低压引射大气式燃烧器内部流场实验
邓海燕 仇明贵
摘 要：本文主要研究大气式燃烧器的结构及内部流场，分别运用理论分析、数值分析、实验分析三种手段对燃烧器内部流场进行剖析。通过深入分析燃烧器各部位对引射能力、流场分布、燃烧工况的影响，为燃烧器的设计和优化提供理论和实验依据。
关键词：燃烧器 引射 流场分析 数值模拟
Abstract：This article focus on the structure and internal flow field of the atmospheric burner， using three kinds of means which are theoretical analysis， numerical analysis， experimental analysis to analyze the internal flow field of burner respectively. Through deeply analysing different parts of the combustor's influences on the injection ability ，the distribution of flow field and the combustion conditions ，so as to provide theoretical and experimental basis for the design and optimization of burner.
Keywords：Burner Injection Flow field analysis Numerical simulation
引言
随着《天然气燃料动力船规范》在2013年9月1日颁布实施，天然气等气体燃料在船舶上的应用拉开了序幕，船用设备中，除了主机辅机等动力设备外，生活用设备也可以采用气体燃料，燃气热水器在船舶运营的日常生活中将成为一个重要的设备得到广泛应用。
作为提高燃气热水器的热效率和工作稳定性的关键部件——燃烧器是燃气具核心零部件之一，该部件设计好坏直接影响到燃气具的燃烧效率、燃烧稳定性以及燃烧产物。因此，只有掌握燃烧器的工作原理，各部位设计意图以及对燃烧性能的影响等相关知识，才能研究、优化出各种高性能的燃烧器（燃烧工况稳定、燃烧效率高、燃烧噪音小、有害气体排放低）。
下面以强抽式燃气热水器的燃烧器为例进行研究，研究整个燃烧器内部流道的速度场、压力场的分布，以及流道对引射能力的影响，分析流道各部位的作用。
流场理论分析
1. 燃烧器工作原理
如图1是某型号燃烧器结构图。从喷嘴出来的高速燃气射流引射四周的静止空气，一起进入燃烧器收缩段，通过调整喷嘴与燃烧器之间距离可使燃气射流完全进入收缩段，即在收缩段内可以近似当作自由射流。由动量守恒定律，在收缩段燃气速度逐渐降低，空气速度逐渐增大。可燃混合气（燃气与空气的混合物）随之进入混合段，在混合段内燃气与空气充分混合，然后进入扩压段（扩张形流道），可燃混合气速度下降，流道内压力上升，达到燃烧器头部所需工作压力。可燃混合气经燃烧器头部分配到各个火孔，形成部分预混燃烧。
2. 紊流自由引射
燃气从喷嘴高速喷出形成紊流射流，紊流射流内部有许多微团的横向脉动，引起射流与周围空气的质量和动量交换，使周围空气被卷吸。射流的卷吸作用是由于内摩擦产生的，内摩擦力的大小决定于扩散系数和速度梯度。
由于燃气射流与静止空气间形成的物质交换，就使混合气射流质量随着离喷嘴距离的增加而增大，射流的宽度也随之增大，而轴心速度随之减小。
3. 燃烧器的流场分析
质量流量为mg的燃气在压力P1（二次压）下进入喷嘴，通过喷嘴燃气压力由P1降至P2（大气压），而流速则升高到ug（喷嘴燃气喷射速度）。高速燃气具有很大的动能，形成紊流自然引射，并卷吸mo的空气，空气速度用uo表示。
如图2中的曲线可以看出，燃气流速ug从喷嘴出来后逐渐减小，引射空气使空气流速uo逐渐增加，经混合段使燃气与空气充分混合后，混合气进入扩压段，根据伯努力方程，流速逐渐减小，压力不断增加，形成燃烧器均匀稳定燃烧时头部所需要的压力。扩压段末端的预混合气流速u和压力h将直接影响到燃烧器头部压力分配以及燃气从火孔流出的气流方向。
上面定性的对燃烧器内部的流速场、压力场进行了分析，定性了解了燃气从喷射到卷吸空气，经混合、扩压形成头部压力的整个过程中燃气、空气速度和压力的变化情况。并深入理解了引射器各部分的作用，以及影响燃烧器引射能力的因素。
为直观、清晰地观测到燃烧器内部压力场、流场的分布情况，下面将引入数值分析对燃烧器内部流场进行分析。
数值分析
1. 计算区域
