（机械设计及理论专业论文）燃气燃烧器的计算机仿真与cad系统研究.pdf

济南j 、f 砸l 一f _ 诊乏 摘要 利用计算流体力学软件c f x ，对燃气燃烧器燃烧过程的温度场、n o 质量分数、 辐射特性等参数进行了仿真分析，通过对不同情况下的燃烧参数的分析，得出了燃 气燃烧器的设计原则。 对相同通流面积下不同小孔个数的燃烧器的燃烧情况进行了仿真，分析对比 n o 生成情况、辐射特性、温度场特性，得出结论：( 1 ) 当小孔个数很少时，d , - 孑l 个 数的改变对n o 的生成总量影响不大，对n o 的火焰形状影响较大；当d , - 孑l 个数达 到1 6 再继续增加时，小孔个数的改变对n o 的生成总量和n o 的火焰形状影响都很 小。( 2 ) d , - 孑l 个数的改变对火焰的最大辐射值、最大辐射值处辐射面形状都有较大的 影响。当小孔个数达到1 6 再继续增加时，小孔个数的改变对辐射特性的影响会变小。 ( 3 ) 当小孔的个数很少时，小孔个数的改变对温度场的分布形状影响较大；当d , - 孑l 的 个数在1 0 附近时，最高温度和平均温度的值取得最大；当小孔个数达到1 6 再继续 增加时，小孔个数的改变对温度场的各参数影响非常微小。 配风量对燃烧过程中n o 生成情况、辐射特性、温度特性均有影响，通过仿真 分析，得出结论：在零欠氧量的基础上，当配风量在5 的范围内上下浮动时，n o 生成总量、火焰辐射面的最大辐射值、燃烧器的最高温度和平均温度都在发生变化。 ( 1 ) 当欠氧量为4 至2 区间时，n o 的生成总量随着配气量的增加而增加；当欠氧 量为2 至零欠氧量区间时，n o 的生成总量最大；当配风量过量时，n o 的生成总 量随着配气量的增加而减小。( 2 ) 不管配风量是不足还是过量，随着配风量从少到多 逐渐增加，火焰辐射面的最大辐射值都逐渐增加，但变化的很缓慢。火焰辐射面的 形状基本上保持不变。当过氧量为2 至4 区间时，随着供养量的增加，最大辐射 值变化很小。( 3 ) 当配风量不足时，燃烧器的最高温度和平均温度会随着配气量的增 加逐渐增加，但增加的比较缓慢；当配风量过量时，燃烧器的最高温度和平均温度 会随着配气量的增加先增加后减小，当配j x l 使得过氧量在2 附近时，最高温度和 平均温度的值取得最大。 对不同情况燃烧参数的仿真分析，得出了燃烧器热效率最高、污染物最小的条 件。以其热效率最高、污染物最小为目标，提出了燃气燃烧器的设计原则：要求燃 烧器热效率高时，应使得配风在过氧量2 附近，燃烧喷嘴d , - 孑l 个数在1 0 附近；要 i 燃i 彬饶器的： 算h l 仿宾jc a d 系统t ；j f y c 求燃烧器污染物少时，应使得配j x l 量和小孔个数要尽量的多；要求燃烧器热效率高， 污染物少时，应使得配风在过氧量2 附近，燃烧喷嘴d , - k 个数在1 6 附近。 构建了燃气燃烧器c a d 系统框架，选用p r o e n g i n e e r 软件作为二次丌发平 台，规划并实现了各模块功能。编译并调试了应用程序，形成了界面友好、操作便 捷的燃气燃烧器的c a d 系统，本系统提高了燃气燃烧器设计自动化的程度，从而 为燃气燃烧器的设计、制造及性能研究提供了一种快捷的软件平台。 关键词：燃气燃烧器；计算机仿真；c a d ；p r o e n g i n e e r ；c f x 寿南人。二顺卜j ? i 诊上 a b s t r a c t c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ss o f t w a r ec f xi su s e dt os i m u l a t et h et e m p e r a t u r e f i e l d ，n om a s sf r a c t i o na n dr a d i a t i o np r o p e r t yi nt h ec o m b u s t i o np r o c e s so fg a s c o m b u s t o r i tf o l l o w sf r o mt h ea n a l y s i so fc o m b u s t i o np a r a m e t e r su n d e rd i f f e r e n t s i t u a t i o n st h a tt h ed e s i g np r i n c i p l eo ft h eg a sc o m b u s t o ri so b t a i n e d c o m b u s t i o nc o n d i t i o no ft h ec o m b u s t o ro fs a m et h r o u g h - f l o wa r e a sa n dd i f f e r e n t p i n h o l en u m b e ri ss i m u l a t e d b ya n a l y z i n ga n dc o m p a r i n go fn og e n e r a t i n gc o n d i t i o n ， r