计算流体力学软件CFD在燃烧器设计中的应用探讨

计算流体力学软件CFD在燃烧器设计中的应用探讨[摘要]本文通过对目前燃烧器的现状与技术发展的研究，探讨计算流体力学
软件CFD在燃烧器设计中应用的必要性和可行性，以CFD(计算流体力学)软件为工具，以普通大气式燃烧器为研究对象，采用实验和理论相结合的方法，充分利用现代计算机技术，达到降低燃烧器设计成本和研制费用的目的。

[关键词]燃烧器数值模拟计算流体力学
一、燃烧器的发展现状
1.部分预混式燃烧器的产生及其原理
燃烧的方法被分为扩散式燃烧、部分预混式燃烧和完全预混式燃烧。

扩散式燃烧易产生不完全燃烧产物，燃烧温度很低，并未充分利用燃气的能量；而一旦预先混入一部分空气后火焰就会变的清洁，燃烧温度也可以提高，燃烧较充分。

完全预混燃烧（无焰燃烧）要求事先按照化学当量比将燃气和空气均匀混合（实际应用中空气系数要大于1），燃烧充分，火焰温度很高，但稳定性较差，易回火。

所以民用燃具多采用部分预混式燃烧。

1855年工程师本生发明了一种燃烧器，能从周围大气中吸入一些空气和燃气预混，在燃烧时形成不发光的蓝色火焰，这就是实验室常用的本生灯（单火孔燃烧器）。

这种燃烧技术就被称作部分预混式燃烧。

本生灯燃烧所产生的火焰为部分预混层流火焰（俗称本生火焰）。

它由内焰，外焰及燃烧区域外围肉眼看不见的高温区组成。

火焰一般呈锥体状。

燃气—空气的混合气体先在内锥燃烧，中间产物及未燃尽的部分便从锥内向外流出，且混合气体出流的速度与内锥表面火焰向内传播速度相互平衡，此外便形成一个稳定的焰面，呈蓝色。

而未燃烧尽的混合气体残余物继续与大气中的空气进行二次混合燃烧，形成火焰外锥。

如图1所示，完成燃烧后产生高温co2和水进而在外焰的外侧形成外焰膜（肉眼看不见的高温层）:
图1. 本生灯示意图
如果混合气流是处于层流状态，则外焰面呈较光滑的锥形；如果处于紊流状态，则外焰面产生褶皱，直至产生强烈扰动，气团不断飞散、燃尽。

预混火焰的一次空气系数小于化学当量比，混合气体在蓝色内锥处只进行了一部分的燃烧，剩余的燃气再按扩散方式与二次空气混合燃烧，外焰较长。

且一次空气越小，外锥越大，光焰区越来越明显，直至完全形成扩散火焰。

2 大气式燃烧器的构造及工作原理
根据部分预混燃烧技术原理设计的燃烧器就称为大气式燃烧器。

一次空气系数0<α<1。

一般大气式燃烧器由头部和引射器组成，如图2:
图2. 大气式燃烧器示意图
大气式燃烧器的工作原理是：燃气在一定的压力下，以一定的流速从喷嘴流出，流入吸气收缩管，然后燃气靠本身的能量吸入一次空气。

在引射器内完成预混过程，混合气体由头部火孔流出，进行燃烧，就形成本身火焰。

大气式燃烧器一般的一次空气系数通常0.45<a<0.75,根据燃烧室传热工作状况的不同，过剩空气系数通常在1.3到1.8的范围中。

燃烧器的设计最主要的是引射器的设计。

引射器有三方面的作用：a)以高能量的燃气引射低能量的空气，并使二者均匀混合；b)在引射器末端形成一定的剩余压力，用以克服气流从火孔出流时的阻力损失；c)输送一定量的燃气，以保证燃烧器所需要的热负荷。

其次，燃烧器头部也是非常重要的，其作用是将燃气-空气混合物均匀地分布到火孔上，进行稳定完全的燃烧，同时要求二次空气能均匀地畅通到每个火孔。

3家用燃气灶的发展现状
目前，家用燃气灶具品种增多，款式新颖，安全措施增强，材质、功能和性能等均有所改善。

在生产质量和可靠性，工艺水平，自动化和智能化程度，性能指标的先进性，节能和环保，安全使用等方面也都有所改善。

产品款式方面有台式和嵌入式。

特别是嵌入式灶适应了目前厨房装饰的美化要求，成为新兴的快速发展的款式。

红外燃烧，催化燃烧，强鼓燃烧等先进燃烧技术也得到应用。

产品功能方面有压电点火，电脉冲点火方式。

燃气泄漏报警装置,自动安全保护装置在灶具中也得到运用。

安全保护系统有热电偶加电磁阀组成的热电安全系统，有电脉冲加自吸电磁阀组成的安全系统。

随着电子技术引入灶具领域，使得灶具的自动化和智能化程度都有所提高，有些高档产品增加了油温过热保护装置，防干烧保护装置等。

二、燃烧器存在的问题与设计技术发展
大气式燃烧器由于其燃烧所需要的一次空气是靠燃气的高速流动吸入，且燃烧器引射空气的能力只与燃烧器的结构有关，而与燃烧器的工作状况无关，即空气引射系数不随热负荷的变化而变化，因此，大气式燃烧器一旦设计合理，就具有燃烧空气自动调节、燃烧完全、燃烧效率高、烟气中污染物排放量低等优点。

