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燃烧机构内部流场的数值仿真和方案优选 |
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作者：王维保 李东风 林瑞中 |
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摘要：为优化燃烧机构的结构设计，用 FLUENT 建立某燃烧机构内部流场数值仿真模型；针对进口流量和出口直径参数各取3 个不同的值，组合成 9 种方案来仿真内部温度场和压力场分布；通过比较不同方案的内部温度场及压力场仿真结果，优选出合适的方案. 仿真结果与试验结果较为吻合，说明采用数值仿真方法可为燃烧机构方案设计提供参考。
1 前言
现代科学技术的飞速发展极大地推动了相关产业和学科研究的。CAE作为一种新兴的数值模拟分析技术，越来越受到工程技术人员的重视。在产品研发过程中引入CAE技术，不仅能协助工程技术人员进行产品设计，还可以作为保证产品设计质量的一种有力手段。
某燃烧机构的设计过程中，应用Fluent分析软件仿真计算该燃烧机构不同方案的内部温度场及压力场分布，通过比较不同方案的内部温度场及压力场仿真结果，优选出合适的方案。从而缩短研制周期，节省研制经费。
2 仿真方案设计
燃烧装置工作产生大量粒子的同时也产生了大量的热量。在工作过程中，为降低燃烧机构温度，从燃烧装置底部通入冷空气，冷空气在燃烧装置与燃烧室间的空隙中流动，将其产生的热量带走，加热后的空气流与燃烧产生的粒子流混合后从口部喷出，控制出口部直径即能改变出口部气流的速度。
图1是某燃烧机构结构图，该燃烧机构仿真计算的主要目的是保证燃烧机构在一定进口流量下得到合适出口流速及燃烧机构外壁温度。因此，本文针对燃烧机构进口流量、出口直径两个参数各取3个变量进行对比仿真计算（表1为对比仿真方案表），优选出最佳方案。
图1 燃烧机构结构图
表1 对比仿真方案表
 3 仿真计算及方案确定
根据表1的对比仿真方案建立了三个仿真模型，每个仿真模型分别赋予三种不同的进口流量，得到九种仿真方案。为了减少计算量，由于模型为旋转对称模型故只建立了四分之一模型进行仿真计算。因此，仿真模型(见图2)设有两个对称边界条件，一个常温质量入口边界条件，一个高温质量入口边界条件，一个压力出口边界条件，其余为壁面边界条件。
图3至图8分别为九种方案仿真计算的压力分布云图及温度分布云图。表2为各仿真方案仿真计算的气体出口速度及外壁最高温度。
从上面的图及表中可以看出在相同出口直径下气体的出口速度随进气流量增大而增大，壁面温度随进气流量增大而减小；在相同进气流量下气体的出口速度随出口直径增大而减小，壁面温度随出口直径增大而减小。同时对比设计要求气体出口速度控制在100m/s，壁面最高温度控制在400℃左右，发现方案6符合设计要求。因此，确定方案6为优选方案。
4 试验验证
研发人员根据仿真计算结果优选的方案6进行燃烧机构设计并进行样机加工，样机装配后进行了验证试验，试验测得气体出口速度为95m/s，壁面最大温度为391℃。与仿真结果对比误差在5%之内，说明仿真计算可以用于指导设计。
5 结论
本文利用ANSYS软件的Fluent流体分析模块完成某燃烧装置内部流场的温度场及y压力场分布仿真计算，利用计算结果优化燃烧装置设计，并进行验证试验，仿真结果与验证试验结果吻合较好，其仿真结果可以为方案设计提供依据。(end)
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(7/25/2012) |
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