燃烧器流场分布影响换热效果的数值模拟研究

・１４・　第３４卷第２８期　２　０　０　８年１　０月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥ（　Ｈ『ＲＥ　ＶｏＩ＿３４　Ｎｏ．２８　Ｏｃｔ．２０ｏ８　文章编号：１００９—６８２５（２００８）２８—００１４—０３　燃烧器流场分布影响换热效果的数值模拟研究　司洪宇　梅　宁　赵洪明　摘要：通过ＦＬＵＥＮＴ软件对ＹＪ—Ｑ系列燃烧器冷态流场进行了数值模拟，结合试验分析数值结果显示，烟气经过的流　道越长，换热效果越好，并指出一次燃烧室的缩口对持续燃烧有很重要的作用。　关键词：ＹＪ—Ｑ燃烧器，冷态，换热功率　中图分类号：０５５２　文献标识码：Ａ　０　引言　数值模拟具有较大的优越性，它耗时少、时间短、便于优化，　２．１建立几何模型　建立几何模型时直接采用ＦＬＵＥＮＴ自带的ＧＡＭＢＩＴ画图　它是通过基本的几何模型，如正方体，圆柱，球体等，经过布　同时易于控制，有很好的重复性，可以重复模拟。所以在飞行器　软件，　流场计算，核工业设备的设计和优化，汽轮机、压缩机和风机的设　尔运算来形成最终的几何模型的。２划分网格　计及流场计算中，天气预报、海浪预报等，都广泛应用数值模拟技　２．采用数值方法求解控制方程时，都是想办法将控制方程在空　术ｌ１－３］。文中结合一个ＹＪ—Ｑ系列液体燃烧器实例，用数值模拟来　然后求解得到的离散方程组。要想在空问区　揭示换热肋片内部的流动情况，在特定条件下分析流动图像和变　间区域上进行离散，必须使用网格。　化趋势，从而达到优化设计及改善换热效果，提高燃烧器性能和　域上离散控制方程，效率的目的。　１．４６ｅ　１燃烧器物理模型　ＹＪ～Ｑ系列液体燃烧器是通过热交换原理将燃料燃烧放出的　热量传递至加热循环系统内的换热介质。其结构及工作原理见　图１。　１．３％　１．３２ｅ　１．２４ｅ　１．１７ｅ　１　１０ｅ　１．０３ｅ　９．５２ｅ　：兮：兮：兮：兮：兮　８．７％　８．０５ｅ　７．３２ｅ　６．５９ｅ　５．８６ｅ　５．１３ｅ　４按　３．６６ｅ　２．９３ｅ　２．２０ｅ　１．４６ｅ　７．３２ｅ　０　Ｏ０ｅ　誓礴瓣　鬻嚣　蟹霹爨。尊｛　。麟　骚　埙　艋　４４４４３３３３２２２２１１１ｌ９衅衅衅衅衅衅衅衅　衅衅衅∞∞　毗ｍ毗吡毗毗毗叭叭毗叭叭毗叭叭ｍ∞Ｘ　ｙ　Ｚ　图２　燃烧室内流场分布图　图１　Ｙ．Ｉ－Ｏ系列液体燃烧器工作原理图　电机的转动带动助燃风机（１２）和雾化器（２０）转动。燃油　泵（１６）吸入的燃油经（１９）送入雾化器雾化，雾化后的燃料与　助燃风机送入燃烧室的空气在主燃室（８）内混合，并被炽热的电　热塞点燃。混合气经燃烧室缩口（７）与二次燃烧室（６）充分燃烧　后折返，在经过水套内壁及热肋（５）时将热量传给水套体内的换　热介质。换热介质在水泵的作用下，在整个管路中进行循环，将　Ｘｙ　图３　燃烧室内流场矢量图　热量输送至所需要的位置。燃烧废气从排烟口（２１）排出。　目前各种ＣＦＤ软件都配有专用的网格生成工具，本燃烧器　本文主要是通过数值模拟软件ＦＬＵＥＮＴ对燃烧器气体流动　采用ＦＬＵＥＮＴ的前处理软件ＧＡＭＢＩＴ划分网格。各部分分开　部分的流场分布进行分析，并通过调节二次燃烧室（６）和热肋（５）　画网格，由于结构复杂，均采用适应性强的四面体非结构网格。　的相对位置，模拟出相应流场和原型机流场进行比较，从而得出　网格间距为２　ｍｍ，整个模型共生成约１３０万四面体网格。经过　对改善换热效果有利的流场分布，为燃烧器性能的改善提供有效　ＦＬＵＥＮＴ精确性分析，网格数满足计算精度的需要。　的参考意见。　３选择湍流模型　２燃烧器的几何模型　收稿日期：２００８—０４—２３　作者简介：司洪宇（１９８０一），男，中国海洋大学硕士研究生，山东青岛梅宁（１９６１一），男，教授，中国海洋大学，山东青岛赵洪明（１９７９一），男，中国海洋大学硕士研究生，山东青岛３．１　为燃烧器选择标准　～Ｐ湍流模型　２６６１００　２６６１００　２６６１００　维普资讯 http://www.cqvip.com

