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大气式生物质燃烧机引射器的CFD研究
1 概述
利用计算流体力学(Computational FluidDynamics，简称CFD)进行燃气生物质燃烧机模拟设计，充分利用现代计算机技术，达到降低燃气生物质燃烧机设计成本和研制费用的目的，已经成为当今国际生物质燃烧炉设计界的。种潮流。作为该领域研究的第一步，选择形式朴1对简单的大气式生物质燃烧机的引射器作为研究目标，验证生物质燃烧机CFD模拟研究的可行性，积累经验，从而为进一步对大型生物质燃烧机CFD模拟研究打下必要的理论和实践基础。
大气式生物质燃烧机是应用最广泛的燃气生物质燃烧机，由于其燃烧所需的一次空气是靠燃气的高速流动吸入，且生物质燃烧机引射空气的能力只与生物质燃烧机的结构有关，而与生物质燃烧机的工作状况无关，即空气引射系数不随热负荷的变化而变化，因此大气式生物质燃烧机一旦理设计，就具有燃烧空气自动调节、燃烧完全、燃烧效率高、烟气中污染物排放量佤等优点。
引射器是大气式生物质燃烧机的关键部件之一，其作用是引射一定量的空气，使空气与燃气混合均匀，并为生物质燃烧机头部提供一定的静压。传统的引射器是由吸气渐缩管、混合管和渐扩管组成，长度大、结构复杂；现代燃气设备结构紧凑，往往要求引射器进行简化设计，有的仅用一段直管代替，无空气调节装置。但由于目前缺乏设计理论指导，主要依靠经验、半经验来设计生物质燃烧机，既费时、成本又高。利用计算流体力学软件，对一般引射器的内部流场进行模拟分析，可以为初步设计的生物质燃烧机提供各项技术参数，从而指导生物质燃烧机进行进一步改进，最终达到理想的结构设计，人人减少生物质燃烧机I7|，J研制试成本。
FLUENT是目前国际J．．【匕较流行的商川CFD软件包，它具有丰富的物理模型、先进f|，J数他处J:lll方法及强大的前后处理功能，住航伞航人、，i，|i计、石油天然气、涡轮机设计等万Ⅲ部仃竹J、泛的应用。本研究拟通过FLUENT刈人‘C』弋生物质燃烧机的，jl射器进行模拟研究，计算相应的速J芟场、浓度场、压力场等参数，分析引射器的空气Cl射能力和。I射器出口的燃气空气混合均匀性。
2 流体力学模型及数值模拟计算
2.1 数值模拟的一般步骤
a)建立所研究问题昀物蝉！模蜊，I}f将1啪II象成数学、力学模型；
b)建立整个几何形体及j￡伞M影响K域、即汁算区域的CAD模型，将几何体I’I门外衷Im利骼个计算区域进行空间网格划分；
c)加入求解所需的初始条什，例如入【I oj…L】处的边界条件（一般为速度、『_}i／『j条什），竹分析的问题考虑了紊流则还要给…紊流动能搜十E敞牢l'I<J出入口边界条件：
d)选择适当的算法，设定』{体的控制求解过科和计算精度要求；
e)对所需分析的问题进行求解，绌粜以数据丈件保存；
D选择合适的后处理器读取计钟：结果史什，将其以图形化格式反映jm来。
2.2流体力学模型
对于引射器来讲，可以认为是一个无物理化学反应和热传导的稳态流动问题，其引射空气能力主要取决于紊流状态下的质量和动量交换，因此可以建立以下紊流时均流体力学模型。
4，项是必要的，它能保证3个法向应力的总和等于2倍紊流动能觚在此定义为吉巧丐）。比例因子∥，是紊流粘性系数，它与分子粘性系数相反，不是流体特性，而是强烈地依赖紊流状态。从流场的一个点到另一个点，从一种流动到另一种流动，它都可能有显著的变化。雷诺应力分量的耗散与单位质量的流体脉动动能耗散率F有关，而e在紊流模式中是一个极为重要的参数。为确定这一参数，在高雷诺数流动中，局部各向同性占优势，耗散率e等于分子运动粘性系数乘以脉动强度(8u，／8x，F。