常压吸气引射器是大气式燃烧器的关键部件之一，利用燃气自身的压力引射空气、完成燃气和一次空气的混合并恢复头部出流所需要的静压。

传统的引射器是由吸气渐缩管、混合管、渐扩管组成，长度大、结构复杂；现代燃气设备结构紧凑，往往要求引射器进行简化有时仅用一段直管代替，无空气调节装置，由于燃气压力较低，一次空气吸入口处的空气流速很低，传统的设计理论中其真空度往往忽略不计，由此得出的结论，定性趋势尚可、但定量精度不够。

燃气具先进设计方法的缺失，极大地阻碍了新型燃具的开发。

无论是在开发新型燃具时还是对既有产品的某些结构尺寸进行调整时，不能先验预测其结果，而只能通过反复地实验摸索，造成大量人力、物力、时间的浪费。

在将计算流体力学(Computerized Fluid Dynamics, CFD)技术用于燃具设计时，利用计算流体力学软件，对一般引射器的内部流场进行模拟分析，可以为初步设计的燃烧器提供各项技术参数，从而指导燃烧器的进一步改进，最终达到理想的结构设计。

但是，一个关键问题是如何合理地处理常压吸气引射器的进口边界。

较为合理的作法是在距进口很远的外围设置压力进口、取为大气压，但这样会极大地增加计算单元数量，降低计算效率；另一种作法是直接在进口处设置压力进口边界，但引射器的工作状况受到其下游的分配管、混合管等结构参数和燃气压力、比重等工作参数等的影响，压力进口真空度的设置必须以系统、可靠的实验数据为依据，否则, CFD仿真所得出的结果不足以确立可信的一次空气引射性能。

三、计算流体力学软件CFD应用实例
以CFD(计算流体力学)软件为工具，以普通大气式燃烧器为研究对象，采用实验和理论相结合的方法，通过热态工作情况下一次空气与燃气所形成混合气的气相色谱分析，实验确定一次空气系数随着引射器结构、头部阻力系数的变化规律；结合CFD仿真软件，间接确定一次空气进口的压力边界状况，从而能够先验预测混合器、引射器结构调整时，燃具一次空气系数的变化情况，为逐步摆脱实验为主的开发模式奠定可靠的理论基础。

该设计研究实例内容包括以下几方面：
、以普通大气式燃烧器结构炉头的燃具为实验对象，对燃烧器流体力学仿真；
⑵、对燃具的一次空气引射性能进行实验测试，确定引射能力随着燃气
压力的变化规律。

⑶、通过仿真边界条件的调整，间接确定一次空气进口真空度随燃气压力的变化规律。

可以采用下图所示的技术路线：
图3. 本实例技术路线
引射器的引射能力受到气源性质(比重、热值、压力等)、引射器结构、下游的头部阻力等诸多因素影响。

采用理论计算与实验测试相结合的方法，在一定的引射器与燃烧器头部结构下，保持燃气压力和组分不变，测量一定头部温度情况下的一次空气系数；建立相应结构下的流体力学模型，通过调整一次空气进口的真空度(数值实验)，获得与实测吻合的一次空气系数；从而确定一定燃气压力下的一次空气进口真空度；之后通过系统地变化燃气压力，确定该真空度的变化规律。

最后，将所确立的真空度变化规律应用于其他结构的引射器与燃烧器工作情况的预测，确立研究结论的有效性。

四、小结
实际上，计算流体力学(CFD)和相应软件在过去十年中飞速进步，已能够成功预测如大型电站锅炉的燃烧、工业炉窑换热、NO控制等复杂的工程问题，逐渐成为行业技术人员的有力设计工具。

在燃具设计领域，利用CFD进行燃烧器模拟设计，如降低热水器NO排放的浓淡燃烧器仿真、强制鼓风热水器的均匀配风等，充分利用现代计算机技术，达到降低燃烧器设计成本和研制费用的目的，已成为当今国际国际燃烧器设计界的一种潮流。

参考文献
1、同济大学等四校合编，《燃气燃烧与应用》，中国建筑工业出版社，2000年12月第三版。

2、方媛媛; 郭全; 傅忠诚. “低压大气式燃烧器中引射器的数值模拟”. 《北京建筑工程学院学报》2006年04期
3、叶远璋; 钟家淞; 夏昭知. “数值计算在燃烧器设计上的运用”. 中国城市燃气学会应用专业委员会, 2005年会论文集.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。