经典引射器与双射流引射器的数值模拟对比研究

宁波方太厨具有限公司 刘晓刚

经典引射器与双射流引射器的数值模拟对比研究

宁波方太厨具有限公司 刘晓刚

通过数值模拟方法，对经典单喷嘴圆形引射器和双喷嘴异型引射器的大气式燃烧器进行了研究与对比，研究结果发现双喷嘴异型引射器的一次空气引射能力明显高于单喷嘴圆形引射器，这不仅有利于提高大气式燃烧器的燃烧热效率，使其燃烧更加充分，同时也降低了烟气量的排放。

单喷嘴圆形引射器 双喷嘴异型引射器 引射系数 数值模拟

0 概述

低压引射式大气燃烧器是应用最广泛的燃烧器，由于其燃烧所需空气是靠燃气的高速射流吸入，不需要动力设备，且燃烧器引射空气的能力在一定范围内仅与燃烧器的结构及喷嘴有关，而与燃烧器的工作状态无关，即空气引射系数不随负荷的变化而变化。引射器是大气式燃烧器引射一次空气的关键部件，它是利用射流的紊动扩散作用使不同压力的两股流体相互混合，并引发能量交换的流体机械和混合的反应设备，该部件的引射能力直接影响燃烧器的燃烧效率、烟气中污染物排放量等问题，因此成为大气式燃烧器研究的主要部件之一。

方媛媛等从实验和数值模拟两个角度对某引射器进行了研究与对比，结果表明通过实验和数值模拟方法得到的一次空气引射系数具有较好的一致性。张喜来等应用计算流体动力学Computational Fluid Dynamic(CFD)，模拟了煤气引射器的内部流场及引射系数情况，同时也通过实验方法对其进行了测试，结果表明实验与CFD模拟计算结果吻合得很好。为提高引射器的引射能力，游超林等提出多射流交叉撞击引射概念，其引射器的主要特征是1根引射管对应2个或者3个轴线相交的喷嘴，即1根圆形引射管内含有几股交叉撞击的燃气气流，研究结果发现多喷嘴引射器对提升其引射能力的效果明显。

本文采用CFD模拟计算方法，对经典单喷嘴圆形引射器和双喷嘴异型引射器进行对比研究，分析两种引射器内的气流情况，为高效大气式燃烧器的设计提供一定的指导意义。

1 经典燃烧器引射系统设计与数值模拟

参阅《燃气燃烧与应用》中经典大气式燃烧器设计介绍，设计一个家用燃烧器模型，设计要求：头部直径112 mm，主副双通道，设计负荷4.1 kW，效率大于60%，烟气小于450×10-6，天然气和液化气通用，执行标准参照《家用燃气灶具》(GB 16410—2007)和《家用燃气燃烧器具结构通则》(CJ 131—2001)。

1.1 引射系统模型建立

常用的家用燃烧器气源通常为天然气和液化石油气，依据经验，能够满足20Y液化石油气引射要求的引射器基本都可以满足天然气的引射要求，因此以20Y液化石油气为标准进行引射器结构设计。标准20Y液化石油气的成分为C3H8和C4H10，其体积比为3∶1，气体中无H2、CO、H2S、O2。

引射器的引射能力一般采用一次空气系数和质量引射系数来描述。通过对空气与燃气的混合气体中各气体组分的比例来确定一次空气系数，并计算出质量引射系数，一次空气引射系数和质量引射系数越大，引射能力越强。