a d i a t i o np r o p e r t ya n dt h et e m p e r a t u r ef i l e dp r o p e r t y , w ee d u c et h ec o n c l u s i o n s ：( 1 ) w h e n t h en u m b e ro fp i n h o l e si sf e w , t h ec h a n g eo ft h ep i n h o l en u m b e rh a v el i t t l ee f f e c t so n g e n e r a t e da m o u n to fn o ，w h i l eh a v eg r e a te f f e c t so nf l a m es h a p eo fn o w h e np i n h o l e n u m b e rr e a c h e s16a n dc o n t i n u e st oi n c r e a s ea g a i n ，t h ec h a n g eo ft h ep i n h o l en u m b e r h a v el i t t l ee f f e c t so nb o t ht h eg e n e r a t e da m o u n to fn oa n dt h ef l a m es h a p e ( 2 ) t h e c h a n g eo ft h ep i n h o l en u m b e rh a v eg r e a te f f e c t so nb o t hm a x i m a lr a d i a t i o nv a l u eo ft h e f l a m ea n dt h er a d i a t i o ns u r f a c es h a p eo fa tt h et i m eo f r e a c h i n gm a x i m a lr a d i a t i o nv a l u e w h e np i n h o l en u m b e rr e a c h e s16a n dc o n t i n u e st oi n c r e a s ea g a i n ，t h ee f f e c t so ft h e r a d i a t i o np r o p e r t yo nt h ec h a n g e so ft h en u m b e ro ft h ep i n h o l ew i l lt u r nd i m i n u t i o n a l ( 3 ) w h e nt h en u m b e ro fp i n h o l e si sf e w , t h ec h a n g e so ft h en u m b e ro ft h ep i n h o l e sh a v eg r e a t e f f e c t so nt h ed i s t r i b u t i n gs h a p eo ft e m p e r a t u r ef i e l d w h e nt h en u m b e ro ft h ep i n h o l ei s a d j a c e n t 10 b o t ht h em a x i m u mt e m p e r a t u r ea n da v e r a g et e m p e r a t u r ea c q u i r et h e m a x i m u mv a l u e ，s c i l i c e tt h et h e r m a le f f i c i e n c yi sm a x i m u m w h e nt h en u m b e ro f p i n h o l e sr e a c h e s16a n dc o n t i n u e st oi n c r e a s ea g a i n ，t h ec h a n g eo f t h ep i n h o l e sh a v el i t t l e e f f e c t so nt h ev a r i o u sp a r a m e t e ro ft e m p e r a t u r ef i e l d a m o u n to fw i n dm a t c h e dh a se f f e c t so nn og e n e r a t i n gc o n d i t i o n ，r a d i a t i o n p r o p e r t ya n dt e m p e r a t u r ep r o p e r t yo ft h ec o m b u s t i o np r o c e s s ，t h o u g hs i m u l a t i n ga n d a n a l y s i n ga n dd r a w i n gt h ec o n c l u s i o n s ：o nt h eb