旋流燃气灶数值模拟研究_蒋绍坚

第8卷第4期2009年12月

热科学与技术

Journal of Thermal Science and Technology

Vol .8No .4Dec .2009

文章编号:1671-8097(2009)04-0337-06D OI :10.3969/j .issn .1671-8097.2009.04.010

旋流燃气灶数值模拟研究

蒋绍坚,　刘震杰,　张　灿,　艾元方,　蒋受宝,　黄　波

(中南大学能源科学与工程学院,湖南长沙　410083)

摘要:

为缩短燃气灶的研发周期、降低研发成本、进一步提高燃气灶热效率,以旋流燃气灶为对象,以甲烷为燃料,利用F luent 模拟软件,研究了锥角和锅支架高度、一次空气系数因素对燃气灶热效率的影响。模拟结果表明:旋流燃气灶热效率随这三个参数的增大均呈现出先增后减的规律,其最大值分别发生在一次空气系数为0.6、锥角为45°、锅支架高度为22.5mm 时。为确定这三个参数的不同组合对热效率的影响,采用正交试验研究了这三个参数对热效率影响的显著性。试验结果表明:一次空气系数为0.6、锥角为45°、锅支架高度为22.5mm 为最优水平组合。

关键词:民用燃气灶;旋流;数值模拟;正交试验

中图分类号:T U996.75文献标识码:A

收稿日期:2009-09-24;　修回日期:2009-11-03.基金项目:国家自然科学基金资助项目(50006005,50476010);2006年中澳合作科技特别基金项目(50711120414).作者简介:蒋绍坚(1963-),男,湖南邵阳人,硕士,教授,主要从事高效低污染燃烧、生物质能源利用研究.E -m ail :sjjiang @mail .csu .

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0　引　言

国内燃气灶的研发主要依靠实验方法进行摸索,存在研发周期长、成本高等问题。将数值模拟方法用于燃气灶的开发研究,有助于解决这一问题。旋流燃气灶的火焰及高温烟气在锅底停留时间长,燃烧充分,具有燃烧稳定、热效率高等优点,得到越来越多的使用

[1-5]

。本文基于计算流体力学

软件Fluent ,以旋流燃气灶为研究对象,开展其数值模拟研究。关于旋流燃气灶的研究,虽已有较多文献报道

[6-8]

,但采用数值模拟方法研究旋流燃气

灶的却鲜见报导。燃烧器锥角和锅支架高度、一次空气系数等是影响燃气灶热效率的主要因素,本文首先用数值模拟方法分别研究三者对燃气灶热效率的影响规律,然后用正交试验方法研究三者的组合对热效率的影响,为实现高效率,寻找最佳组合。

1　数值模拟

针对典型旋流燃气灶,进行数值模拟与计算,

提出合理的燃气灶数值模拟方法[9]。通过改变结构与初始条件,分析关键结构参数与初始条件对燃气灶燃烧的影响。1.1　物理模型的建立

依照燃气灶实际尺寸建立三维的物理模型,模型包括燃气灶以及燃气灶上部的受热体。燃气和一次空气的入口简化为均布在圆台壁面上的21个条形孔,圆台底面开口作为空气入口。考虑火焰加热盛水铝锅时的情况,将锅底简化为一个传热壁面,而与之对应的位置考虑一个灶台面。整个模型由燃烧器头部、锅底面以及灶台面三个部分组成。旋流燃烧器本身的腔体和上部的空腔组成燃气的燃烧空间,是数值计算的主要区域。网格划分,考虑到锥形部分是燃气空气混合气体以及底部的次空气集中的一个区域,故将此区域设置网格较密。整个计算区域采用的是非结构混合型的网格,如图1所示。1.2　求解设置

根据相关研究[10],修正热平衡表达式得式(1)

[11]

。使用三维稳态隐式分离求解器;选用

(a)俯视图 (b)侧视图

图1　网格划分

Fig.1　M e sh

Realizable k-ε湍流模型[12]和标准壁函数模拟气流流动;采用离散坐标辐射模型模拟灶内辐射传热。燃料为甲烷,采用两步反应系统和四步反应系统[13],研究CH4燃烧,选用EDM模型模拟燃烧引起的传热传质,考虑两步反应(C H4与O2反应, CO与O2反应)。

q(CH4)[q r+c p(C H4)(Θ(CH4)-298)]+ qρ,m[w(O2)c p(O2)+w(N2)c p(N2)]×

(Θa-298)=q w S w+q c,m[w(O2)c p(O2)+

w(CO)y c p(CO)+

w(CO2)y c p(CO2)+

w(H2O)y c p(H2O)]×

(Θy-298)+ΔQ(1)式中:q(CH4)为燃气热值;q c,m为燃烧生成混合物热值;qρ,m为助燃空气混合物热值;Θ(CH4)为燃气的热力学温度,Θa为空气的热力学温度,Θy 为烟气的热力学温度,w为气体的质量分数;ΔQ 包括了燃烧产物中多原子成分(主要是CO2、H2O)的高温离解热、机械及化学不完全燃烧热损失、壁面传热热损失;下标w表示流出,r表示流入。

边界条件设置,依据实验值。采用速度入口边界条件。设定燃气灶的热负荷为2.718kW,燃气的热值为34.016MJ/m3,一次空气系数为0.6,混合气体与径向成30°喷出,速度为1.138m/s。设置燃气和空气的质量分数,CH4为8.850%,O2为21.056%,其余为N2。设定流动的静温为300K。底面开口和烟气出口设为压力边界条件,O2为23.1%,其余为N2。压力出口边界条件在出现回流时需要给出回流条件,回流的温度设为300 K。设定所有壁面都是固定无滑移的[14]。将灶台面和承液盘的表面传热系数设为15.16和21.16 W/(m2·K),周围气体的温度设为300K。百叶窗和锅底面为定温边界条件,将百叶窗温度设定为513K,锅底温度设为312K。气体的进出口相对燃烧空间小,认为是黑体。

差分方程选择一阶迎风格式进行迭代,使用SIM PLE算法进行压力场速度场耦合计算。

2　一次空气系数的影响

燃气灶引射器引射的空气常被称为一次空气,一次空气系数对燃气灶燃烧性能影响很大。一次空气系数的取值一般为0.45～0.75。根据常用旋流燃气灶,固定燃气灶的锥角为43°,锅支架高度为22.5mm,模拟燃气灶的燃烧。图2为燃气灶热出口处CO摩尔分数随一次空气系数的变化趋势图,一次空气系数n增加,CO摩尔分数不断降低,而且一次空气系数从0.3增加到0.5

的过程

图2　CO摩尔分数随一次空气系数的变化趋势图

Fig.2　T rendline of mole raction o f CO w hen prima ry air coefficient change

中,CO降低的速度很快,说明了在这个区间内,一次空气系数的增加将对燃气燃烧有很大的改进。图3为燃气灶热效率随一次空气系数的变化

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