本研究计算选用B e双方程紊流模型使均流方程封闭，K-e双方程的表达式为：
3大气式生物质燃烧机的数值模拟计算由于一般商业CFD软件已经把被证明成功的《上海煤气》2003年第2期 -15-算法捆绑在其．中，因此运用CFD软件进行模拟计算，实际上就是如何准确、合理使用CFD软件的问题。
模拟计算具体分为以下的工作。
3.1 对引射器进行CAD建模，合理划分计算网格
网格的稀疏及网格单元的形状将会对以后的计算产生很大的影响。不同的算法格式为保证计算的稳定性和计算效率，一般对网格的要求也不同。
在进行引射器的网格划分中，由于一般喷嘴直径较小，因此宜采用非均匀网格，即喷嘴处的网格应细密，而引射器其余部分可略为粗大。否则，要么计算量特别巨大，要么由于刚格太半I1、计算无法收敛。
此外，由于引射器通常是埘称的，为J’减少汁算量，也可以只对1／4的对称体积进行建模。
建模和网格划分可以运用GAMBIT软件进j J：。
3.2设定计算的边界条件
为了进行准确计算，需加入几们肇帕i的边界条件。对引射器来讲，可以把燃气喷嘴设为J{i力入LJ，空气入口设为压力入口，压力设为零压：I护j J射器出口，则设为压力出口，压力设为生物质燃烧机头部所需的静压。各种燃气大气式生物质燃烧机头部静胝见表l。
需要指出的是，如果只对1/4的对称体积进行建模，还应设好两个对称平面作为边界条件。
3.3 计箅及后处理。
建模及计算网格生成后，就可用FLUENT软件读入。由于CFD软件为通用软件，因此必须对计算进行必要的设置。
首先是紊流模型的设置，引射器模拟计算一般设为标准尽e双方程紊流模型。
其次是流体设置，设为甲烷一空气混合物。对于其它非天然气生物质燃烧机，可以通过改变甲烷的物性参数来实现，即以甲烷来代表燃气。
设定运行工况，即设定大气压力的数值，以及参考压力点的位置。
设定边界条件，燃气入口的物质组分为甲烷1，压力为燃气使用压力，而空气入口的氧气组分设为0.21。引射器出口的压力设为头部所需静压。
最后，进行计算初始化，给m计算的起j!．i，娃然，对引射器来讲，它就是燃气入口。现存就可以进行迭代计算了。
4计算实例
本文把直管引射器作为例子，演示突破传统燃气参考书上引射器只能选择I型、II型和III型的模式。简化引射器采用D20 mm的管，，K度为100mm，燃气喷嘴直径为2 mm，几何结构见图1，计算网格图见图2。
边界条件设定时，把燃气喷嘴入口压力定为2000 Pa，空气入口压力为0 Pa，而引射器出口压力为1.5 Pa。模拟计算后得到的压力、速度和浓度分布图见图3、图4和图5。
经过计算，喷嘴的燃气质量流量为1.517 748×l04 kg/s，空气的质量流量为2.942 725×10-3kg/s，因此该引射器的最大引射系数为19.4。从浓度分布图可以看出，甲烷浓度在出口断面大约在4%。l4%之间，基本达到了均匀。
如果在设计中对引射器引射能力以及引射器出口断面的燃气浓度分布不满意，可以通过调整引射器结构，再次进行模拟计算，直至得到满意的结果。
5结论
建立生物质燃烧机的流体动力学模型，并用CFD软件对整个生物质燃烧机的流场进行了三维稳态流动数值模拟，可以获得大型的流体状态参数，从而对生物质燃烧炉的工作状态有一个全面的了解。由于CFD软件可以很容易实现变结构的流动计算，并钝提供详细的流体状态信息，因此具有传统试验研究无法比拟的优点。

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