a s i so fz e r oo w i n go x y g e na m o u n t s ， w h e nf l u c t u a t i n gw i t h i nt h er a n g eo f5 i na m o u n to fw i n dm a t c h e d t h eg e n e r a t e d a m o u n to fn o ，m a x i m a lr a d i a t i o nv a l u eo ft h ef l a m ea n dm a x i m u mt e m p e r a t u r ea n d a v e r a g et e m p e r a t u r eo fc o m b u s t o ra r e a l lc h a n g i n g ( 1 ) a so w i n go x y g e na m o u n t s b e t w e e n2 a n d4 t o t a lg e n e r a t e da m o u n to fn oi n c r e a s ew i t hi n c r e a s i n go fa m o u n to f 燃i 燃烧嚣的：f 钎目i 仿嚣jc a d 系统研究 o x y g e nm a t c h e d a so w i n go x y g e na m o u n t sb e t w e e n2 a n dz e r oo w eo x y g e n t o t a l g e n e r a t e da m o u n to fn o i sm o s t w h e nt h ea m o u n to fw i n dm a t c h e di se x c e s s i v e ，t o t a l g e n e r a t e da m o u n to fn or e d u c ew i t hi n c r e a s i n go fa m o u n to fo x y g e nm a t c h e d ( 2 ) n o m a t t e ra m o u n to fw i n dm a t c h e di si n s u f f i c i e n to re x c e s s i v e ，a m o u n to fw i n dm a t c h e d i n c r e a s eg r a d u a l l yf r o ml i t t l et om o r e ，t h er a d i a t i o nm a x i m u mo ff l a m er a d i a t i o n i n c r e a s e sg r a d u a l l y , b u tt h ec h a n g ei sv e r ys l o w t h es h a p eo fr a d i a t i o nb a s i c a l l yk e e p s i n t a c t w h e ne x c e e d i n go x y g e na m o u n ti sb e t w e e n2 a n d4 t h ec h a n g eo ft h e m a x i m a lr a d i a t i o nv a l u ei sv e r ys m a l lw i t ht h ei n c r e a s eo fs u p p l y i n go x y g e na m o u n t ( 3 ) w h e nm a t c h i n go x y g e na m o u n ti si n s u f f i c i e n t ，t h em a x i m u mt e m p e r a t u r ea n da v e r a g e t e m p e r a t u r eo ft h ec o m b u s t o rw i l li n c r e a s ew i t hm a t c h i n go x y g e na m o u n ti n c r e a s e g r a d u a l l y , b u tt h ei n c r e a s ei ss l o w e r ；w h e nm a t c h i n go x y g e na m o u n ti se x c e s s i v e ，t h e m a x i m u mt e m p e r a t u r ea n da v e r a g et e m p e r a t u r eo ft h ec o m b u s t o rw i l lb er e d u c e dw i t h m a t c h i n go x y g e na m o u n ti n c r e a s ea f t e ri n c r e a s i n g ，a sm a t c h i n gw i n dm a k e se x c e e d i n g o x