一次空气引射系数为实际氧气量与理论氧气需求量之比，根据燃烧的反应公式：

即1体积C3H8的完全燃烧需要5体积的O2，1体积C4H10的完全燃烧需要6.5体积的O2，则一次空气系数可表达为：

式中：x——扩压管出口处氧气的体积分数，%；

n——扩压管出口处丙烷的体积分数，%；

m——扩压管出口处丁烷的体积分数，%。

质量引射系数可以表达为：

式中：u——质量引射系数；

ma——被引射的气体质量，kg；

mg——引射气体质量，kg。

当燃气组成已知，通过理论计算可得到20Y液化石油气理论所需空气量。可按下式计算燃气燃烧所需的理论空气量：

式中：V0——所需理论空气量，m3/m3；

H2、CO、CmHn、H2S——燃气中各可燃组分的体积量，m3/m3；

O2——燃气中氧气的体积量，m3/m3。

则20Y液化石油气所需的理论空气量：

根据20Y液化石油气的设计原则，选择2型引射器设计，这种引射器可以节约空间和成本，市场上也最为常见。为提高燃烧器效率，内环负荷占25%，外环负荷占75%。参照《燃气燃烧与应用》中引射器的设计，通过选型设计与计算得到主通道喉部直径为14.5 mm，副通道喉部直径为7.5 mm，主通道喷嘴直径为0.96 mm，副通道喷嘴直径为0.55 mm，建立的2型主引射器结构如图1、图2所示。副引射管对应的负荷小，一般都能满足引射要求，因此以主引射管为例进行分析讨论。

图1 主引射管及喷嘴结构

图2 主引射管及喷嘴结构模型

1.2 网格划分及边界条件设置

1.2.1 网格划分

该研究中利用ICEM CFD软件对引射器模型进行网格划分，由于模型为非规则结构，喷嘴为主要研究区域，且该区域尺寸较小，所需的网格尺寸较小，模型整体结构采用四面体网格，对喷嘴区域进行了加密处理，如图3所示。

图3 网格划分示意

1.2.2 边界条件设置

该模拟以喷嘴和喷嘴侧边一次空气引射孔外围为入口边界，扩压管末端为出口边界。

(1)喷嘴入口边界条件：根据国标规定，液化石油气为气源的燃烧器灶前压力为2 800 Pa，因此以2 800 Pa作为喷嘴的压力入口边界条件。

(2)空气入口边界条件：一次空气由喷嘴燃气引射进入引射管与燃气混合，空气温度27℃，以速度为入口边界条件，入口速度为0.05 m/s。

(3)出口边界条件：燃气与空气在引射管内混合，以一定速度进入燃烧器，以扩压管末端为压力出口边界，出口压力为0 Pa。

(4)流道壁边界条件：流道壁均设为墙体(wall)，为绝热边界。

2.3 求解器设置

该模拟采用稳态计算的方法，湍流模型采用了标准k-ε模型，压力项与速度项的耦合采用SIMPLE算法，压力差分格式采用PRESTO！，控制方程离散格式为二阶迎风差分格式，压力松弛因子为0.3，动量松弛因子为0.7，湍流动能松弛因子为0.8，其他松弛因子均设置为1。

2.4 模拟结果分析

结合图4和图5可以看出，燃气以一定速度由喷嘴喷出，进入吸入管段，并利用其自身高速动能从周围环境吸入一定量空气，速度迅速降低，喉部处速度存在一定波动，经过喉部后，在扩压管内燃气与一次空气进行能量和动量的交换，燃气速度逐渐减弱，充分混合后以一定的稳定速度流出扩压管。