本数值分析主要模拟分析燃烧器内部流场及喷嘴引射情况，包括燃气从喷嘴喷出，然后引射空气，后经吸入段、混合段、扩压段，头部分配及火孔流出。因此，流体域包括喷嘴、引射部分空气域、燃烧器内部流体域、火孔外自由发展流体域。
2. 控制方程
本文主要研究燃气引射情况以及燃烧器内部流动情况，在建立数学模型时做如下假设：①流场已充分发展为稳态湍流流动；②忽略体积力的影响；③流动在壁面上无滑移。模拟中采用标准的k-ξ计算模型，压力和速度耦合采用SIMPLE算法，对流场采用二阶迎风格式，并采用非耦合稳态隐式格式求解，定义收敛条件为残差值小于10-5。流体定义为不可压缩的牛顿流体，流动遵循动量守恒定律、能量守恒定律和质量守恒定律。
3. 流体域和边界条件
如图3，流体域采用甲烷和空气的混合域，物性参数采用CH4和空气；喷嘴前压力为900Pa，因此喷嘴处设置为900Pa进口压力，100%的甲烷；图中蓝色箭头部分为引射空气进口边界条件，设置为开放边界条件，压力为0Pa，100%的空气；顶部黑色箭头部分为压力出口边界条件，压力0Pa。
4. 压力场分析
下面是对两种不同扩压段流道燃烧器进行压力对比分析，可以看出图4扩压段体积较小，而图5扩压段体积较大。分析两种流道内的压力分布，根据压力云图可以看出：①在侯口部由于高速燃烧射流产生引射，形成负压（颜色较深）；②混合气经扩压段，压力不断升高（颜色逐渐变浅），达到头部所需压力；③对比图4和图5，扩压段角度或体积越大，扩压效果越明显。以上结论与理论分析完全吻合。
实验分析
上面运用数值模拟的方法对燃烧器内部流速场和压力场进行分析，并直观地再现了燃气或空气在燃烧器流道的分布，以及流道中的压力分布和流线分布，并观测燃气在火孔出口处的速度场分布。下面将运用实验手段对燃烧器中的压力及火焰进行分析。
如图6是燃烧器的实验装置。由喷嘴、燃烧器、夹具构成，其中喷嘴前压力可任意调节；燃烧器安装于夹具上，夹具可以前后移动，即喷嘴与燃烧器的距离可以任意调节；图7为燃烧器压力测试点，测试该点位置的静压。现对不同扩压段的燃烧器进行对比分析，第一种燃烧器扩压段流道较小，第二种燃烧器扩压段流道较大。
1、燃烧器内部压力测试
吸入口与喷嘴之间距离d，从100Pa开始逐渐增加喷嘴前压力，并记录所对应的位置1、位置2处压力。测试位置如图7，测试结构如图8，据图分析：①分析单条曲线，随着二次压的增加，扩压端末端的压强逐渐增加，曲线几乎接近直线，即流道内的压力随二次压力线性变化。②在同一火排位置一与位置二对比分析，位置二的压力低于位置一的压力，说明混合气经扩压段形成较大压力，使燃烧器头部重新分配；③对比不同流道同一位置的压力曲线，发现扩压段越小，则位置一和位置二压力越小。
2、燃烧器火焰测试
调节喷嘴前压力，火焰的变化趋势如图9，采用天然气测试。根据下图分析出，随着压力的增加（即燃气流量的增加），火焰逐渐向左倾斜，这与数值模拟仿真完全吻合；随着二次压的增加，燃烧器右边火焰逐渐独立，而左侧火焰更加倾斜；当二次压达到1000Pa时，燃烧器右边出现离焰。
3. 引射能力测试
通过前面的数值分析，发现不同流道内的压力和速度完全不同，但不同扩压段是如何影响一次空气的？下面通过观察火焰情况来分析流道对一次空气引射的影响。为清楚观测火焰，下面采用液化气，在相同二次压力、喷嘴、以及喷嘴与燃烧器距离下进行对比实验。图10和图11分别是前面仿真分析的扩压段小和扩压段大的燃烧图，对比两组火焰可得以下结论：①扩压段流道小，燃气流速快，火焰倾斜程度大，火焰相对清晰，一次空气引射能力较强；②扩压段流道大，燃气流速慢，火焰更直，火焰相对较黄，一次空气引射能力较弱。
结论
本文通过对燃烧器流道结构进行理论分析，并运用CFD软件对喷嘴引射及流道进行数值模拟分析，结合相关实验对燃烧工况和压力进行研究。重点分析了燃烧器扩压段对燃烧工况的影响，所得结论如下：
理论分析、数值分析、实验分析三种手段分析结果基本吻合，特别是数值仿真直观反映燃烧器内速度场、压力场的分布，同时，通过实验实测燃烧器内压力及火焰状况来验证其结果，加深了对燃烧器的理解。
扩压段末端压力随喷嘴前压力呈线性变化，大气式燃烧器具有自调节引射能力，即引射空气量随燃气量增加而增加，并保持一定比例。
扩压段对燃烧器内部流场及燃烧工况影响较大，扩压段容积越大，其内的压力较高，混合气流速较慢，头部内压力分布更均匀，火焰更直，但引射一次空气能力较差。
参考文献：
[1]姜正候、郭文博.燃气燃烧与运用.北京：中国建筑工业出版社，2000
[2]夏昭知.燃气热水器.重庆：重庆大学出版社，2002
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