y g e na m o u n t sa t2 n e a r b y , m a x i m u mt e m p e r a t u r ea n da v e r a g ev a l u eo ft e m p e r a t u r e a c q u i r et h em a x i m u mv a l u e b ys i m u l a t i n g a n da n a l y z i n gc o m b u s t i o np a r a m e t e r su n d e rd i f f e r e n ts i t u a t i o n s ， d r a w i n gt h ec o n d i t i o no ft h eh i g h e s tt h e r m a le f f i c i e n c ya n dm i n i m u mp o l l u t a n to ft h eg a s c o m b u s t o r u n t i lt h eh i g h e s tt h e r m a le f f i c i e n c y , m i n i m u mp o l l u t a n tt oa sg o a l ，p r o p o s i n g t h ed e s i g np r i n c i p l eo ft h eg a sc o m b u s t o r ：w h e ni td e m a n d st h ec o m b u s t o rh a sh i g h t h e r m a le f f i c i e n c y , t h ea i rd i s t r i b u t i o ns h o u l db ea b o u t2 e x c e e d i n go x y g e na m o u n t s a n dt h en u m b e ro fb u m e rp i n h o l e ss h o u l db er o u n d10 w h i l ew h e ni td e m a n d sl i t t l e c o n t a m i n a t i o n ，t h ea i rd i s t r i b u t i o na n dt h ep i n h o l en u m b e rs h o u l db em a n ye n o u g ht ot h e b e s to fi t sa b i l i t i e s h o w e v e lw h e ni tc o m e st ot h es i t u a t i o nt h a ti td e m a n d st h ec o m b u s t o r h a v eh i g ht h e r m a le f f i c i e n c y , a tt h es a n l et i m e ，h a v el i t t l ec o n t a m i n a t i o n ，t h ea i r d i s t r i b u t i o ns h o u l db ea b o u t2 e x c e e d i n go x y g e na m o u n t s a n dt h en u m b e ro fb u r n e r p i n h o l e ss h o u l db er o u n d16 t h ea r c h i t e c t u r eo fc a d c a ms y s t e mh a sb e e ne s t a b l i s h e d ，t h es o f t w a r e p r o e n g i n e e ri su s e da sd e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，f u n c t i o nf o re v e r ym o d u l ed a sb e e n d e s i g n e da n di m p l e m e n t e d a p p l i e ds o f t w a r eh a sb e e np r o g r a m m e da n dc o m p i l e d f i n a l l y , c a ds y s t e mf o rg a sc o m b u s t o rh a sb e e ne s t a b l i s h e dw i t hf r i e n d l yi n t e r f a c ea n d i v 卉南人；j f i j ! l 。