２ｌｏ８背　司洪宇等：燃烧器流场分布影响换热效果的数值模拟研究　３３２２２２２２｛｝９８６４３ｌ０　・　１５・　３３２２２２２２１１１１１＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋十‰　住毒∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞￡ｊ￡ｊ￡ｊ￡｝￡ｊ￡ｊ∞　量守恒方程，能量守恒方程，组分质量守恒方程）和湍流控制方　４．∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞２二次燃烧室相对热肋偏转对燃烧器功率的影响　旋流强度减弱。　湍流模型的控制方程包括基本控制方程（质量守恒方程，动　烧室进入二次燃烧室后，执　％　焉ｌ　程。基于物理模型的复杂性，为燃烧器选择目前使用最广泛的标　准是一Ｐ两方程湍流模型。标准是一Ｐ湍流模型是在基础湍流方　程基础上引入另外两个控制参数：湍动能ｋ、湍动能耗散率ｅ。　在几何模型中将二次燃烧室相对水套分别向＋ｙ，一ｙ，　＋ｘ，一ｘ方向偏转，经过数值模拟后的流场分布如图４～图７所　示。由图可见，二次燃烧室在不同方向偏转时，流出二次燃烧室　后的热烟气偏向也不同。　３．２为燃烧器定义边界条件　’　根据燃烧器设计流量，入口采用速度入口（ｖｅｌｏｃｉｔｙ－ｉｎｌｅｔ），入　口速度９．８４　ｍ／ｓ，出口采用自由出口（ｏｕｔｌｆｏｗ），其余采用壁面边　界条件（ｗａｌ１）。　３．２４ｅ＋０３　３．０８ｅ＋０３　２　９２ｅ＋０３　２．７５ｅ＋０３　２．５９ｅ＋０３　２．４３ｅ十０３　２　２７ｅ＋０３　２．１ｌｅ＋０３　１　９４ｅ＋０３　１．７８ｅ＋０３　１．６２ｅ＋０３　１．４６ｅ十０３　１　３０ｅ＋０３　１　１３ｅ＋０３　９．７２ｅ＋０２　８．１Ｏｅ＋０２　６．４８ｅ十０２　４．８６ｅ＋０２　图７二次燃烧室一ｙ偏　０．ＯＯｅ十００　毪：躔　ｚ厂ｘ　Ｙ　３３２２２２２２１１１１１１９８６４３１０　表１是燃烧器在燃烧室内不同方向偏转时的试验测试热功　率，在２０台样机中随机抽取５号，１０号，１８号样机，对其在二次　燃烧室无偏转，上偏转（＋ｙ），下偏转（一ｙ），左偏转（一ｘ），右偏　油量的热当量功率下，在１５组结果中，二次燃烧室在不同向偏转　时功率从大到小排序为（＋ｙ，一ｘ，＋ｘ，一ｙ），也就是上偏转和　左偏转时热功率较大。　表１　试验测试燃烧器在二次燃烧室不同向偏转时的热功率　样机　测度名称　０　＋ｙ　—ｙ　＋Ｘ　—Ｘ　图４二次燃烧室＋ｙ偏　＋十＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋十＋＋＋＋＋十＋＋　殃钕　住毒ｉ　钕‰　从测试结果看，在３．１　ｌ【ｇ／ｈ燃　∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞￡｝￡｝￡｝￡｝￡ｊ￡｝∞　转（＋ｘ）时的功率分别进行测试，５号　ｚ油量／ｋｇ・ｈ一　热功率／ｋｗ　３．１８　２４．３　３．１８　２５　３．２２　２４　１　３．２２　３．１９　２４．６　２４．６７　ｒｘ　１０号　３．１　ｋｇ／ｈ当量热功率　２３．６９　（２４．３７）　（２３．２０）　（２３．６８）　（２３．９７）　油量／ｋｇ・ｈ一　３．１２　３．１１　３．１２　３．１３　３．１１　热功率／ｋｗ　２３．８１　２３．８６　２３．７３　２３．７３　２３．９１　３．１　ｋｇ／ｈ当量热功率　２３．６６　（２３．７８）　（２３．５８）　（２３．６５）　（２３．６８）　油量／ｋｇ・ｈ一　热功率／ｋＷ　３．２　３．１５　３．１４　３．１３　３．１５　２３．４３　２４．５　２３．３７　２３．８２　２３．６　ｙ　图５二次燃烧室一ｘ偏　１８号　３．１　ｋｇ／ｈ当量热功率　２２．７０　（２４．１１）　（２３．０７）　（２３．５９）　（２３．２３）　分析ＦＬＵＥＮＴ模拟结果中相应的流场分布发现，上偏转和　左偏转时，流场分布在二次燃烧室出口的周围很均匀，而下偏转　和右偏转时，流线有一大部分在二次燃烧室出口下侧（一ｙ），即　距烟气出口最近的一侧直接流出，这和上侧（＋ｙ）流出的流线长　度相比大大缩短，换热效果下降，而上偏转和左偏转恰恰相反。　