摘要：建立燃氣和空氣預混系統的數學模型，利用CFD技術對燃氣快速熱水器燃燒器的燃氣和空氣預混系統進行數值模擬，分析了預混系統的幾何結構參數(噴嘴直徑和噴嘴位置)對預混效果的影響。

關鍵詞：燃氣快速熱水器　引射器　預混系統　噴嘴　數值模擬

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　燃氣和空氣預混系統

燃氣和空氣混合的效果決定了燃燒效率和污染物的排放量。利用引射器實現燃氣和空氣全預混，可以達到燃氣快速熱水器燃燒器全預混燃燒的目的。為了掌握預混系統幾何結構參數對預混效果的影響，建立了燃氣和空氣預混系統數學模型，利用fluent軟件對燃氣和空氣預混系統進行模擬。

燃氣和空氣預混系統主要利用引射器原理^[1-5]。進行燃氣和空氣的混合，本文的預混系統是在引射器基礎上進行r一定的改進，結構見圖l。燃氣燃燒所需的空氣要全部流經引射器，單純依靠燃氣自身壓力形成的負壓不足以引射全部空氣。因此，需要由風機為空氣提供一定的動能和壓力能，但燃氣對空氣的引射效果仍然存在，減少了風機做功。預混系統的幾何結構參數對混氣效果影響很大，因此有必要對預混系統進行數值模擬研究與分析。

2　預混系統數學模型和邊界條件

伴隨著計算機硬件和數值訓計算方法的發展，數值模擬被廣泛應用于解決各種流體流動、傳熱和燃燒問題。在引射器設計方面，由于數值模擬比試驗研究節省大量時間和經費，很多學者^[6-11]在最初產品設計時多采用數值模擬來獲得引射器結構尺寸與最佳工況的關系，數值模擬結果和實際值相對誤差控制在5％以內。在燃氣和空氣預混系統內部，流體流動及各種組分之間的摻}昆屬于湍流擴散過程。由于民用天然氣額定壓力為2kPa，馬赫數比較低，

流體可視為不可壓縮性流體。流體流動過程屬于無化學反應、無熱傳導的穩態流動過程。

①　控制方程的選擇

預混系統的控制方程包括連續性(質量守恒)方程、動量方程、組分方程和湍流方程^[12-13]。國內外學者^{[8，11，14-16]}在引射器數值模擬中普遍采用Realizable k-ε模型，研究發現該模型可以較好地預測引射過程的擴散速率，以及引射器內部的回流特性，Realizable k-ε模型在圓口射流和平板射流模擬中，能給出較好的射流擴張角。

②　邊界條件和網格劃分

預混系統中燃氣和空氣的質量流量，可根據燃燒器的額定熱負荷和空氣系數計算得出。在模型中，燃氣和空氣的進口都設置為質量流量邊界條件。燃燒器的額定熱負荷為22kw，燃燒器共有11個引射器，燃氣可視為純甲烷，每個燃氣噴嘴的甲烷質量流量為8.92×10^-4kg/s。為了分析方便，引射器的質量引射系數（空氣的質量流量與燃氣的質量流量之比）μ取22.3，空氣系數α取1.3。預混系統出口的壓力是大氣壓力。

由于計算模型結構復雜，故采用結構網格和非結構網格相結合的混合網格，在燃氣噴嘴出口附近，彩用結構網格并進行了一定程度地加密。網格數約為120×10⁴，網格分布見圖2.在模擬過程中，噴嘴出口直徑d分別設置為1.10、1.20、1.30、1.35、1.40mm。噴嘴出口距收縮管入口的距離r（噴嘴出口在收縮管入口右側時，r為正，否則r為負）分別設置為-1、0、1、2、3、4、5mm。根據d和r組合的不同，共模擬了35個工況。

3　嘴直徑的選擇

模擬的噴嘴位置對燃氣靜壓力的影響見圖3。由圖3可知，噴嘴的直徑越小，燃氣所需要的靜壓力越大。當噴嘴的直徑d<1.30mm時，燃氣的靜壓力大于1.0kPa。因此噴嘴的直徑應大于1.30mm，否則電磁閥后（燃氣噴嘴前）燃氣的質量流量將不能滿足燃燒器熱負荷的要求。

4　噴嘴位置和噴嘴直徑對預混效果的影響

不同噴嘴直徑d 和噴嘴位置條件下，預混系統出口截面中心線上混合氣中燃氣的摩爾分數見圖4～6可知，當r=-1mm和r=0mm時，中心線上燃氣摩爾分數的不一致性非常明顯，摩爾分數波動范圍為4%～12%。R越大，中心線上的燃氣的摩爾分數一致性越好。當r=4mm和5mm時，中心線上燃氣的摩爾分數幾乎相同，這說明此條件下混合效果比較好。因此，為了實現燃氣和空氣的完全預混，取r＞4mm。

5　結論

通過對燃氣和空氣預混系統的數值模擬，分析了噴嘴直徑d和噴嘴位置對混氣效果和氣流組織的影響。結果表明：引射器結構一定的情況下，考慮到燃氣流經燃氣噴嘴時要保持一定的流量，噴嘴的直徑應大于l.30 mm；當噴嘴出口距收縮管人口的距離r>4 mm時，有利于燃氣和空氣的混合，中心線上燃氣的分布均勻性較好，燃氣的摩爾分數波動范圍可控制在1％以內。

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本文作者：劉鳳國　付晉津　閻蕾　崔晉　張蕊　鄭斌

作者單位：天津城市建設學院能源與安全工程學院，天津300384；

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