摘　要：為研究內(nèi)燃灶爐腔內(nèi)氣體的流動(dòng)狀態(tài)，利用流體分析前處理軟件GAMBIT建立爐腔流場的三維幾何模型，并通過計(jì)算流體力學(xué)FLUENT軟件，基于層流計(jì)算狀態(tài)下的組分輸運(yùn)模型，對爐腔內(nèi)的氣流進(jìn)行數(shù)值模擬。隨著燃?xì)忾y開度增大，燃燒器上方氣體流速增大，可能導(dǎo)致點(diǎn)火困難；爐腔內(nèi)靠近排氣導(dǎo)管一側(cè)氣體流速大，會造成爐板溫度分布不均。通過軟件模擬，形象地呈現(xiàn)了爐腔內(nèi)的流場狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃灶；  FLUENT軟件；  流場；  數(shù)值模擬

Simulation Analysis of Flow Field in Combustion Chamber of Internal Combustion Cooker

Abstract：The three．dimensional geometric model of flow field in combustion chamber is bufit up by fluid analysis pre-processing software GAMBIT to study the gas flow state in combustion chamber of internal combustion cooker．Through computational fluid dynamics software FLUENT，the gas flow in the combustion chamber is numerically simulated based on the component transport model under the laminar flow calculation state．The flow velocity of gas above the burner increases with increasing the opening degree of the gas valve，which may cause ignition difficulties．The temperature of cooker plate distributes unevenly because the gas velocity near the side of exhaust duct is larger than the other sides in the combustion charaber．The flow field state in the combustion chamber is visually demonstrated by software simulation．

Keywords：internal combustion cooker：FLUENT software；flow field：numerical simulation

1　概述

伴隨著人們生活水平的提高和國家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，高效、環(huán)保、節(jié)能型烹飪灶具逐漸成為市場的寵兒^[1-2]。內(nèi)燃灶就是在這樣的背景下提出來的。從基于第一代樣機(jī)所做的原理驗(yàn)證性試驗(yàn)來看，內(nèi)燃灶的工作原理基本可行^[3]。然而，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的熱效率值與理論值之間有較大偏差；同時(shí)，樣機(jī)的高效率區(qū)所對應(yīng)的燃?xì)忾y開度偏離了家用燃?xì)庠畹某Ｓ霉ぷ鲄^(qū)。因此必須對樣機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。明確燃?xì)夂涂諝庠跔t腔內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，對于發(fā)現(xiàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)上存在的問題和改進(jìn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)具有重要的指導(dǎo)意義。

FLUENT軟件是目前處于世界領(lǐng)先地位的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)軟件，是研究流體流動(dòng)特性的理想軟件。靈活的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和基于求解精度的自適應(yīng)網(wǎng)格及成熟的物理模型，使FLUENT軟件在層流、轉(zhuǎn)捩和湍流、傳熱、化學(xué)反應(yīng)、多相流等問題的分析領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。運(yùn)用FLUENT軟件，可以通過對爐腔流場的

數(shù)值模擬，形象直觀地獲得各項(xiàng)參數(shù)^[4]。

2　內(nèi)燃灶結(jié)構(gòu)

內(nèi)燃灶的結(jié)構(gòu)見圖l。工作時(shí)，空氣連同炊事產(chǎn)生的油煙、水蒸氣通過風(fēng)機(jī)壓送到封閉的爐腔內(nèi)，燃?xì)庠谧陨韷毫ψ饔孟逻M(jìn)入燃燒器，并在高于大氣壓的條件下燃燒，加熱爐板，爐板可直接加熱食物或其他烹飪炊具；高溫廢氣在排出的過程中加熱油煙混合氣進(jìn)氣管內(nèi)的氣體，減少廢氣余熱的浪費(fèi)，提高系統(tǒng)熱效率^[5]。

3　建立分析模型

圖2為所分析的流場結(jié)構(gòu)。燃?xì)庖陨淞餍问竭M(jìn)入燃燒器引射管，同時(shí)引射一次空氣，在引射管內(nèi)完成預(yù)混。二次空氣由爐腔下底面的均布扇形孔送入爐腔內(nèi)助燃^[6]。為了能夠方便地描述爐腔內(nèi)的氣體流動(dòng)狀態(tài)，此處對分析模型作了簡化，僅考慮冷態(tài)下的氣體流動(dòng)。

爐腔流場結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，可以直接利用FLUENT的專用前處理軟件GAMBIT建立幾何模型，并根據(jù)流場結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用非結(jié)構(gòu)化的四面體／混合單元類型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，局部進(jìn)行網(wǎng)格加密，生成的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格有利于模型在FLUENT軟件中的計(jì)算模擬。在定義邊界類型時(shí)，將燃?xì)鈬娚淙肟谠O(shè)為第一速度入口；將燃?xì)鈬娚淙肟趦蓚?cè)扇形孔(一次空氣入口)設(shè)為第二速度入口；將爐腔下底面均布的四個(gè)扇形孔(二次空氣入口)設(shè)為第三速度入口；爐腔排氣導(dǎo)管右端面為出口，邊界類型設(shè)為壓力出口。

將在GAMBIT下建立的網(wǎng)格模型導(dǎo)入FLUENT中，得到如圖3所示的流場模型。因流場中氣體的流動(dòng)速度不高，可將模型視為一個(gè)定常不可壓縮流體的層流穩(wěn)態(tài)求解問題。采用FLUENT軟件缺省的分離求解器。操作環(huán)境設(shè)置在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，考慮2軸負(fù)方向的重力加速度，在設(shè)置邊界值時(shí)充分利用樣機(jī)試驗(yàn)過程中所獲得的參數(shù)(如表l所示)，運(yùn)用層流計(jì)算狀態(tài)下的組分輸運(yùn)模型，假設(shè)試驗(yàn)中的家用天然氣只含有CH4組分，并基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格下的SIMPLE算法對整個(gè)模型進(jìn)行模擬分析。

