多射流引射器的數(shù)值模擬

摘 要

摘要：提出在家用燃氣灶領(lǐng)域運用多射流高效引射器，對多射流引射器從速度分布、壓力分布、甲烷體積分數(shù)分布等方面進行了數(shù)值模擬，通過實驗驗證了部分參數(shù)。這種引射器具有很好的
摘要：提出在家用燃氣灶領(lǐng)域運用多射流高效引射器，對多射流引射器從速度分布、壓力分布、甲烷體積分數(shù)分布等方面進行了數(shù)值模擬，通過實驗驗證了部分參數(shù)。這種引射器具有很好的引射和混合特性。
關(guān)鍵詞：家用燃氣灶具；多射流引射器；計算流體力學(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根引射管對應(yīng)1個噴嘴，這是目前最成熟、最常見的應(yīng)用形式。針對目前我國家用燃氣灶具熱效率低、燃燒不充分、煙氣排放量大、熱負荷小等問題，本文在家用燃氣灶領(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根引射管對應(yīng)2個或者3個軸線相交的噴嘴，即1根引射管內(nèi)含有幾股交叉撞擊的燃氣氣流。
    關(guān)于引射器的研究，目前的研究大多是把引射管內(nèi)流動看作是一維流動，利用在流線方向上動量守恒來建立方程[1、2]。一般計算中，引射管的結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定，只是具體的尺寸需要計算。因此，當引射管的結(jié)構(gòu)形式不確定時，上述方法無法進行計算。由于上述方法采用一維方程計算，因此也無法給出引射器內(nèi)部流場的具體詳細信息。
   本文采用計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)的方法，運用目前較為流行的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)的流動情況，以解決傳統(tǒng)計算方法的不足。并通過實驗驗證部分參數(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。
② 空氣與燃氣的混合程度通常用引射器出口混合氣體中燃氣體積分數(shù)的不均勻系數(shù)來衡量。
 
式中ε——燃氣體積分數(shù)的不均勻系數(shù)
    σg——燃氣體積分數(shù)的標準方差
    φm——燃氣體積分數(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、擴壓管，噴嘴采用3個，3個噴嘴均勻?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，引射管進口處的空氣壓力為標準大氣壓。
 

2.3 湍流模型及控制方程
    為了簡化實際問題，便于分析，在建立數(shù)學(xué)模型前對引射器的氣體流動先作了假設(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)；由于燃氣壓力較低，流體可視為不可壓縮流體；引射器內(nèi)氣體的流動為穩(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)的流動問題。κ-ε模型適用范圍廣，具有經(jīng)濟及合理的精度，在科學(xué)研究及工程實際中得到了廣泛的檢驗及應(yīng)用。使用κ-ε模型解決湍流問題時，控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程、組分方程和κ-ε方程[3、4]。
2.4 計算網(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中生成計算網(wǎng)格，見圖3。
 

    本文對引射器模型進行非結(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，可以方便地進行自適應(yīng)計算，減少計算量，提高計算精度。
   ② 設(shè)定邊界條件
   燃氣入口設(shè)為壓力入口邊界，壓力為2000Pa，燃氣組成為純甲烷，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，入口當量直徑為120mm，溫度為293K。
    引射器擴壓管出口設(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。燃氣以一定速度進入引射管，燃氣靠本身的能量吸入一次空氣，經(jīng)過喉部后，在擴壓管內(nèi)燃氣與空氣進行能量、動量交換，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。經(jīng)過喉部，在擴壓管部分壓力逐漸平穩(wěn)增加，而且每個橫斷面上的壓力分布非常均勻。最終在擴壓管出口壓力達到5Pa，以克服氣流在燃燒器頭部的阻力。
 

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

④ 擴壓管出口參數(shù)
在擴壓管出口斷面上，得到了表1的統(tǒng)計結(jié)果。
表1 擴壓管出口參數(shù)統(tǒng)計
CH4的質(zhì)量流量/(kg·s-1)
5.51×10-5
CH4平均體積分數(shù)/%
11.35
CH4最大體積分數(shù)/%
11.67
CH4最小體積分數(shù)/%
11.02
引射系數(shù)
14.16
不均勻系數(shù)/%
1.44
    從統(tǒng)計數(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14.16，而不均勻系數(shù)較低，為1.44%。這兩個參數(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 實驗驗證
    由于測試手段、方法的限制，本文通過實驗驗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)暫不能得到驗證。
3.1 引射系數(shù)實驗驗證
    引射系數(shù)實驗是通過氣相色譜分析法測試多射流引射器的一次空氣系數(shù)[7、8]，并計算其引射系數(shù)。實驗裝置按GB 16410—2007《家用燃氣灶具》標準中熱負荷測試方法的規(guī)定安裝[9]。
    實驗時，調(diào)整燃氣壓力至所需壓力，打開閥門，使混合氣從燃燒器流出(不點火)。在燃燒器的噴嘴前采集純?nèi)細鈽颖?，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)細鈽颖竞突旌蠚怏w樣本分別進行氣相色譜分析。實驗時需注意環(huán)境通風，抽氣采樣時應(yīng)盡量均勻緩慢。
    通過氣相色譜分析法分析出純?nèi)細夂鸵淮慰諝?燃氣混合氣的組成，即可計算出一次空氣系數(shù)和引射系數(shù)。
    假設(shè)實驗燃氣(標準狀態(tài))為1m3，燃氣和空氣混合過程中某組分i的平衡式為：
    xi,g+xi,aαV0=xi,m(1+αV0)
式中xi,g——實驗燃氣(引射氣體)中i組分的體積分數(shù)
    xi,a——空氣中i組分的體積分數(shù)
    α——一次空氣系數(shù)
    V0——標準狀態(tài)下1m3的實驗燃氣燃燒需要的理論空氣量(根據(jù)實驗燃氣的組成計算出)，m3/m3
    xi,m——混合氣體中i組分的體積分數(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——標準狀態(tài)下實驗燃氣(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——標準狀態(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：
 
    本實驗中，燃燒器采用多射流燃燒器，實驗氣源采用純甲烷。實驗分別做兩次，結(jié)果取其平均值。表2為多射流燃燒器引射系數(shù)實驗的結(jié)果。
表2 多射流燃燒器引射系數(shù)實驗結(jié)果
項目
實驗1
實驗2
混合氣體樣本中O2體積分數(shù)%
18.47
18.49
混合氣體樣本中N2體積分數(shù)/%
69.90
69.99
混合氣體樣本中CH4體積分數(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
    實驗表明，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 引射器出口壓力測試
    用數(shù)字微壓計測量引射器的出口壓力，實驗裝置同上。
    實驗時，拆除燃燒器的頭部部分，僅保留引射器部分。調(diào)整燃氣壓力至所需壓力，打開閥門，使燃氣從引射器流出(不點火)。用數(shù)字微壓計檢測引射器出口的壓力。
    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。對于多射流引射器等新型引射器的研究開發(fā)，采用計算流體力學(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)能的家用燃氣灶具燃燒器提供了良好基礎(chǔ)。
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[9] GB 16410—2007，家用燃氣灶具[S].
 
(本文作者：游超林1 陳迪龍1 蔡國漢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) 煤燃燒國家重點實驗室 湖北武漢 430074)