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计算流体力学软件CFD在燃烧器设计中的应用探讨

[摘要]本文通过对目前燃烧器的现状与技术发展的研究，探讨计算流体力学

软件CFD在燃烧器设计中应用的必要性和可行性，以CFD(计算流体力学)软件

为工具，以普通大气式燃烧器为研究对象，采用实验和理论相结合的方法，充分

利用现代计算机技术，达到降低燃烧器设计成本和研制费用的目的。

[关键词]燃烧器数值模拟计算流体力学

一、燃烧器的发展现状

1.部分预混式燃烧器的产生及其原理

燃烧的方法被分为扩散式燃烧、部分预混式燃烧和完全预混式燃烧。扩

散式燃烧易产生不完全燃烧产物，燃烧温度很低，并未充分利用燃气的能量；而

一旦预先混入一部分空气后火焰就会变的清洁，燃烧温度也可以提高，燃烧较充

分。完全预混燃烧（无焰燃烧）要求事先按照化学当量比将燃气和空气均匀混合

（实际应用中空气系数要大于1），燃烧充分，火焰温度很高，但稳定性较差，

易回火。所以民用燃具多采用部分预混式燃烧。

1855年工程师本生发明了一种燃烧器，能从周围大气中吸入一些空气和

燃气预混，在燃烧时形成不发光的蓝色火焰，这就是实验室常用的本生灯（单火

孔燃烧器）。这种燃烧技术就被称作部分预混式燃烧。

本生灯燃烧所产生的火焰为部分预混层流火焰（俗称本生火焰）。它由内

焰，外焰及燃烧区域外围肉眼看不见的高温区组成。火焰一般呈锥体状。燃气—

空气的混合气体先在内锥燃烧，中间产物及未燃尽的部分便从锥内向外流出，且

混合气体出流的速度与内锥表面火焰向内传播速度相互平衡，此外便形成一个稳

定的焰面，呈蓝色。而未燃烧尽的混合气体残余物继续与大气中的空气进行二次

混合燃烧，形成火焰外锥。如图1所示，完成燃烧后产生高温co2和水进而在外

焰的外侧形成外焰膜（肉眼看不见的高温层）:

图1.本生灯示意图

如果混合气流是处于层流状态，则外焰面呈较光滑的锥形；如果处于紊

流状态，则外焰面产生褶皱，直至产生强烈扰动，气团不断飞散、燃尽。

预混火焰的一次空气系数小于化学当量比，混合气体在蓝色内锥处只进

行了一部分的燃烧，剩余的燃气再按扩散方式与二次空气混合燃烧，外焰较长。

且一次空气越小，外锥越大，光焰区越来越明显，直至完全形成扩散火焰。

2大气式燃烧器的构造及工作原理

根据部分预混燃烧技术原理设计的燃烧器就称为大气式燃烧器。一次空

气系数0α1。一般大气式燃烧器由头部和引射器组成，如图2:

图2.大气式燃烧器示意图

大气式燃烧器的工作原理是：燃气在一定的压力下，以一定的流速从喷

嘴流出，流入吸气收缩管，然后燃气靠本身的能量吸入一次空气。在引射器内完

成预混过程，混合气体由头部火孔流出，进行燃烧，就形成本身火焰。

大气式燃烧器一般的一次空气系数通常0.45a0.75,根据燃烧室传热工

作状况的不同，过剩空气系数通常在1.3到1.8的范围中。

燃烧器的设计最主要的是引射器的设计。引射器有三方面的作用：a)以

高能量的燃气引射低能量的空气，并使二者均匀混合；b)在引射器末端形成一定

的剩余压力，用以克服气流从火孔出流时的阻力损失；c)输送一定量的燃气，以

保证燃烧器所需要的热负荷。

其次，燃烧器头部也是非常重要的，其作用是将燃气-空气混合物均匀地

分布到火孔上，进行稳定完全的燃烧，同时要求二次空气能均匀地畅通到每个火

孔。

3家用燃气灶的发展现状

目前，家用燃气灶具品种增多，款式新颖，安全措施增强，材质、功能

和性能等均有所改善。在生产质量和可靠性，工艺水平，自动化和智能化程度，

性能指标的先进性，节能和环保，安全使用等方面也都有所改善。

产品款式方面有台式和嵌入式。特别是嵌入式灶适应了目前厨房装饰的

美化要求，成为新兴的快速发展的款式。红外燃烧，催化燃烧，强鼓燃烧等先进

燃烧技术也得到应用。产品功能方面有压电点火，电脉冲点火方式。燃气泄漏报

警装置,自动安全保护装置在灶具中也得到运用。安全保护系统有热电偶加电磁

阀组成的热电安全系统，有电脉冲加自吸电磁阀组成的安全系统。随着电子技术

引入灶具领域，使得灶具的自动化和智能化程度都有所提高，有些高档产品增加

了油温过热保护装置，防干烧保护装置等。

二、燃烧器存在的问题与设计技术发展

大气式燃烧器由于其燃烧所需