4　數(shù)值模擬的結(jié)果及分析

利用FLUENT軟件對比模擬了燃?xì)忾y開度為25％和75％兩種條件下爐腔內(nèi)的氣體流動(dòng)狀態(tài)。計(jì)算得出兩種狀態(tài)下整個(gè)爐腔內(nèi)氣流的最高流速分別為24.61m／s和46.86m／s。高速流主要出現(xiàn)在爐腔排氣導(dǎo)管。

圖4、5為沿爐腔排氣導(dǎo)管軸線縱截面(即y＝0平面)內(nèi)的氣流等速度云圖，單位為m／s(圖中數(shù)據(jù)采用科學(xué)計(jì)數(shù)法，如：圖4中，數(shù)據(jù)2.36e+01表示的是2.36×10¹m／s，圖5～9同樣采用了這種科學(xué)計(jì)數(shù)法)。從圖4、5可以看出，氣流在爐腔內(nèi)的速度分布并不均勻，爐腔內(nèi)部靠近排氣導(dǎo)管一側(cè)區(qū)域內(nèi)氣流的平均速度明顯高于另一側(cè)區(qū)域，在燃燒過程中，勢必會造成加熱爐板表面溫度分布不均，影響加熱效果。燃?xì)忾y25％開度下一次空氣和二次空氣進(jìn)入到爐腔后，燃燒器上方氣體平均流速很小，可以較為平穩(wěn)地支持燃燒。燃?xì)忾y75％開度下，燃燒器上方氣流平均速度明顯增大，必然會對燃?xì)馊紵a(chǎn)生影響，甚至造成打不著火，即使能夠點(diǎn)燃，燃燒也不會太穩(wěn)定。試驗(yàn)過程驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

圖6、7為沿爐腔排氣導(dǎo)管軸線縱截面(即y＝0平面)內(nèi)CH4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖，單位為l。當(dāng)燃?xì)忾y開度為25％時(shí)，燃?xì)鈬娚渌俣容^低，引射管內(nèi)CH4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大，說明燃?xì)獾靡栽谝涔軆?nèi)和空氣預(yù)混充分，然后進(jìn)入爐腔內(nèi)點(diǎn)火燃燒。當(dāng)燃?xì)忾y開度為75％時(shí)，燃?xì)鈬娚渌俣容^高，引射管內(nèi)CH4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比燃?xì)忾y開度為25％狀態(tài)低了很多。

圖8、9為沿爐腔排氣導(dǎo)管軸線縱截面(y＝0平面)內(nèi)氣流流動(dòng)跡線圖，單位為m／s。從圖8、9中可以看出，氣體在進(jìn)入爐腔后形成旋流，有助于進(jìn)一步促進(jìn)燃?xì)夂涂諝饣旌铣浞?，提高燃燒質(zhì)量。在靠近爐腔排氣導(dǎo)管時(shí)，由于氣流流通截面突變，氣流流速迅速增大，并最終沿著排氣導(dǎo)管以較高的速度流出。當(dāng)燃?xì)忾y開度為25％時(shí)，由于進(jìn)入爐腔內(nèi)的氣體的平均流速較低，氣體的流動(dòng)跡線較為清晰，燃?xì)夂涂諝膺M(jìn)一步混合后，可以較為平穩(wěn)地燃燒。而當(dāng)燃?xì)忾y開度為75％時(shí)，由于進(jìn)入爐腔內(nèi)的氣體的平均流速增大，氣流沿z軸正方向有較大的速度分量，會對爐板形成一定的沖擊，且氣體的流動(dòng)跡線較為雜亂，這可能會造成燃?xì)鉄o法穩(wěn)定燃燒。

5　結(jié)論

①隨著燃?xì)忾y開度的增大，燃?xì)馊肟趪娚渌俣仍龃?，燃?xì)庠谝涔軆?nèi)不易與一次空氣混合完全。部分燃?xì)馍形慈紵碗S燃燒廢氣一起排出爐腔，造成能源浪費(fèi)。同時(shí)，爐腔內(nèi)氣流速度分布不均，靠近爐腔排氣導(dǎo)管一側(cè)氣體平均流速明顯高于另一側(cè)，造成爐板溫度分布不均。

②解釋了試驗(yàn)過程中，當(dāng)燃?xì)忾y開度為25％時(shí)，燃?xì)庠跔t腔內(nèi)可以平穩(wěn)燃燒，而隨著燃?xì)忾y開度增大，燃?xì)鉄o法穩(wěn)定燃燒，火焰頻繁跳躍，發(fā)出“砰砰”聲。當(dāng)燃?xì)忾y開度提高到100％時(shí)，甚至出現(xiàn)打不著火的現(xiàn)象。試驗(yàn)計(jì)算，熱效率隨著燃?xì)忾y開度的增大而減小。

③對爐腔內(nèi)氣體流動(dòng)狀態(tài)的模擬分析為改進(jìn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)提供了理論參考，可以通過增加爐腔高度，增大爐腔排氣導(dǎo)管截面尺寸，以及在排氣導(dǎo)管與爐腔連接處加工出導(dǎo)流面來降低氣流對爐板的機(jī)械沖擊和熱沖擊，降低爐腔內(nèi)氣流的平均流速，促進(jìn)燃燒穩(wěn)定，進(jìn)而提高熱效率。

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本文作者：舒培  張洪信  孫文革  洪吉超  張文華

作者單位：青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院