结合图6和图7可以看出，燃气以较大压力从喷嘴喷出，压力迅速降低至接近扩压管出口压力，经过喉部压力降至最低并随着扩压管逐渐增加至出口0 Pa压力。

图4 主引射管水平截面速度分布

图5 引射管中心轴速度分布

图6 主引射管水平截面压力分布

图7 引射管中心轴压力分布

图8 为氧气质量分数分布示意图，高速燃气引射周围环境中的一次空气，引射管内氧气质量分数迅速增加，接近20%，且体积分数趋于稳定。

图8 主引射管水平截面氧气质量分数分布

为计算该引射器的一次空气引射系数和质量引射系数，需知道混合后的燃气和空气混合气的各气体组分比例，模拟计算得到的各气体组分比例如表1所示。

表1 各气体组分比例

由式1计算得到α=0.73，即经典单喷嘴圆形引射器的一次空气引射系数为0.73；由式2计算得到质量引射系数u=11.3。

2 双喷嘴异型引射管设计与数值模拟

2.1 模型建立

考虑可加工性和经济性，采用平行双喷嘴的异形引射器结构，在相同的火孔强度、引射管长度、喉口面积、火孔深度条件下，燃烧器总负荷不变，按照圆形引射管的结构来构建模型，所得模型的双喷嘴直径为0.68 mm，引射管对应直径为11.5 mm，间距为8 mm，吼口直径15 mm、出口直径21 mm；引射管的喉口为8字型，面积基本不变，出口直径为21 mm，总长度缩短为87.5 mm。双喷嘴异形引射器结构模型如图9、图10所示。

图9 异型引射器结构

图10 异型引射器结构模型

2.2 CFD数值模拟

双喷嘴异形引射器模型的网格划分、边界条件和求解器设置均与单喷嘴圆形引射器相同。

由图11和图12可以看出，两股燃气气流高速喷出，速度迅速降低，中心线距离约0.04 m处，两股气流相交，此时，中心线速度达到最大值，并逐渐减小。相比单喷嘴圆管引射器，异形引射器内部气流速度变化更均匀，气流波动更微弱。

图11 异形引射管水平截面速度分布

图12 异形引射管中心轴速度分布

由图13和14可看出，异形引射器压力变化在10 Pa范围内，压力波动很小，喉部压力稍有降低，后均匀增至出口压力。

图13 异形引射管水平截面压力分布

图14 异形引射管中心轴压力分布

由图15可以看出异形引射器内燃气和空气混合更加充分、均匀，有利于燃气充分燃烧。

图15 异型引射管氧气质量分数分布

模拟计算得到混合后的燃气和空气的各气体组分比例如表2所示。

表2 统计器主引射管出口的摩尔浓度

由式3和式4结合表2数据计算得到异形引射器的一次空气系数高达0.93，质量引射15.4。相比于单喷嘴圆形引射器，双喷嘴异形引射器一次空气系数高了0.2，质量引射系数提高了36%，增加明显，因此双喷嘴引射器具有很强的引射能力，极大地提高了一次空气量，有利于燃气的充分燃烧，减少其过剩空气的依赖。

3 结语

本文通过对经典单喷嘴圆形引射器与双喷嘴异形引射器进行设计与数值模拟，对比了两种引射器的内部气流状况、一次空气引射系数及质量引射系数等，得到以下结论：

(1)相比于单喷嘴圆形引射器，双喷嘴异形引射器内部气流变化更加稳定，速度变化更均匀，且其内部压力变化很小，在10 Pa范围以内，压力波动小，同时异形引射器内燃气与空气的混合更加充分、均匀，有利于燃气的充分燃烧。

(2)相比于单喷嘴圆形引射器的一次空气引射系数和质量引射系数，双喷嘴异形引射器发现的一次空气系数为0.93，比前者大0.2，引射能力极强，且其质量引射系数比单喷嘴约高了36%，增加效果明显，因此双喷嘴引射器具有很强的引射能力，极大地提高了一次空气量，有利于燃气的充分燃烧，减少其过剩空气的依赖，降低了烟气污染物的排放，是一种值得研究与推广的引射器设计形式。

Numerical Simulation Comparative Study of Classical Ejector and Dual-jet Ejector

Ningbo Fotile Kitchenware Co., Ltd. Liu Xiaogang

By using numerical simulation methods, atmospheric burners of the classic single-nozzle round ejector and the double-nozzle shaped ejector have been studied. The results shows that the double-nozzle shaped ejector is significantly higher than the single-nozzle round ejector in terms of the injecting capacity of the primary air, which is not only helps to improve combustion efficiency of the atmospheric burners and makes burning more fully, but also reduces the amount of flue gas emissions.

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