-4kg/s。為了分析方便，引射器的質(zhì)量引射系數(shù)（空氣的質(zhì)量流量與燃?xì)獾馁|(zhì)量流量之比）μ取22.3，空氣系數(shù)α取1.3。預(yù)混系統(tǒng)出口的壓力是大氣壓力。

由于計(jì)算模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合的混合網(wǎng)格，在燃?xì)鈬娮斐隹诟浇?，彩用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格并進(jìn)行了一定程度地加密。網(wǎng)格數(shù)約為120×10⁴，網(wǎng)格分布見(jiàn)圖2.在模擬過(guò)程中，噴嘴出口直徑d分別設(shè)置為1.10、1.20、1.30、1.35、1.40mm。噴嘴出口距收縮管入口的距離r（噴嘴出口在收縮管入口右側(cè)時(shí)，r為正，否則r為負(fù)）分別設(shè)置為-1、0、1、2、3、4、5mm。根據(jù)d和r組合的不同，共模擬了35個(gè)工況。

3　嘴直徑的選擇

模擬的噴嘴位置對(duì)燃?xì)忪o壓力的影響見(jiàn)圖3。由圖3可知，噴嘴的直徑越小，燃?xì)馑枰撵o壓力越大。當(dāng)噴嘴的直徑d<1.30mm時(shí)，燃?xì)獾撵o壓力大于1.0kPa。因此噴嘴的直徑應(yīng)大于1.30mm，否則電磁閥后（燃?xì)鈬娮烨埃┤細(xì)獾馁|(zhì)量流量將不能滿(mǎn)足燃燒器熱負(fù)荷的要求。

4　噴嘴位置和噴嘴直徑對(duì)預(yù)混效果的影響

不同噴嘴直徑d 和噴嘴位置條件下，預(yù)混系統(tǒng)出口截面中心線上混合氣中燃?xì)獾哪柗謹(jǐn)?shù)見(jiàn)圖4～6可知，當(dāng)r=-1mm和r=0mm時(shí)，中心線上燃?xì)饽柗謹(jǐn)?shù)的不一致性非常明顯，摩爾分?jǐn)?shù)波動(dòng)范圍為4%～12%。R越大，中心線上的燃?xì)獾哪柗謹(jǐn)?shù)一致性越好。當(dāng)r=4mm和5mm時(shí)，中心線上燃?xì)獾哪柗謹(jǐn)?shù)幾乎相同，這說(shuō)明此條件下混合效果比較好。因此，為了實(shí)現(xiàn)燃?xì)夂涂諝獾耐耆A(yù)混，取r＞4mm。

5　結(jié)論

通過(guò)對(duì)燃?xì)夂涂諝忸A(yù)混系統(tǒng)的數(shù)值模擬，分析了噴嘴直徑d和噴嘴位置對(duì)混氣效果和氣流組織的影響。結(jié)果表明：引射器結(jié)構(gòu)一定的情況下，考慮到燃?xì)饬鹘?jīng)燃?xì)鈬娮鞎r(shí)要保持一定的流量，噴嘴的直徑應(yīng)大于l.30 mm；當(dāng)噴嘴出口距收縮管人口的距離r>4 mm時(shí)，有利于燃?xì)夂涂諝獾幕旌?，中心線上燃?xì)獾姆植季鶆蛐暂^好，燃?xì)獾哪柗謹(jǐn)?shù)波動(dòng)范圍可控制在1％以?xún)?nèi)。

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本文作者：劉鳳國(guó)　付晉津　閻蕾　崔晉　張蕊　鄭斌

作者單位：天津城市建設(shè)學(xué)院能源與安全工程學(xué)院，天津300384；

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