Ｚ　／－－－ｘ　ｙ　因此可知，在烟气流动换热过程中，流过的流道越长，换热时间越　长，换热效果越好，燃烧器功率越高。　５结语　图６二次燃烧室＋Ｘ偏　经过对数值模拟结果的分析与总结，燃烧器内部冷态流场对　４模拟结果和分析　４．１数值模拟结果和试验结果的直观比较　其换热和燃烧性能有很重要的影响作用。一次燃烧室的缩口使　得一部分热烟气回流，此回流区保证了连续点火和稳定燃烧；雾　图２，图３是燃烧室内部流动的数值模拟效果图，由图可见，　化器周边进入的空气和由格栅后侧和周边狭缝进入的空气相互　　在燃烧室内，流场旋流效果明显（见图２），流体在燃烧室内旋转着　扰流，增大了湍流强度，从而加强了油气掺混，提高了燃烧强度；换热时间越长，换热效　流向缩口，在缩口前由于缩口截面变小，流线相互干扰后有一小　在烟气流动换热过程中，流过的流道越长，　部分回流回燃烧室（见图３），此回流区有助于燃烧室内燃料的连　果越好，燃烧器功率越高。　续点火和稳定燃烧；由雾化器进入的空气和油雾，雾化器周边进　参考文献：　入的空气和由格栅后侧和周边狭缝进入的空气相互扰流，增大了　［１］吴子牛．计算流体力学基本原理［Ｍ］．北京：科学出版社，湍流强度，从而加强了油气掺混，提高了燃烧强度；气流从一次燃　２００１：４—５．　维普资讯 http://www.cqvip.com

・１６・　第３４卷第２８期　２　０　０　８年１　０月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣｒＵＲｌ　Ｖｏ１．３４　Ｎｏ．２８　Ｏｃｔ．　２００８　文章编号：１００９．６８２５（２００８｝２８　００１６．０２　民办高校高职高专建筑力学课程建设＊　胡国辉摘朱街禄　要：通过民办高校高职高专《建筑力学》课程的提出，分析了该课题的概念界定及研究意义，阐述了该课题的研究目　标、主要研究内容及研究方法，论述了研究该课题具备的基础条件，最后总结了该课题的研究进度与具体措施。　关键词：民办高校，职业教育，建筑力学，课程建设　中图分类号：ＴＵ　０５　文献标识码：Ａ　１　课题的提出、概念界定与研究的意义　１．１本课题的提出　改革开放以来，民办高校在全国各地如雨后春笋般的发展起　发展。３）建筑力学。《建筑力学》是建筑工程系的重要专业基础　课，在建筑工程系的课程设置中占据着极为重要的地位　其教学内　容涵盖了理论力学、材料力学、结构力学三部分。学生通过本课程　的学习，应能系统地掌握静力学基础知识；杆件的拉伸、压缩、扭　来。民办高校已经成为我国高等教育的一个重要组成部分。随　着民办高校的迅猛发展，高职高专类的职业教育也越来越引起了　人们的重视和注意。我国高等职业技术教育的人才培养目标是：　培养能适应生产、建设、服务、管理等第一线需要的德、智、体、美　转、弯曲；杆系结构强度、刚度计算的基本理论和基本方法，并为从　事中小型土建工程的结构设计和施工提供必要的理论知识和方　法。４）课程建设。课程建设与课程改革是高等学校一项重要的　全面发展的高技能应用型专门人才…。《建筑力学》是高职高专　土木系列中的一门重要专业基础课，但当前该课程的教学存在以　下特点：１）教材品种、类型不够齐全；２）教材内容陈旧；３）课堂教　基础工作，对于建立学生合理的知识与能力结构，优化学生的综　合素质，提高教育质量及促进师资队伍建设，有着重要的意义。　１．３本课题研究的重要意义　１）有助于提高学生学习该课程的学习兴趣，提高教学效果；　２）有助于提高我系师资质量；３）有助于认识和把握民办高校高职　学和实践脱节；４）教学手段单一、落后等。学生普遍反映该课程　难学，甚至有不少学生对该课程出现了厌学的情绪。因此，无论　４）有助于提高民办高校高职高　从提高高职高专建工类专业人才培养质量的要求来看，还是从丰　高专建工类专业的人才培养规律；　富和升华教师教育理论的需要来看，都有必要开展本课题的研　专建工类专业的人才培养质量。究。