f ? i 沦之 e a s yo p e r a t i o n t h es y s t e mc a l li m p r o v et h ed e g r e eo fi n t e g r a t i o na n da u t o m a t i o no n d e s i g na n dm a n u f a c t u r ef o rg a sc o m b u s t o r s o ，t h ed e v e l o p e dc a ds y s t e mi sae x c e l l e n t s o f t w a r ep l a t f o r mf o rg a sc o m b u s t o rd e s i g n ，m a n u f a c t u r i n ga n db e h a v i o rr e s e a r c h k e yw o r d s ：g a sc o m b u s t o r ；c o m p u t e rs i m u l a t i o n ；c a d ；p r o e n g i n e e r ；c f x v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的 研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：邃! 垫翌垦 日 期：矽壁：! ! 夕 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借鉴：本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：塑磷导师签名：扭日期：兰业7 济南人仍if 、j ? i 论之 i l i i 舅曼曼曼曼! 鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼! ! ! ! ! ! 曼曼曼! ! 曼! ! ! 曼曼曼曼曼! 鼍曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼! ! ! ! ! ! 曼! 曼曼曼曼曼 第一章概述 1 1 前言 2 0 世纪8 0 年代以前，我国设计的锅炉几乎都是燃煤锅炉，燃料的构成主要以煤为 主l l 巧j 。2 0 世纪8 0 年代后期，随着国家对环境保护的同益重视，我国对于燃料的结构 有所调整，燃料结构出现多元化，燃料中燃气所占比例逐渐增加。出现了燃气锅炉、 窑炉等，特别是西部特大气田的丌发和西气东输工程的完成，以清洁燃料天然气为燃 料的锅炉将会有较大的发展。燃气锅炉逐步取代传统的燃煤锅炉成为必然的发展趋 势。而燃烧器正是燃气锅炉的主要燃烧部件，它集风机、电磁阀、控制器、点火器、 火焰监测器及安全装置于一体，能以最简单、最紧凑的结构发挥满意的燃烧效果【6 9 】。 燃烧器按燃料种类可分为气体燃烧器、液体燃烧器和固体燃烧器三种【5 6 】。气体 燃料燃烧装置是燃烧各种煤气的燃烧器，通常俗称煤气烧嘴，其主要作用是按一定比 例和一定混合条件将煤气和空气供入炉内燃烧，并满足炉内加热过程对火焰的要求。 燃气燃烧器以其热效率高、安全性能好、可靠性强、自动化程度高、操作简单、维护 方便、噪音低等优点决定了其巨大的需求潜力和市场前剽1 0 m 1 。 1 2 燃气燃烧器 燃烧器是用来提供热源的装置。按使用燃料的不同，燃烧器可以分为燃煤燃烧器、 燃油燃烧器和燃气燃烧器。以气体作为燃料的燃烧器叫燃气燃烧器，常用的气体燃料 有煤气、天然气等气体，气体燃料与使用煤或石油燃料相比较，具有如下特剧1 禾2 0 】： 使用性能好。气体燃料在燃烧过程中容易与空气充分混合，使用最少的空气就可 以保证稳定燃烧，从而减少了排烟热损失，提高锅炉热效率；由于气体燃料的混合及 时充分，提高了混合气体的燃烧速度，比煤和油容易燃尽，减少了燃烧室的空间尺寸； 气体燃料中含有的狄分和硫分很少，燃烧时不会出现高温结渣和腐蚀现象；气体燃料 的流动及输送性能好，使用中可以进行预热，不仅提高了炉膛的燃烧温度，有助于气 体燃料的及时着火和稳定燃烧，强化辐射受热面的传热而且有利于回收烟气余热。 调节性能灵活。气体燃料的热值很容易调整，按城市燃气设计规范要求，往往根 据热值的要求将两种不同燃气混合使用；气体燃料有很强的适应热负荷变动的能力， 容易实现燃烧调节。只要选择合适的喷嘴，就能够在相当大的范围内进行燃烧调整， 使燃烧过程处于最佳状态，从而提高锅炉运行的经济性；由于气体燃料的燃烧调节特 彬7 ：彬；1 磋器的：f 钾l 仿囊ojc a d 系统研究 性好，容易实现较高程度的自动化控制。燃气锅炉的运行、维修均比燃煤、燃油锅炉 方便，运行中的能量消耗也比较小。 环境污染小。气体燃料是一种环保型清洁优质燃料，它的有害成分，如含硫量及 狄分远比煤和油质燃料要低；燃用气体燃料不会产生燃煤时需要大量处理的灰渣，烟 气中的含尘量也极少，避免了固体废物占用土地和对土壤的污染，以及废渣随降水流 失时对水体的污染和高浓度烟尘排放对大气的污染；净化后的气体燃料几乎不含有硫 和硫化物，燃烧中仅产生微量的硫氧化物，大大降低了烟气排放中s o x 的浓度；气 体燃料采用管道输送，降低车辆运输燃料和狄渣过程中有害气体的排放、粉尘的飞扬 以及噪声的干扰，从而减少了对环境的污染。 输运简单方便。气体燃料的管道输送比煤的交通输送既经济又安全；比油质燃料 的管道输送，减少了加热降粘、管道保温等一系列设备；在用户处也免除了燃料油所 必须的加热、加压等预处理措施和贮存装置，以及燃煤时的燃料堆放场地和处理系统、 除尘设施等，使燃气锅炉房的占地面积、建设投资等均低于燃煤、燃油锅炉房。 