内燃灶炉腔内流场模拟分析_技术研究

摘要

摘　要：为研究内燃灶炉腔内气体的流动状态，利用流体分析前处理软件GAMBIT建立炉腔流场的三维几何模型，并通过计算流体力学FLUENT软件，基于层流计算状态下的组分输运模型，对炉腔内

摘　要：为研究内燃灶炉腔内气体的流动状态，利用流体分析前处理软件GAMBIT建立炉腔流场的三维几何模型，并通过计算流体力学FLUENT软件，基于层流计算状态下的组分输运模型，对炉腔内的气流进行数值模拟。随着燃气阀开度增大，燃烧器上方气体流速增大，可能导致点火困难；炉腔内靠近排气导管一侧气体流速大，会造成炉板温度分布不均。通过软件模拟，形象地呈现了炉腔内的流场状态。

关键词：内燃灶； FLUENT软件；流场；数值模拟

Simulation Analysis of Flow Field in Combustion Chamber of Internal Combustion Cooker

Abstract：The three．dimensional geometric model of flow field in combustion chamber is bufit up by fluid analysis pre-processing software GAMBIT to study the gas flow state in combustion chamber of internal combustion cooker．Through computational fluid dynamics software FLUENT，the gas flow in the combustion chamber is numerically simulated based on the component transport model under the laminar flow calculation state．The flow velocity of gas above the burner increases with increasing the opening degree of the gas valve，which may cause ignition difficulties．The temperature of cooker plate distributes unevenly because the gas velocity near the side of exhaust duct is larger than the other sides in the combustion charaber．The flow field state in the combustion chamber is visually demonstrated by software simulation．

Keywords：internal combustion cooker：FLUENT software；flow field：numerical simulation

1　概述

伴随着人们生活水平的提高和国家能源结构的调整，高效、环保、节能型烹饪灶具逐渐成为市场的宠儿^[1-2]。内燃灶就是在这样的背景下提出来的。从基于第一代样机所做的原理验证性试验来看，内燃灶的工作原理基本可行^[3]。然而，通过试验数据计算得到的热效率值与理论值之间有较大偏差；同时，样机的高效率区所对应的燃气阀开度偏离了家用燃气灶的常用工作区。因此必须对样机结构进行改进。明确燃气和空气在炉腔内的流动状态，对于发现样机设计上存在的问题和改进样机结构具有重要的指导意义。

FLUENT软件是目前处于世界领先地位的计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)软件，是研究流体流动特性的理想软件。灵活的非结构化网格和基于求解精度的自适应网格及成熟的物理模型，使FLUENT软件在层流、转捩和湍流、传热、化学反应、多相流等问题的分析领域得到了广泛的应用。运用FLUENT软件，可以通过对炉腔流场的

数值模拟，形象直观地获得各项参数^[4]。

2　内燃灶结构

内燃灶的结构见图l。工作时，空气连同炊事产生的油烟、水蒸气通过风机压送到封闭的炉腔内，燃气在自身压力作用下进入燃烧器，并在高于大气压的条件下燃烧，加热炉板，炉板可直接加热食物或其他烹饪炊具；高温废气在排出的过程中加热油烟混合气进气管内的气体，减少废气余热的浪费，提高系统热效率^[5]。

3　建立分析模型

图2为所分析的流场结构。燃气以射流形式进入燃烧器引射管，同时引射一次空气，在引射管内完成预混。二次空气由炉腔下底面的均布扇形孔送入炉腔内助燃^[6]。为了能够方便地描述炉腔内的气体流动状态，此处对分析模型作了简化，仅考虑冷态下的气体流动。

炉腔流场结构并不复杂，可以直接利用FLUENT的专用前处理软件GAMBIT建立几何模型，并根据流场结构特点，采用非结构化的四面体／混合单元类型进行网格划分，局部进行网格加密，生成的非结构化网格有利于模型在FLUENT软件中的计算模拟。在定义边界类型时，将燃气喷射入口设为第一速度入口；将燃气喷射入口两侧扇形孔(一次空气入口)设为第二速度入口；将炉腔下底面均布的四个扇形孔(二次空气入口)设为第三速度入口；炉腔排气导管右端面为出口，边界类型设为压力出口。

将在GAMBIT下建立的网格模型导入FLUENT中，得到如图3所示的流场模型。因流场中气体的流动速度不高，可将模型视为一个定常不可压缩流体的层流稳态求解问题。采用FLUENT软件缺省的分离求解器。操作环境设置在一个标准大气压下，考虑2轴负方向的重力加速度，在设置边界值时充分利用样机试验过程中所获得的参数(如表l所示)，运用层流计算状态下的组分输运模型，假设试验中的家用天然气只含有CH4组分，并基于非结构化网格下的SIMPLE算法对整个模型进行模拟分析。

4　数值模拟的结果及分析

利用FLUENT软件对比模拟了燃气阀开度为25％和75％两种条件下炉腔内的气体流动状态。计算得出两种状态下整个炉腔内气流的最高流速分别为24.61m／s和46.86m／s。高速流主要出现在炉腔排气导管。

图4、5为沿炉腔排气导管轴线纵截面(即y＝0平面)内的气流等速度云图，单位为m／s(图中数据采用科学计数法，如：图4中，数据2.36e+01表示的是2.36×10¹m／s，图5～9同样采用了这种科学计数法)。从图4、5可以看出，气流在炉腔内的速度分布并不均匀，炉腔内部靠近排气导管一侧区域内气流的平均速度明显高于另一侧区域，在燃烧过程中，势必会造成加热炉板表面温度分布不均，影响加热效果。燃气阀25％开度下一次空气和二次空气进入到炉腔后，燃烧器上方气体平均流速很小，可以较为平稳地支持燃烧。燃气阀75％开度下，燃烧器上方气流平均速度明显增大，必然会对燃气燃烧产生影响，甚至造成打不着火，即使能够点燃，燃烧也不会太稳定。试验过程验证了这一点。

图6、7为沿炉腔排气导管轴线纵截面(即y＝0平面)内CH4的质量分数分布云图，单位为l。当燃气阀开度为25％时，燃气喷射速度较低，引射管内CH4的质量分数较大，说明燃气得以在引射管内和空气预混充分，然后进入炉腔内点火燃烧。当燃气阀开度为75％时，燃气喷射速度较高，引射管内CH4的质量分数比燃气阀开度为25％状态低了很多。

图8、9为沿炉腔排气导管轴线纵截面(y＝0平面)内气流流动迹线图，单位为m／s。从图8、9中可以看出，气体在进入炉腔后形成旋流，有助于进一步促进燃气和空气混合充分，提高燃烧质量。在靠近炉腔排气导管时，由于气流流通截面突变，气流流速迅速增大，并最终沿着排气导管以较高的速度流出。当燃气阀开度为25％时，由于进入炉腔内的气体的平均流速较低，气体的流动迹线较为清晰，燃气和空气进一步混合后，可以较为平稳地燃烧。而当燃气阀开度为75％时，由于进入炉腔内的气体的平均流速增大，气流沿z轴正方向有较大的速度分量，会对炉板形成一定的冲击，且气体的流动迹线较为杂乱，这可能会造成燃气无法稳定燃烧。