壁挂式家用燃气灶L型引射器性能研究

广州中国科学院工业技术研究院　郑瑞芸　岳　昊

壁挂式家用燃气灶L型引射器性能研究

广州中国科学院工业技术研究院郑瑞芸岳昊

介绍一种新型的壁挂式家用燃气灶及L型引射器。对L型引射器进行实验测试及数值仿真，结果表明同等条件下，L型引射器引射的空气量小于常规的文丘里管引射器，通过增加L型引射器的空气吸入口面积，可使其引射的空气量满足设计要求；L型引射器出口断面燃气—空气的混合均匀程度优于常规的文丘里管引射器。

壁挂式家用燃气灶L型引射器文丘里管引射器混合均匀程度

目前市面上的燃气灶主要分为台式灶和嵌入式灶。台式灶通风好，燃烧效率相对较高；可移动性强，一般用于低端市场。占据高端市场的嵌入式灶将燃气灶的主体部嵌入橱柜，其优点在于美观时尚、节省空间。但中心火的空气补给困难，燃烧效率相对较低；灶面温度高，保洁性较差。

针对当前燃气灶存在的问题，提出了一种新型的壁挂式家用燃气灶，并获专利授权。将燃气灶的炉头组件与燃气管、控制阀等主体部分开，通过L型引射器进行连接，炉头组件可随L型引射器进行翻转。壁挂式家用燃气灶示意见图1。

图1　壁挂式家用燃气灶示意

1　L型引射器实验测试

常规的引射器由喷嘴及文丘里管组成。市购燃气灶一台，在原引射器文丘里管喉部位置切开，接入一段等径弯管，构成L型引射器，见图2。原引射器为二级引射器，即喷嘴带有径向的空气吸入口A；燃气通过两次引射，分别从空气吸入口A、空气吸入口B吸入空气，混合后流向火孔。

图2　L型引射器

喷嘴的直径为0.9 mm，文丘里管喉部的内径为12 mm；弯管两边长度均为75 mm，90°弯头。为了加大引射的空气量，将L型引射器空气吸入口B全部切开，改造前后的空气吸入口B见图3。

图3　改造前后的空气吸入口B

将改造后的L型引射器接入燃气灶，利用调风板对空气吸入口B进行遮挡来调节一次空气吸入量。点火进行燃烧测试，以火焰稳定并呈蓝色作为判断指标。测试结果见表1。

表1　测试结果

2　数值建模及计算结果分析

分别对原引射器、L型引射器进行建模，工作流体为液化石油气(容积成分1.5%CH4，1.0%C2H6，9.0%C3H6，4.5%C3H8，54%C4H8，30%C4H10)。

2.1模型及网格划分

对流体区域进行建模，坐标原点取燃气入口断面的圆心处。借助CFD前处理软件ICEMCFD，采用四面体进行网格划分。L型引射器的计算网格及坐标见图4。结构上，L型引射器比原引射器增加了中间弯管部分，除空气吸入口B开口面积有区别外，其他条件均相同。

图4　L型引射器的计算网格及坐标

2.2控制方程及湍流模型

由于家用燃气灶采用的是低压引射，工质可视为不可压缩，并假设工质的温度、密度均为常数。引射器内气体流动视为充分发展的定常湍流。控制方程包括连续性方程、N-S方程、组分方程和湍流方程。

对于常规的引射器，游超林等人及倪娟娟等人的计算结果表明，采用标准k-ε双方程湍流模型即可取得满意的计算结果。但对于L型引射器，由于采用了弯曲圆管，离心力在圆管横截面上引起了二次流，使得标准k-ε双方程模型的计算误差太大，因此采用雷诺应力模型(RSM)进行计算。RSM模型的特点是直接构建雷诺应力输运方程，与雷诺平均N-S方程进行联立求解。由于RSM比单方程和双方程模型更加严格地考虑了流线型弯曲、漩涡、旋转和张力快速变化，它对于复杂流动有更高的预测精度，尤其适用于模拟飓风流动、燃烧室高速旋转流、管道中二次流等。

2.3边界条件

燃气入口设为压力入口边界，压力值为2 800 Pa；空气入口设为压力入口边界，压力值为0 Pa。引射器出口设置为压力出口边界，压力值为3 Pa。其他边界均为无滑移壁面边界。

2.4计算结果

2.4.1一次空气系数

本文探讨的引射器均为二级引射器，质量引射系数为两次引射的空气质量流量/燃气的质量流量；一次空气系数为两次引射的空气量/燃气燃烧理论空气需要量。计算得到的质量引射系数及一次空气系数见表2。

表2　计算得到的质量引射系数及一次空气系数

空气吸入口B开口比例均为0.5时，L型引射器的质量引射系数为7.72，小于原引射器。将空气吸入口B开口比例由0.4增加到0.5时，原引射器的一次空气系数由0.64增加至0.97；将空气吸入口B开口比例由0.5增加到1时，L型引射器的一次空气系数由0.53增加至0.67。

大气式燃烧器燃气种类为液化石油气时，《燃气燃烧与应用》给出一次空气系数的常用设计值为0.60～0.65，则对于原引射器，当空气吸入口B开口比例为0.4满足设计要求；而对于L型引射器，空气吸入口B开口比例为1时满足设计要求。

2.4.2燃气—空气混合均匀程度

取空气吸入口B开口比例为1的L型引射器进行分析，y=0断面空气质量分数分布见图5。燃气两次吸入空气混合，在弯头前燃气与空气已基本混合均匀。

图5　L型引射器y=0断面空气质量分数分布

采用引射器出口混合气体中燃气质量分数的不均匀系数来衡量空气与燃气的混合程度，其中燃气质量分数的不均匀系数=燃气质量分数的标准方差/燃气质量分数的平均值。统计引射器出口断面的燃气质量分数，计算得到不均匀系数为0.044%。而原引射器(空气吸入口B开口比例0.4)的出口断面不均匀系数为2.27%。

3　结语

为满足壁挂式家用燃气灶的要求，设计了L型引射器。根据实验测试及数值仿真的结果，初步得出以下结论：

(1)同等条件下，L型引射器引射的空气量小于常规的文丘里管引射器；

(2)加大引射器空气吸入口的面积，可增加引射的空气量；通过增加L型引射器的空气吸入口面积，可使其引射的空气量满足设计要求；

(3)L型引射器出口断面燃气—空气的混合均匀程度优于常规的文丘里管引射器。

Performance Research on L-Type Injector of Wall-Hanging Domestic Gas Range Institute of Industry Technology, GuangZhou & Chinese Academy of Sciences

Zheng RuiyunYue Hao

This paper introduces a new type wall-hanging domestic gas range and its L-type injector. Test and numerical simulation are carried out. Results show that on the same condition, the air injected into the L-type injector is less than the Venturi tube injector, thus the designing requirement of air volume should be met by enlarging the air inlet of the L-type injector. Besides, the gas-air mixing uniformity on the outlet of the L-type injector is better than the normal Venturi tube injector.

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