常用的燃气燃烧器2 ，2 1 ，2 2 】： ( 1 ) 扩散式燃烧器 扩散式燃烧器是指燃气没有和空气预先混合，而是分别送入炉膛后，一边混合， 一边燃烧。优点是燃气的燃烧稳定，运行可靠，结构简单，使用便利，可利用低压燃 气。缺点是火焰较长，需较大可供燃烧的容积空间；为了使得燃气能完全燃烧必须供 给较多的过剩空气；由于过剩空气系数较大，因而燃烧温度较低。应用范围：用于温 度要求不高，但燃烧温度要求很均匀的地方，常用于纺织工业、食品或小型炉窑等。 ( 2 ) 大气式燃烧器 大气式燃烧器按下列方式工作：燃气以一定流速自喷嘴流出，进入引射器，靠燃 气本身的能量将一次空气吸入燃烧器。在引射器中，燃气与空气混合，并流向燃烧器 的头部。优点是可以在低压下工作；不需要特殊的鼓风装置送风；可以燃烧各种特性 的燃气。缺点是一次空气系数较大时，燃气燃烧的稳定范围将大大的缩小；燃烧器生 产率较大时，结构比较笨重；如果空气系数较小，则需增加燃烧室内的过剩空气，但 燃烧温度将被降低。主要应用于家用煤气灶、沸水器，热水器等。 ( 3 ) 完全预混式燃烧器 完全预混式燃烧器是指燃料和空气在进入炉膛前就已经均匀混合。优点是生成率 大，燃烧器的结构紧凑：叮以存较低的燃气压力下工作；有较高的热工指标，过剩宅 2 济南，、学顺i f _ 论乏 气系数q = 1 。l 1 2 ，化学未完全燃烧小于2 。缺点是燃烧器结构复杂，需要机械 送风。可应用于大、中型锅炉或工业炉中。 ( 4 ) 引射式燃烧器 引射式预混燃烧器又称大气式燃烧器，应用十分广泛。它由头部和引射器两部分 组成。此类燃烧器的工作原理是燃气在一定压力下以一定流速从喷嘴喷出，依靠燃气 动能产生的引射作用吸人一次空气，在引射器内燃气与空气混合后，从排列在头部的 火孔流出进行燃烧。这种燃烧器的一次空气系数ql 通常为0 4 5 - - - 0 6 5 ，过剩空气系 数通常在1 3 1 8 的范围内。多火孔大气式燃烧器主要应用在家庭和公用事业中的燃 气用具中，在小型锅炉及工业炉上也有应用。单火孔大气式燃烧器在中小型锅炉及工 业炉上也较常采用。 ( 5 ) 自然供风式燃烧器 自然供风式燃烧器是扩散式燃烧器的一种。依靠自然抽力或扩散供给空气，燃烧 前燃气与空气不进行预混，最简单的扩散式燃烧器，是在一根铜管或钢管上钻一排或 交叉布置两排火孔，燃气在一定压力下进入管内经火孔流出，依靠燃气分子的扩散与 空气混合而燃烧，形成扩散火焰。自然引风式扩散燃烧器可根据加热工艺和燃烧的需 要做成多种形式：圆环形燃烧器、管式燃烧器、冲焰式燃烧器、缝隙炉床式扩散燃烧 器、和多缝式燃烧器。主要用在民用燃气灶上等。 ( 6 ) 鼓风式燃烧器 鼓风式燃烧器也是扩散式燃烧器的一种。依靠鼓风机供给空气，燃烧前燃气与空 气也不进行预混合，在鼓风式燃烧器中，燃气燃烧所需要的全部空气均由鼓风机一次 供给，但燃烧前燃气与空气并不实现完全预混，因此燃烧过程并不属于预混燃烧，而 为扩散燃烧。鼓风式燃烧器可做成套管式、旋流式、平流式等各种结构型式。 1 3 燃气燃烧器发展概况 在国外，燃气燃烧器已是发展十分成熟的产业。国外有百年燃气使用历史，其燃 烧器制造商经过几十年的市场竞争，在技术上、工艺上、成本控制上积累了不少有形 及无形资产，具有较强的规模优势和技术优势。我国国内使用的工业燃气燃烧器 8 0 - - 9 0 靠进口，每年国家要花费数1 0 亿的资金进口燃烧器。我国加入w t 0 以后， 面对贸易壁垒的取消及关税的削减，国外品牌的冲击将更为强烈。2 0 世纪8 0 年代后期， 在国外品牌大举进入中国市场的同时，国内一些科研院所丌始关注这个产业，并着手燃 烧器的国产化工作。由于最初阶段很多关键部件依赖进口，而进口渠道不够畅通，货源 3 燃1 燃烧器的汁铮 j l 仿真jc a d 系统研究 无法得到保证，同时国内配套又存在很多困难，因此，没有取得预想的效果。9 0 年 代中后期，在江苏、浙江、上海、河北等地陆续诞生了几家燃烧器生产企业【l3 。一个 事实摆在面前：在我国燃烧器产业刚刚起步时，就不得不面对一个发育完善、竞争激 烈的市场。尽管经过几年的努力，我国企业已取得了一定的发展，但与国外制造商相比， 无论是资金、技术、人员素质、管理水平等方面都存在较大的差距，规模经济远没有 形成。 近十多年来，计算机技术的迅速提高和计算流体力学和燃烧理论的显著进展，为 燃烧系统的数值计算提供了条件，使人们能成功地预测燃烧室内的速度场、浓度场和 温度场。世界各国广泛开展了通过数值方法来模拟燃烧器内流体及燃烧的研究，提出 了不少理论模型，建立了数值解法和大型通用程序，它们都为进一步对燃烧器的计算 机仿真奠定了基础。目前燃烧过程数值模拟在新型燃烧器研究及低污染燃烧技术等方 面均显示出广阔的应用前景。从发表的文献【2 3 五8 】看，有关炉内及燃烧器内流场及燃烧 的数值模拟主要集中在煤粉燃烧器方面。1 9 7 2 年伦敦帝国科技大学教授 d b s p a l d i n g 和v s p a t a n k a r 在第十四届国际燃烧会议上提出三维流动过程计 算机模化的建议。