新型钝体式燃气灶数值模拟研究＊

张振华，虞育杰，袁 刚，谢崇宏，杨 阳

（贵州大学 电气工程学院，贵州 贵阳 550025）

家用燃气灶作为日常生活必需的厨房加热烹饪器具，是消耗燃气的主要产品，然而，目前国内市场上的燃气灶，燃烧热效率只有50%～54%，且烟气中CO等有害气体含量偏高[1]。燃气灶的损失主要包括烟气热损失和燃料未完全燃烧损失，其中，烟气热损失约占燃料燃烧总热量的40%，如果将这部分热量充分利用起来，可以最大限度地提高燃气灶热效率[2]。如果燃气未充分燃烧，在造成浪费的同时也会产生CO等有害气体。

近年来，我国政府逐步加大对环保、节能产品在经济上和政策上的支持，GB 30720—2014《家用燃气灶能效限定值及能效等级》[3]出台后，各大企业纷纷加紧了对环保节能产品的研发，高热效率、低排放的家用燃气灶必将成为市场的主流。钝体燃烧器是一种较早开发的应用烟气热回流的直流燃烧器，在电站锅炉运行中应用广泛[4]。运行情况表明，钝体燃烧器具有明显的稳燃功能，同时，与普通燃烧器相比，钝体燃烧器可以在尾部形成稳定的回流区[5]，回流区的存在可以使燃气与一次空气强烈混合，促进燃烧充分进行，并对尾部烟气具有一定的卷吸作用，减少烟气热损失。

本文在直火型燃气灶火孔处加装小圆锥形钝体，构成新型钝体式燃气灶。采用商用CFD软件fluent分别对燃气流动和燃烧过程进行模拟计算，得到燃气流场、燃烧温度场和CO等组分气体的分布，并与燃气灶原结构数值模拟结果进行对比分析，为新型燃气灶的具体结构设计提供理论支持。

1 新型钝体式燃气灶结构设计

新型钝体式燃气灶结构如图1所示。此次设计是基于“钝体燃烧器尾部回流高温烟气”方法对燃气灶进行节能改造，在直火型燃气灶火孔处加装小圆锥形钝体，这样改造后的燃气灶火孔就近似构成一系列的微型钝体燃烧器。

图1 燃气灶结构

2 数值模拟的前处理

2.1 模型建立

此次研究分别对燃气灶进行冷态和热态过程建模。冷态模型结构包括引射器和燃烧器，热态模型结构包括燃烧器和平底锅。

2.2 网格划分

采用Gambit作为前处理软件对模型进行网格划分。由于模型结构相对复杂，计算结果对网格质量要求比较高，所以，采用非结构化网格。与结构化网格相比，非结构化网格对网格的节点没有结构性的限制，其节点和单元分布是任意的，因此，具有优越的几何灵活性，生成的网格质量比较高，能够合理处理复杂的边界问题，可以进行自适应计算，减少计算量，提高模拟计算精度[6]。网格划分效果如图2、图3所示。进行网格划分时，需要对结构较小部分，比如火孔和天然气入口进行局部加密，正式生成网格之前需对加密部分和与其接触区域设定过渡函数，其中，Growth rate设为1.1.最后，再对整体画体网格，这样可以在保证网格质量的同时减小计算量。网格划分完成后，冷态模型网格数约为2.4×106，热态模型网格数约为2.7×106.

图2 冷态建模网格

图3 热态建模网格

2.3 湍流模型

由于燃气从进口到出口以及随后的燃烧过程压力变化很小，且马赫数小于0.3，所以，为了简化计算，将文中涉及到的流体视为不可压缩流体[7，9]。假设流体在引射器中流动和随后的燃烧过程中为稳态湍流，引射器壁面为无滑移边界条件。计算模型采用标准κ-ε双方程模型能够很好地模拟较复杂的湍流过程，同时，可以占用较少的CPU资源，加快计算进度[8]。在本文数值计算过程中，除了遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒定律外，由于还涉及到组分运输，且流动处于湍流状态，所以，还要遵守组分守恒定律。

