內燃灶爐腔內流場模擬分析

摘要

摘　要：為研究內燃灶爐腔內氣體的流動狀態，利用流體分析前處理軟件GAMBIT建立爐腔流場的三維幾何模型，并通過計算流體力學FLUENT軟件，基于層流計算狀態下的組分輸運模型，對爐腔內

摘　要：為研究內燃灶爐腔內氣體的流動狀態，利用流體分析前處理軟件GAMBIT建立爐腔流場的三維幾何模型，并通過計算流體力學FLUENT軟件，基于層流計算狀態下的組分輸運模型，對爐腔內的氣流進行數值模擬。隨著燃氣閥開度增大，燃燒器上方氣體流速增大，可能導致點火困難；爐腔內靠近排氣導管一側氣體流速大，會造成爐板溫度分布不均。通過軟件模擬，形象地呈現了爐腔內的流場狀態。

關鍵詞：內燃灶； FLUENT軟件；流場；數值模擬

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

伴隨著人們生活水平的提高和國家能源結構的調整，高效、環保、節能型烹飪灶具逐漸成為市場的寵兒^[1-2]。內燃灶就是在這樣的背景下提出來的。從基于第一代樣機所做的原理驗證性試驗來看，內燃灶的工作原理基本可行^[3]。然而，通過試驗數據計算得到的熱效率值與理論值之間有較大偏差；同時，樣機的高效率區所對應的燃氣閥開度偏離了家用燃氣灶的常用工作區。因此必須對樣機結構進行改進。明確燃氣和空氣在爐腔內的流動狀態，對于發現樣機設計上存在的問題和改進樣機結構具有重要的指導意義。

FLUENT軟件是目前處于世界領先地位的計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)軟件，是研究流體流動特性的理想軟件。靈活的非結構化網格和基于求解精度的自適應網格及成熟的物理模型，使FLUENT軟件在層流、轉捩和湍流、傳熱、化學反應、多相流等問題的分析領域得到了廣泛的應用。運用FLUENT軟件，可以通過對爐腔流場的

數值模擬，形象直觀地獲得各項參數^[4]。

2　內燃灶結構

內燃灶的結構見圖l。工作時，空氣連同炊事產生的油煙、水蒸氣通過風機壓送到封閉的爐腔內，燃氣在自身壓力作用下進入燃燒器，并在高于大氣壓的條件下燃燒，加熱爐板，爐板可直接加熱食物或其他烹飪炊具；高溫廢氣在排出的過程中加熱油煙混合氣進氣管內的氣體，減少廢氣余熱的浪費，提高系統熱效率^[5]。

3　建立分析模型

圖2為所分析的流場結構。燃氣以射流形式進入燃燒器引射管，同時引射一次空氣，在引射管內完成預混。二次空氣由爐腔下底面的均布扇形孔送入爐腔內助燃^[6]。為了能夠方便地描述爐腔內的氣體流動狀態，此處對分析模型作了簡化，僅考慮冷態下的氣體流動。

爐腔流場結構并不復雜，可以直接利用FLUENT的專用前處理軟件GAMBIT建立幾何模型，并根據流場結構特點，采用非結構化的四面體／混合單元類型進行網格劃分，局部進行網格加密，生成的非結構化網格有利于模型在FLUENT軟件中的計算模擬。在定義邊界類型時，將燃氣噴射入口設為第一速度入口；將燃氣噴射入口兩側扇形孔(一次空氣入口)設為第二速度入口；將爐腔下底面均布的四個扇形孔(二次空氣入口)設為第三速度入口；爐腔排氣導管右端面為出口，邊界類型設為壓力出口。

將在GAMBIT下建立的網格模型導入FLUENT中，得到如圖3所示的流場模型。因流場中氣體的流動速度不高，可將模型視為一個定常不可壓縮流體的層流穩態求解問題。采用FLUENT軟件缺省的分離求解器。操作環境設置在一個標準大氣壓下，考慮2軸負方向的重力加速度，在設置邊界值時充分利用樣機試驗過程中所獲得的參數(如表l所示)，運用層流計算狀態下的組分輸運模型，假設試驗中的家用天然氣只含有CH4組分，并基于非結構化網格下的SIMPLE算法對整個模型進行模擬分析。

4　數值模擬的結果及分析

利用FLUENT軟件對比模擬了燃氣閥開度為25％和75％兩種條件下爐腔內的氣體流動狀態。計算得出兩種狀態下整個爐腔內氣流的最高流速分別為24.61m／s和46.86m／s。高速流主要出現在爐腔排氣導管。

圖4、5為沿爐腔排氣導管軸線縱截面(即y＝0平面)內的氣流等速度云圖，單位為m／s(圖中數據采用科學計數法，如：圖4中，數據2.36e+01表示的是2.36×10¹m／s，圖5～9同樣采用了這種科學計數法)。從圖4、5可以看出，氣流在爐腔內的速度分布并不均勻，爐腔內部靠近排氣導管一側區域內氣流的平均速度明顯高于另一側區域，在燃燒過程中，勢必會造成加熱爐板表面溫度分布不均，影響加熱效果。燃氣閥25％開度下一次空氣和二次空氣進入到爐腔后，燃燒器上方氣體平均流速很小，可以較為平穩地支持燃燒。燃氣閥75％開度下，燃燒器上方氣流平均速度明顯增大，必然會對燃氣燃燒產生影響，甚至造成打不著火，即使能夠點燃，燃燒也不會太穩定。試驗過程驗證了這一點。

圖6、7為沿爐腔排氣導管軸線縱截面(即y＝0平面)內CH4的質量分數分布云圖，單位為l。當燃氣閥開度為25％時，燃氣噴射速度較低，引射管內CH4的質量分數較大，說明燃氣得以在引射管內和空氣預混充分，然后進入爐腔內點火燃燒。當燃氣閥開度為75％時，燃氣噴射速度較高，引射管內CH4的質量分數比燃氣閥開度為25％狀態低了很多。

圖8、9為沿爐腔排氣導管軸線縱截面(y＝0平面)內氣流流動跡線圖，單位為m／s。從圖8、9中可以看出，氣體在進入爐腔后形成旋流，有助于進一步促進燃氣和空氣混合充分，提高燃燒質量。在靠近爐腔排氣導管時，由于氣流流通截面突變，氣流流速迅速增大，并最終沿著排氣導管以較高的速度流出。當燃氣閥開度為25％時，由于進入爐腔內的氣體的平均流速較低，氣體的流動跡線較為清晰，燃氣和空氣進一步混合后，可以較為平穩地燃燒。而當燃氣閥開度為75％時，由于進入爐腔內的氣體的平均流速增大，氣流沿z軸正方向有較大的速度分量，會對爐板形成一定的沖擊，且氣體的流動跡線較為雜亂，這可能會造成燃氣無法穩定燃燒。