多射流引射器的数值模拟

摘 要

摘要：提出在家用燃气灶领域运用多射流高效引射器，对多射流引射器从速度分布、压力分布、甲烷体积分数分布等方面进行了数值模拟，通过实验验证了部分参数。这种引射器具有很好的
摘要：提出在家用燃气灶领域运用多射流高效引射器，对多射流引射器从速度分布、压力分布、甲烷体积分数分布等方面进行了数值模拟，通过实验验证了部分参数。这种引射器具有很好的引射和混合特性。
关键词：家用燃气灶具；多射流引射器；计算流体力学
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
    大气式燃烧器中，引射器通常是1根引射管对应1个喷嘴，这是目前最成熟、最常见的应用形式。针对目前我国家用燃气灶具热效率低、燃烧不充分、烟气排放量大、热负荷小等问题，本文在家用燃气灶领域创新地提出多射流交叉撞击引射概念，其引射器的主要特征就是1根引射管对应2个或者3个轴线相交的喷嘴，即1根引射管内含有几股交叉撞击的燃气气流。
    关于引射器的研究，目前的研究大多是把引射管内流动看作是一维流动，利用在流线方向上动量守恒来建立方程[1、2]。一般计算中，引射管的结构已经确定，只是具体的尺寸需要计算。因此，当引射管的结构形式不确定时，上述方法无法进行计算。由于上述方法采用一维方程计算，因此也无法给出引射器内部流场的具体详细信息。
   本文采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)的方法，运用目前较为流行的CFD商用软件——Fluent软件，分析模拟多射流引射器的各参数和引射器内的流动情况，以解决传统计算方法的不足。并通过实验验证部分参数，考察Fluent软件模拟结果的可信度。
2 多射流引射器的数值模拟
2.1 衡量引射器功能的参数
    ① 吸入的空气量通常可以用质量引射系数来衡量。
 
式中u——质量引射系数
    ma——被引射气体的质量，kg
    mg——引射气体的质量
    引射系数越大，说明引射器的引射能力越强。
② 空气与燃气的混合程度通常用引射器出口混合气体中燃气体积分数的不均匀系数来衡量。
 
式中ε——燃气体积分数的不均匀系数
    σg——燃气体积分数的标准方差
    φm——燃气体积分数的平均值
    不均匀系数越小，说明混合越好。
    ③ 引射器出口压力。压力太大或太小都不合适，一般为2～5Pa。
2.2 研究对象
    本文研究的多射流引射器与传统的大气式引射器相比，引射管部分取消了混合管，保留吸气收缩管、扩压管，喷嘴采用3个，3个喷嘴均匀对称分布，详见图1、2。引射气体为甲烷，其额定压力为2000Pa。被引射气体为空气，引射管进口处的空气压力为标准大气压。
 

2.3 湍流模型及控制方程
    为了简化实际问题，便于分析，在建立数学模型前对引射器的气体流动先作了假设：引射器内的气体满足牛顿内摩擦定律，为牛顿流体；流体温度为常温，密度可视为常数；由于燃气压力较低，流体可视为不可压缩流体；引射器内气体的流动为稳态湍流；引射器壁面上满足无滑移边界条件。
    本文采用，κ-ε双方程模型来解决引射器内的流动问题。κ-ε模型适用范围广，具有经济及合理的精度，在科学研究及工程实际中得到了广泛的检验及应用。使用κ-ε模型解决湍流问题时，控制方程包括连续性方程、动量方程、组分方程和κ-ε方程[3、4]。
2.4 计算网格及边界条件[5、6]
   ① 网格划分
   首先利用Pro/E软件绘制引射器几何模型，然后将其导入Fluent前处理软件Gambit中生成计算网格，见图3。
 

    本文对引射器模型进行非结构化网格划分，这种网格具有优越的几何灵活性，生成的网格质量较高，能够较好地处理复杂边界问题，可以方便地进行自适应计算，减少计算量，提高计算精度。
   ② 设定边界条件
   燃气入口设为压力入口边界，压力为2000Pa，燃气组成为纯甲烷，喷嘴出口直径为0.49mm，温度为293K。
    空气入口设为压力入口，压力为0Pa，入口当量直径为120mm，温度为293K。
    引射器扩压管出口设为压力出口，压力为5Pa，出口直径为12mm，温度为293K。
2.5 模拟结果分析
   ① 速度分布
   图4为引射器A面上速度分布。燃气以一定速度进入引射管，燃气靠本身的能量吸入一次空气，经过喉部后，在扩压管内燃气与空气进行能量、动量交换，混合趋于均匀，速度趋于稳定，两者混合均匀后经扩压管流出。
 

   ② 压力分布
   图5为引射器A面上压力分布。为了很好地显示引射器内部压力状况，着重体现了5Pa以下的压力分布。在吸气收缩管内压力接近于0Pa，与外界压力相当。经过喉部，在扩压管部分压力逐渐平稳增加，而且每个横断面上的压力分布非常均匀。最终在扩压管出口压力达到5Pa，以克服气流在燃烧器头部的阻力。
 