进入八十年代，一整套的燃烧室内的模型方法开始初步形成，燃烧 室的模拟开始走向大型的炉内模拟。1 9 8 6 年，英国的a b b a s 和l o c k w o o d 对四角切向 燃烧和侧墙喷燃炉膛进行了气相燃烧模拟，传热采用了离散传播模型。同年，澳大利 亚的b o y d 和l o w e 对5 0 0 m n v 塔式切向燃烧锅炉进行了模拟，并将其结果与实际炉 子的冷念流场进行了比较。美国杨伯翰大学燃烧工程中心为福斯特惠勒和美国燃烧 工程公司开发了模拟煤粉燃烧的p c g 2 、p c g c 3 软件。德国斯图加特大学的g o m e r 对侧墙有8 个切向进风燃烧器的锅炉炉膛内的三维两相流动、传热与燃烧过程进行了 数值模拟，计算所得的热流分布和试验值进行了俄比较，计算值高于实测值，有较大 的差别。国内的清华大学，浙江大学、中国科技大学、华北电力大学、上海成套所也 丌展了炉内数值模拟的研究。而对燃油、燃气燃烧器内的两相流动和燃烧问题的数值 模拟尚不多见。 c a d 技术起步于2 0 世纪5 0 年代，1 9 5 0 年麻省理工学院研制出可以显示简单图 形的图形设备。1 9 6 3 年美国m i t 教授i e s u t h e r l a n d 成功研制了世界上第一套实 时交互的计算机图形系统s k e t c h p a d 。7 0 年代初期，c a d 进入了早期实用阶段，1 9 7 0 年美国a p p l i c o n 公司第一个推出完整的c a d 系统，随着各种廉价图形输入设备的相继 问世，c a d 丌始止进中小企业。目前，c a d 技术已得到普遍应用。我困c a d 技术的丌 ；弃南j 、。fr j i7 i i 仑殳 发应用起步于2 0 世纪7 0 年代，由于当时的计算机硬、软件条件的限制，较多的是采 用计算机进行一些产品设计中分析计算。2 0 世纪8 0 年代，国家在机械c a d 技术丌 发应用方面进行了重点投资，支持对国民经济有影响的重点机械产品c a d 进行开发 和研制，并取得了一系列在国内来说具有开创性的成果。2 0 世纪9 0 年代，我国c a d 技术丌发与应用进入了集成系统的推广阶段。各类c a d 系统的研制开发出现了商品 化、产业化的势头。目前，我国许多企业都开始引进c a d 系统。 燃气燃烧器c a d 系统是针对气体燃料的系统，国外对燃气、燃油应用技术，包 括工业燃烧器的研究已有相当长的时间，而且从事燃烧器生产的专业厂家，凭其在这 一领域取得的丰富经验和行业地位，依靠科学的生产管理和先进的技术装备，确保其 产品的可靠的质量、优异的性能、完善的自控系统迅速占领了中国市场上相当大的份 额，也赢得了广大客户的信赖和声誉。他们对燃烧器的理论研究和计算机仿真已经比 较深入。研制出了许多新型的燃烧器。形成了比较完善的c a d 系统。但是由于历史 原因，我国工业锅炉行业对气体燃料和液体燃料的燃烧和燃烧设备的研究较少。目前 国内已有了一些能规模生产燃烧器的企业，但不是很多。由于我国的燃气燃烧器用户 少，所以专业开发商没有在该领域投入精力，通过阅读和检索大量文献，目前国内还 没有发现针对燃气燃烧器的专门的c a d 系统。 近几年，加快城市清洁能源建设，改善城市能源消耗结构，防治城市大气污染的 呼声已越来越高。各大中城市只允许使用燃油、燃气锅炉，坚决杜绝烧煤锅炉再继续 使用。未来几年内，天然气作为一种清洁能源，将在国内很多地区普及。这将给燃气燃 烧器带来广阔的市场，市场的需求必然刺激国内外厂商参与份额的争夺，竞争将使实力 强的一部分更加强大，实力弱的一部分被市场淘汰。通过阅读和检索大量文献，发现 目前的燃气燃烧器研究主要存在着以下问题【2 9 。6 】：( 1 ) 现在的设计多是经验设计( 通 过试验得到公式) ，设计手段水平低，不能很好的保证产品的性能。( 2 ) 结构设计上的不 合理和燃烧的不合理，造成：a 、燃烧不充分，环境污染；b 、过剩空气系数大，热效 率低。( 3 ) 尽管有的企业用了计算机绘图，但不能从真正意义上达到计算机辅助设计 的水平，对已有设计的资源利用不够，没有形成一个完整的c a d 系统。( 4 ) 设计自动 化程度低，现存的经验加随机设计，使燃烧器的设计很难达到标准化、系列化的程度。 ( 5 ) 对低污染和控制系统的还没有进行深入的探讨，燃气和空气的实时联动控制系统 还不完善。 针对燃气燃烧器计算机仿真及c a d 系统研究应用中存在的问题，应在以下几个 燃。i 燃烧器的汁铮q l 仿真jc a d 系统f s jr , 充； 方面进行研究，以期形成完整的实用的燃气燃烧器的c a d 系统：( 1 ) 在设计阶段加上 计算机仿真，模拟工作环境和燃烧过程，尽早发现设计中存在的缺陷，及时的修改设 计。这一手段可在产品丌发过程中尽早的做出前瞻性决策，保证产品的性能。同时， 能够缩短产品丌发周期，降低开发成本。( 2 ) 提高产品的设计水平，以保证高的热效 率和最低的环境污染。( 3 ) 使用v i s u a lc + + 基于p r o e n g i n e e r i n g 平台构建面向对象的参 数c a d 对话框。( 4 ) 尽量减少经验设计和随机设计，提高产品的标准化、系列化程 度。 