2.4 燃烧模型

本文研究的燃烧过程涉及到多种组分气体的化学反应，为了得到快速、可靠的结果，燃烧模型采用通用有限速率模型方法下的涡耗散模型计算[9]。所涉及到的燃烧反应为双步（methane-air-2step），即 2CH4＋3O2＝2CO＋4H2O，2CO＋O2＝2CO2。

图4 整体模型结构

2.5 边界条件设置

图4为模型的整体结构，在冷态模拟中，假定引射器中的流体为纯甲烷，无混合空气。在热态模拟过程中，混合气体CH4的质量分数为0.087，O2的质量分数为0.21，其余为N2，且速度取冷态模拟中计算结果；进口空气中O2质量分数为0.233，其余为N2。具体边界条件设置如表1所示。

表1 冷态和热态模型边界条件设置

3 模拟结果及分析

3.1 冷态模拟

下面进行速度矢量分析。图5、图6分别为无钝体和加钝体模型中某一炉头出火孔（燃气出口）处的速度矢量分布情况。从图中可以看出，无钝体存在时，燃气气流由垂直火孔横截面方向流出，且由于受到壁面阻力的影响，越靠近火孔中心，气流速度越快。其中，燃气灶内外环气流平均速度分别为35.45 m/s、22.09 m/s。有钝体存在时，气流通过火孔出口的流动方向自发性的以火孔中心为原点向四周发散，这种流动方式会促使气流通过钝体时在其尾部形成回流区，强化燃气与周围空气的混合，促进燃烧充分进行[5，10]，同时，还会加大燃气与周围空气的接触面积，促进燃气的燃尽过程。此时，燃气灶内外环气流平均速度为40.89 m/s、29.37 m/s，相比无钝体时出口气流平均速度提升约为24%.

图5 无钝体时燃气灶出火孔速度矢量

图6 加钝体时燃气灶出火孔速度矢量

3.2 热态模拟

3.2.1 温度分布

图7和图8分别为无钝体和有钝体时，燃气灶燃烧时在Y＝5 mm处（出火孔上方）横截面温度分布。从图中可以看出，火焰呈片状，且片状火焰相互连接，这样有利于燃气的燃烧和片状火焰间的热量传递，有利于燃烧反应的进行[7]。无钝体时，横截面平均温度为1 776.36 K；加钝体后，横截面平均温度为1 833.06 K。这表明，钝体尾部回流区的存在可以强化燃烧的进行，同时，回流区的卷吸高温烟气作用可以维持钝体尾部的高温，促进燃烧。

图7 无钝体时燃气灶Y＝5 mm截面温度分布

图8 加钝体时燃气灶Y＝5 mm截面温度分布

图9 无钝体燃气灶X＝333 mm截面CO质量分数分布

图10 加钝体燃气灶X＝333 mm截面CO质量分数分布

3.2.2 CO质量分数分布

图9和图10分别表示无钝体和有钝体的燃气灶，燃气燃烧时X＝333 mm处（热态模型水平正中）横截面的CO质量分数分布情况。从图中可以看出，CO主要集中在靠近锅壁处，这是由于燃烧越靠近锅壁，周围空间中O2的含量越低。CH4在含氧量低的情况下，会与O2反应，生成CO。无钝体时，横截面CO平均质量分数为0.097 6；加钝体后，横截面平均CO质量分数为0.085 1，两者相比，CO质量分数下降了12.8%.这表明，钝体的存在可以加大燃气与周围空气的接触面积，且形成的回流区会促进燃气与周围空气的混合，使得燃烧充分进行，减少CO的生成量。

4 结论

在传统直火型燃气灶出火孔处加装小型钝体，可以使得燃气在火孔出口处以火孔中心为原点向四周发散，并且在钝体尾部形成回流区。在相同的燃气进口条件下，燃气的出口速度提升约24%.加装钝体后，燃气灶内形成的回流区会促进燃气与周围空气的混合，使燃烧充分进行，CO的质量分数减少12.8%.基于钝体燃烧器方法改造传统燃气灶是可行的，可以显著提高燃气灶的燃烧性能。