摘要：建立燃气和空气预混系统的数学模型，利用CFD技术对燃气快速热水器燃烧器的燃气和空气预混系统进行数值模拟，分析了预混系统的几何结构参数(喷嘴直径和喷嘴位置)对预混效果的影响。

关键词：燃气快速热水器　引射器　预混系统　喷嘴　数值模拟

Abstract: A mathematical model of gas and airpremixed system is established．The numerical simula．tion of gas and air premixed system for burner in gasinstantaneous water heater is performed by CFD．Theinfluence of geometric structure parameter(nozzle dialneter and position)of the premixed system on the premix effect is analyzed．

Key words: gas instantaneous water heater；ejector；premixed system；nozzle；numerical simulation

1　燃气和空气预混系统

燃气和空气混合的效果决定了燃烧效率和污染物的排放量。利用引射器实现燃气和空气全预混，可以达到燃气快速热水器燃烧器全预混燃烧的目的。为了掌握预混系统几何结构参数对预混效果的影响，建立了燃气和空气预混系统数学模型，利用fluent软件对燃气和空气预混系统进行模拟。

燃气和空气预混系统主要利用引射器原理^[1-5]。进行燃气和空气的混合，本文的预混系统是在引射器基础上进行r一定的改进，结构见图l。燃气燃烧所需的空气要全部流经引射器，单纯依靠燃气自身压力形成的负压不足以引射全部空气。因此，需要由风机为空气提供一定的动能和压力能，但燃气对空气的引射效果仍然存在，减少了风机做功。预混系统的几何结构参数对混气效果影响很大，因此有必要对预混系统进行数值模拟研究与分析。

2　预混系统数学模型和边界条件

伴随着计算机硬件和数值训计算方法的发展，数值模拟被广泛应用于解决各种流体流动、传热和燃烧问题。在引射器设计方面，由于数值模拟比试验研究节省大量时间和经费，很多学者^[6-11]在最初产品设计时多采用数值模拟来获得引射器结构尺寸与最佳工况的关系，数值模拟结果和实际值相对误差控制在5％以内。在燃气和空气预混系统内部，流体流动及各种组分之间的掺}昆属于湍流扩散过程。由于民用天然气额定压力为2kPa，马赫数比较低，

流体可视为不可压缩性流体。流体流动过程属于无化学反应、无热传导的稳态流动过程。

①　控制方程的选择

预混系统的控制方程包括连续性(质量守恒)方程、动量方程、组分方程和湍流方程^[12-13]。国内外学者^{[8，11，14-16]}在引射器数值模拟中普遍采用Realizable k-ε模型，研究发现该模型可以较好地预测引射过程的扩散速率，以及引射器内部的回流特性，Realizable k-ε模型在圆口射流和平板射流模拟中，能给出较好的射流扩张角。

②　边界条件和网格划分

预混系统中燃气和空气的质量流量，可根据燃烧器的额定热负荷和空气系数计算得出。在模型中，燃气和空气的进口都设置为质量流量边界条件。燃烧器的额定热负荷为22kw，燃烧器共有11个引射器，燃气可视为纯甲烷，每个燃气喷嘴的甲烷质量流量为8.92×10^-4kg/s。为了分析方便，引射器的质量引射系数（空气的质量流量与燃气的质量流量之比）μ取22.3，空气系数α取1.3。预混系统出口的压力是大气压力。

由于计算模型结构复杂，故采用结构网格和非结构网格相结合的混合网格，在燃气喷嘴出口附近，彩用结构网格并进行了一定程度地加密。网格数约为120×10⁴，网格分布见图2.在模拟过程中，喷嘴出口直径d分别设置为1.10、1.20、1.30、1.35、1.40mm。喷嘴出口距收缩管入口的距离r（喷嘴出口在收缩管入口右侧时，r为正，否则r为负）分别设置为-1、0、1、2、3、4、5mm。根据d和r组合的不同，共模拟了35个工况。

3　嘴直径的选择

模拟的喷嘴位置对燃气静压力的影响见图3。由图3可知，喷嘴的直径越小，燃气所需要的静压力越大。当喷嘴的直径d<1.30mm时，燃气的静压力大于1.0kPa。因此喷嘴的直径应大于1.30mm，否则电磁阀后（燃气喷嘴前）燃气的质量流量将不能满足燃烧器热负荷的要求。