1 4 主要研究内容 通过阅读和检索大量文献，还没有发现针对燃气燃烧器的专门的c a d 系统。由 于传统的燃烧器设计手段停留在经验设计、手工设计上，产品的性能由设计人员经验 决定，工作效率低，不适用国际化、市场化要求。因此，要提高国产燃烧器市场竞争 力，提升其设计手段，必须采用计算机辅助技术和先进的设计理念。所以，在通用平 台下进行二次丌发，来研究燃气燃烧器的c a d 系统是非常有必要的。燃气燃烧器的 计算机仿真和c a d 系统研究的主要内容包括： l 、选取适合于燃气燃烧器的开发平台。 2 、构建燃气燃烧器的c a d 系统构架。 3 、各个模块的建模。 4 、各个模块的集成。 5 、燃烧过程的仿真与燃烧器的优化设计。 1 5 课题的意义 传统的燃煤锅炉在燃烧特性方面存在着很大的弊端。自动化程度低、热效率低， 对环境的破坏同益加重。已无法满足现代工业锅炉自动化程度高，热效率高以及排烟 基本无尘的要求。科技进步和人们环境保护意识的增强使燃油、燃气锅炉取代燃煤锅 炉成为必然的发展趋势。加之近几年，加快城市清洁能源建设，改善城市能源消耗结 构，防治城市大气污染的呼声已越来越高。各大中城市只允许使用燃油、燃气锅炉， 孥决杜绝烧煤锅炉再继续使用。而作为燃油、燃气锅炉的主要燃烧部件，燃烧器集风 机、电磁阀、控制器、点火器、火焰监测器及安全装置于一体，能以最简单、最紧凑 的结构发挥满意的燃烧效果。特别是2 0 世纪8 0 年代后期，随着我国对环境保护的重 视，以及东海天然气、“西气东输”等工程的相继实施，创造出了一个繁荣的天然气 6 应用市场，为燃气燃烧器的研究与创新提供了广阔的发展空f a j 。 通过阅读和检索大量文献，还没有发现针对燃气燃烧器的专门的c a d 系统，因 此，在通用平台下进行二次开发，来研究燃气燃烧器的c a d 系统具有充分的必要性。 在燃烧器的设计阶段加上计算机仿真，不仅能模拟工作环境和燃烧过程，尽早发现设 计中存在的缺陷，及时的修改设计。还可以在产品开发过程中尽早的做出前瞻性决策， 保证产品的性能。设计阶段加上计算机仿真能够缩短产品开发周期，降低开发成本。 在保证燃烧器高的热效率的同时还能把环境污染降最低，有很好的经济效益和社会效 益。计算机仿真的结果可以更直观、更全面地反映实际的燃烧过程，现场实验采集的 只是局部的数据，且很受时问地点的限制，而仿真得到的流体场则是计算域内的一个 完整场，它可以显示计算域内任何地方的速度、压力、温度，或是整个区域内的分布规 律。计算机仿真可以在不打断正常生产过程的前提下，对多种预想的燃烧过程进行计 算仿真，从而找出理想的燃烧方式，所以在燃烧器的优化燃烧方面有非常大的应用优 势。 燃气燃烧器以其热效率高、安全性能好、可靠性强、自动化程度高、操作简单、 维护方便、噪音低等优点决定了其巨大的需求潜力和市场前景。目前国内已有了一些 能规模生产燃烧器的企业，但不是很多。我国燃油燃气工业锅炉，绝大多数是采用进口 的燃烧设备，燃烧器的品牌多达几十种。由于各种燃烧器的性能特性的不同，各锅炉厂 的锅炉结构和特性的不同，导致了有些锅炉运行不匹配，出力不足，甚至有震动和噪声 过大等现象。现在我国的全自动燃气燃烧器市场基本上被国外厂商的产品所垄断，国 产品牌屈指可数。如果国产燃气燃烧器技术和产品不能适时跟上市场需求、形成技术 特色、创出名牌，就有可能被大量涌入的国外产品完全占据市场。燃气燃烧器c a d 系统是针对气体燃料的系统，用户少，所以专业丌发商没有在该领域投入精力，还没 有形成c a d 系统，因此，对燃气燃烧器的c a d 系统进行研究具有充分的必要性和 重要的现实意义。 燃气燃烧器的计算机仿真和c a d 系统研究旨在：通过各功能模块的研究、功能 实现与集成，形成燃气燃烧器的c a d 系统。 济南人学坝i 学位论义 第二章燃气燃烧器的燃烧过程仿真 2 1 c f d 软件简介 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 是专门用来进行流场分析、流场计 算、流场预测的软件。通过c f d 软件，可以分析并且显示发生在流场中的一些现象， 在比较短的时问内，能预测性能，并通过改变各种参数，达到最佳设计效果。c f d 的数值模拟，能使我们更加深刻地理解问题产生的机理，为实验提供指导，节省实验 所需的人力、物力和时问，并对实验结果的整理和规律的得出起到很好的指导作用 2 6 - 2 8 ，3 7 - 4 0 1 。 c f x 软件是能解决c f d 问题的软件之一，它是在满足工程咨询服务的基础上发 展起来的。c f x 软件是做流体力学计算的，本身不能做网格，网格是通过i c e m 或别 的软件做的。c f x 本身可以求解复杂的流体力学问题 2 3 - 2 5 , 3 9 1 ，在本研究中，使用c f x 中来进行燃烧器内流体的温度场、辐射场、n o 生成情况等物理性质的研究仿真。 2 2 仿真模型 2 2 1 模型的建立 燃气燃烧器的建模，可以根据其特点分成几部分分别来建模，本课题中，把燃烧 器的模型分成外壳、进气管、前盖板、燃气喷嘴、定位块五部分来分别建模，然后把 建好的各个部分的几何模型装配成一个整体【4 h 3 1 ，在燃气燃烧器计算机仿真中，用 p r o