我院是全国规模最大的民办高校，有着丰富的职业教育经验　２本课题研究的初步设想　和实训条件，目前在系学生３　５００多人，师资和设备条件在全国职　２．１课题的研究目标　业高校中具有明显的优势，所以我们提出了本课题研究。　１）以科研促进教学、以教学提升科研，实现教学和科研的良　性循环，通过科研促进教师教学水平和科研素质的提高，打造出　一１．２本课题的概念界定　１）民办高校。民办高校指企业事业组织、社会团体及其他社　批高水平的教师团队；２）着重培养学生的学习能力、创新能力、　为后续专业课程的学习打下基础；３）通过本课题，将反　会组织和公民个人利用非国家财政性教育经费，面向社会举办高　动手能力，４）初步　等学校及其他教育机构的活动。２）高职教育。职业教育是指使　映近代科技成果的新内容引入到高职高专类教学内容中；受教育者获得某种职业或生产劳动所需要的职业知识、技能和职　形成高职高专类建筑力学教学大纲、教学进度、多媒体电子教案　　业道德的教育，着重于培养学生的学习能力、动手能力和创新能　等内容。力。与普通教育和成人教育相比较，职业教育侧重于实践技能和　２．２课题研究的主要内容　实际工作能力的培养。高职教育没有源远流长的历史，随着这几　２．２．１　改革传统的教学内容　年社会对应用型人才需求量的急剧增加，高职教育得到了迅猛的　】…，　】…】…】…】　ｏｌ】　ｏｌ，—Ｏ‘】…】…】…高职高专《建筑力学》课程包括了理论力学、材料力学和结构　】…】…】…】…】…，　，　】…　［２］　匡江红，何法江．旋流燃烧锅炉内流场的数值研究［Ｊ］．上海　［４］刘　霞，葛新锋、ＦＩ　厄ＮＴ软件及其在我国的应用［Ｊ］．能源　工程技术大学学报，２００６（３）：１９３—１９７．　［３］张鹏，俞研究与应用，２００３（２）：３６—３８．　荭．建筑工程中的计算流体力学［Ｊ］．山西建筑，２００７，　刚．超燃燃烧室一维流场分析模型的研究［Ｊ］．　［５］董流体力学试验与测量，２００３（１）：４５—４６．　３３（１４）：３６２—３６３．　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｃｏｍｂｕｓｔｏｒ’Ｓ　ｃｏｌｄ　ｆｌ０Ｗ　ｆｉｅｌｄ　ｉｍｐａｃｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ＳＩ　Ｈｏｎｇ－ｙｕ　ＭＥＩ　Ｎｉｎｇ　ＺＨＡＯ　ｌ－ｌｏｎｇ－ｍｉｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＦＬＩ难ＮＴ，ｔｈｅ　ｃｏｌｄ　ｌｆｏｗ　ｆｉｅｌｄ　ｉｎ　ＹＪ—Ｑ　ｃｏｍｂｕｓｔｏｒ　ｉｓ　ｓｉｍＮａｔｅｄ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｎｕ—　ｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｌｏｎｇｅｒ　ｔｈｅ　ｆｌｕｅ　ｇａｓ　ｆｌｏｗ　ｔｈｒｏｕｇｈ．ｔｈｅ　ｂｅｔｔｅｒ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｉｓ，ｔｈｅ　ｎｅｃｋ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｍｂｕｓｔｏｒ’ｓ　ｃｈａｌＴｌ—　ｂｅｒ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｔｏ　ｓｕｓｔａｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＹＪ—Ｑ　ｃｏｍｂｕｓｔｏｒ，ｃｏｌｄ　ｆｌｏｗ，ｐｏｗｅｒ　ｏｆ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｉｇ　ｎ收稿日期：２００８—０４　２４　＊：江西省２００７年省级立项教学研究资助课题（项目编号：Ｊ）（ＪＧ－０７　１９－７）　３３００９８　作者简介：胡国辉（１９８４一），男，助教，江西蓝天学院，江西南昌朱街禄（１９８２一），男，讲师，江西蓝天学院，江西南昌３３００９８