   ③ 甲烷体积分数分布
   图6为引射器B面上CH4的体积分数分布。在喷嘴内CH4体积分数为100%。在吸气收缩管内，CH4体积分数逐步增加，并引射一部分空气进入引射管。经过喉部后，在扩压管部分，CH4与空气混合均匀，体积分数趋于稳定。
 

④ 扩压管出口参数
在扩压管出口断面上，得到了表1的统计结果。
表1 扩压管出口参数统计
CH4的质量流量/(kg·s-1)
5.51×10-5
CH4平均体积分数/%
11.35
CH4最大体积分数/%
11.67
CH4最小体积分数/%
11.02
引射系数
14.16
不均匀系数/%
1.44
    从统计数据可以看出：天然气三喷嘴多射流引射器的引射系数较高，达14.16，而不均匀系数较低，为1.44%。这两个参数很好地表征了三喷嘴引射器的优良引射和混合特性。
3 实验验证
    由于测试手段、方法的限制，本文通过实验验证多射流引射器的引射系数和出口压力，而不均匀系数暂不能得到验证。
3.1 引射系数实验验证
    引射系数实验是通过气相色谱分析法测试多射流引射器的一次空气系数[7、8]，并计算其引射系数。实验装置按GB 16410—2007《家用燃气灶具》标准中热负荷测试方法的规定安装[9]。
    实验时，调整燃气压力至所需压力，打开阀门，使混合气从燃烧器流出(不点火)。在燃烧器的喷嘴前采集纯燃气样本，用注射器在燃烧器的头部火孔内抽取混合气体样本，然后将纯燃气样本和混合气体样本分别进行气相色谱分析。实验时需注意环境通风，抽气采样时应尽量均匀缓慢。
    通过气相色谱分析法分析出纯燃气和一次空气-燃气混合气的组成，即可计算出一次空气系数和引射系数。
    假设实验燃气(标准状态)为1m3，燃气和空气混合过程中某组分i的平衡式为：
    xi,g+xi,aαV0=xi,m(1+αV0)
式中xi,g——实验燃气(引射气体)中i组分的体积分数
    xi,a——空气中i组分的体积分数
    α——一次空气系数
    V0——标准状态下1m3的实验燃气燃烧需要的理论空气量(根据实验燃气的组成计算出)，m3/m3
    xi,m——混合气体中i组分的体积分数
可以解得一次空气系数为：
 
    1m3引射气体(甲烷)的质量在数值上满足下式：
    mg=ρg    (4)
式中ρg——标准状态下实验燃气(引射气体)的密度，kg/m3
   被引射气体(空气)的质量在数值上满足下式：
    ma=1.293αV0    (5)
式中1.293——标准状态下空气的密度，kg/m3
将式(4)、(5)代入式(1)，可得引射系数为：
 
    本实验中，燃烧器采用多射流燃烧器，实验气源采用纯甲烷。实验分别做两次，结果取其平均值。表2为多射流燃烧器引射系数实验的结果。
表2 多射流燃烧器引射系数实验结果
项目
实验1
实验2
混合气体样本中O2体积分数%
18.47
18.49
混合气体样本中N2体积分数/%
69.90
69.99
混合气体样本中CH4体积分数/%
11.62
11.51
一次空气系数
0.79
0.80
引射系数
13.70
13.86
引射系数平均值
13.78
    实验表明，多射流引射器天然气的引射系数为13.78，与模拟结果14.16相比，相对误差为2.7%，说明Fluent软件的模拟结果较为可信。
3.2 引射器出口压力测试
    用数字微压计测量引射器的出口压力，实验装置同上。
    实验时，拆除燃烧器的头部部分，仅保留引射器部分。调整燃气压力至所需压力，打开阀门，使燃气从引射器流出(不点火)。用数字微压计检测引射器出口的压力。
    结果显示，多射流引射器的出口压力为3.7Pa，与模拟值5Pa相差不多，说明Fluent软件的模拟结果较为可信。
4 结论
    ① 用计算流体力学的数学模型以及相关的求解技术来分析多射流引射器是可行的。对于多射流引射器等新型引射器的研究开发，采用计算流体力学、Fluent软件模拟等方法十分必要。
    ② 通过天然气三喷嘴多射流引射器的研究，发现天然气三喷嘴多射流引射器具有较高的引射系数、较好的混合效果，为研究开发高效节能的家用燃气灶具燃烧器提供了良好基础。
参考文献：
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[9] GB 16410—2007，家用燃气灶具[S].
 
(本文作者：游超林1 陈迪龙1 蔡国汉1 邹春2 1.宁波方太厨具有限公司 浙江宁波 315300；2.华中科技大学 煤燃烧国家重点实验室 湖北武汉 430074)