4　喷嘴位置和喷嘴直径对预混效果的影响

不同喷嘴直径d 和喷嘴位置条件下，预混系统出口截面中心线上混合气中燃气的摩尔分数见图4～6可知，当r=-1mm和r=0mm时，中心线上燃气摩尔分数的不一致性非常明显，摩尔分数波动范围为4%～12%。R越大，中心线上的燃气的摩尔分数一致性越好。当r=4mm和5mm时，中心线上燃气的摩尔分数几乎相同，这说明此条件下混合效果比较好。因此，为了实现燃气和空气的完全预混，取r＞4mm。

5　结论

通过对燃气和空气预混系统的数值模拟，分析了喷嘴直径d和喷嘴位置对混气效果和气流组织的影响。结果表明：引射器结构一定的情况下，考虑到燃气流经燃气喷嘴时要保持一定的流量，喷嘴的直径应大于l.30 mm；当喷嘴出口距收缩管人口的距离r>4 mm时，有利于燃气和空气的混合，中心线上燃气的分布均匀性较好，燃气的摩尔分数波动范围可控制在1％以内。

参考文献：

[1]  同济大学，重庆大学，哈尔滨工业大学，等。燃气燃烧与应用[M]　4版　北京：中国建筑工业出版社，2011：147-149．

[2]  索科洛夫EⅡ，津格尔H M．喷射器[M]．黄秋云，译　北京：科学出版社，1973：1-2．

[3]　宓亢琪．天然气引射器特性方程与工况的研究[J]． 煤气与热力，2006，26(6)：1-5．

[4]　游超林，陈迪龙，蔡国汉，等．多射流引射器的数值模拟[J]．煤气与热力，2010，30(6)：Bl2-Bl5．

[5]　方媛媛，郭全．喷嘴位置对引射器性能影响的数值模拟[J]．煤气与热力，2007，27(7)：42-44．

[6]　PIANTHONG K，SEEHANAM W，BEHNIA M，et al．Investigation and improvement of ejector refrigeration system using computational fluid dynamics technique[J]．Energy Conversion and Management，2007，48(9)：2556-2564．

[7]  RIFFAT S B，GAN G，SMITH S．Computational fluid dynamics applied to ejector heat pumps[J]．Applied Thermal Engineerin9，1996，16(4)：29-—297．

[8]　RUSLY E，AYE L，CHARTERS W W S，et al．CFD analysis of ejector in a combined ejector cooling system [J]．International Join'hal of Refrigeration．2005．28(7)：1092-1101．

[9]　RIFFAT S B，OMER S A．CFD modeling and experi mental investigation of an ejector refrigeration system using methanol as the working fluid[J]．International    Journal of Energy Research，2001，25(2)：115-128．

[10]　BARTOSIEWICZ Y，AIDOUN Z．MERCADIER Y．Numerical assessment of ejector operation for refrigeration applications based on CFD[J]．Applied Thermal Engi    neerin9，2006，26(5／6)：604-612．

[11]　SRIVEERAKUL T，APHORNRATANA S．CHUNNANOND K．Performance prediction of steam ejector using computational fluid dynamics：Part l．Validation of the CFD    results[J]．International Journal of Thermal Sciences，2007，46(8)：812-822．

[12]　黄卫星，陈文梅．工程流体力学[M]．北京：化学工业出版社，2001：45-65．

[13]  陶文栓．数值传热学[M]．2版．西安：西安交通大学出版社，2004：1-6．

[14]　VARGA S，OLIVEIRA A C．DIACONU B．Numerical assessment of steam ejector efficiencies using CFD[J]．International Journal of Refrigeration，2009，32(6)：    1203-1211．

[15]　ZHU Y H，CAI W J，WEN C Y．et al．Numerical investigation of geometry parameters for design of high performanee ejectors[J]．Applied Thermal Engineerin9，2009，29(5／6)：898-905．

[16]　HE S，LI Y，WANG R Z．Progress of mathematical modeling on ejectors[J]．Renewable and Sustainable Energy Reviews，2009，13(8)：1760—1780．

本文作者：刘凤国　付晋津　阎蕾　崔晋　张蕊　郑斌

作者单位：天津城市建设学院能源与安全工程学院，天津300384；

  天津市陕津天然气集输有限公司，天津300384；

  中启胶建集团有限公司，山东青岛266300