摘 要

尽管新能源发展迅速，但化石燃料的燃烧仍是人类社会最主要的能源与动力的来源，占据着总消耗80％以上的份额；并且在可以预见的很长时间内，与燃烧相关的技术仍然会是最为关键的能源动力与环境技术之一。对于燃气热水器来说，早期的燃烧方法为扩散燃烧，而目前采用的较为普遍的是预混燃烧技术，即为空气和燃料按照一定比例预先混合，形成均匀的可燃混合气体，同时在燃气热水器结构上对混合气流经通道做出导流、混合和增压等措施，使混合气能够以一固定空燃比在火孔稳定燃烧，达到充分燃烧。在燃烧过程中，不允许存在燃烧振荡，脱火和回火现象，因为它们都会导致不完全燃烧，并产生一氧化碳等有毒气体。对于燃烧室而言，脱火和回火引起的熄火后形成爆炸性气体，容易发生事故，因此研究作为人们日常生活中经常使用的热水器，其燃烧稳定性和相应的燃烧、热力性能研究显得特别重要。但是直接测量燃烧稳定性，花费巨大。随着计算机技术和CFD商用软件的飞速发展，使得利用通过大量计算分析来探索和验证燃烧稳定性的方案成为可能。

本文应用流体仿真计算软件 Fluent/ICEM对热水器燃烧室内部的燃烧流场进行了数值模拟。首先应用CAD对其进行二维建模，得到各部分的参数，再利用ICEM构建模型并划分网格，导入Fluent后，采用标准 κ-ε、SIMPLE压力修正算法和PDF组分运输模型下的ED模型，对燃烧室的燃烧时流场进行常态数值模拟，了解其内部结构的压力、速度、各燃烧分数分布特征。并对燃气热水器进行了非常态燃烧模拟，对火焰扩散的过程进行了模拟，验证在火焰扩散过程中燃烧是否稳定，燃气热水器是否能安全工作。

关键词：燃烧模拟;网格划分;CFD

Abstract

Despite the rapid development of new energy, but fossil fuel combustion is human society the main energy and power source, occupies a share of more than 80% of the total consumption; and in the foreseeable for a long time, and combustion technology still is one of the most critical energy and environmental technology. For gas water heater, the early combustion method for diffusion combustion, and the more common is premixed combustion technology is air and fuel in accordance with a certain proportion of pre mixed, uniform combustible mixed gas formation, also in the structure of a gas water heater of the mixed gas flows through the channel to make a diversion, mixing and increasing, the mixed gas can to a fixed air fuel combustion in the fire hole stability than to burn fully. In the combustion process, there is no existence of combustion oscillation, fire and tempering phenomena, because they will lead to incomplete combustion, and the production of carbon monoxide and other toxic gases. For the chamber, off the fire and tempering by flameout after formation of explosive gas and prone to accidents. Therefore, the research on the water heater for frequently used in people's daily life as the, the combustion stability and the corresponding combustion, thermodynamic properties of appears to be particularly important. But direct measurement of combustion stability, cost is huge. With the rapid development of computer technology and CFD commercial software, it is possible to explore and verify the combustion stability by a large number of computational analysis.

In this paper, the numerical simulation of the combustion flow field in the combustion chamber of the water heater was carried out by using the software Fluent/ICEM. First application of CAD to carry on the two-dimensional modeling, to obtain the parameters of each part, using ICEM model and mesh construction, into fluent, the standard k-e, simple pressure correction algorithm and the PDF component transport model of ED model, of combustion chamber of the combustion flow field of normal numerical simulation, understand its internal structure of pressure, speed, the combustion fraction distribution. The combustion of gas water heater is simulated, and the flame diffusion process is simulated. It is verified that the combustion is stable and the gas water heater can work safely.

Key words：Combustion simulation，mesh generation ，CFD

目录

1绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2燃气热水器的发展 1

1.3燃气热水器研究现状 1

1.4烧模拟现状综述 2

1.5研究内容 4

1.6研究思路 5

1.7所用软件 5

1.7.1CAD 简介 5

1.7.2Fluent 简介 5

2 计算流体力学基础 7

2.1概述（计算流体力学） 7

2.2 计算流体力学基本方程 8

2.2.1纳维——斯托克斯方程组 8

2.2.2定解条件 9

2.3 求解方法简介 10

2.3.1雷诺平均N—S方程（RNS) 10

2.3.2直接数值模拟（DNS） 10

2.3.3大涡模拟（LES) 11

2.4 湍流模型 11

2.4.1零方程模型 11

2.4.2一方程模型 12

2.4.3标准两方程模型 12

2.4.4 RNG 模型 12

2.4.5 Realizable 模型 12

3 二维流场稳态的数值模拟及分析 14

3.1燃烧室模型的建立 14

3.1.1物理模型 14

3.2.2 数学模型 16

3.2 计算域及网格划分 17

3.4 边界类型设置 18

3.4.1 入口条件 19

3.4.2 出口条件 20

3.4.3 壁面的设置 20

3.4.4 混合界面设置 20

3.4.5 流体区域设置 20

3.5 燃烧流场数值模拟计算 20

3.5.1 流场计算边界条件设置 20

3.5.2 组分运输的计算与设置 29

3.6 二维流场计算结果 34

3.7本章小结 38

4 二维流场非常态的数值模拟及分析 39

4.1 冷态模拟参数设定 39

4.2冷态模拟结果分析 41

4.2.1点火针位置和参数 42

4.2.2 点火时间 43

4.3 点火针温度设置 43

4.3.1 UDF编辑 43

4.3.2 UDF导入 44

4.4 完整模拟及结果分析 46

4.4.1温度分析 46

4.4.2压力分析 51

4.5本章小结 56

5 结论与展望 57

5.1全文总结 57

5.2工作展望 58

参考文献 59

致谢 60

1绪论

1.1研究背景及意义

燃烧工况处于回火极限曲线和脱火极限曲线之间的燃烧工况为稳定燃烧工况，火焰若不能稳定处于此两曲线之内，即为燃烧不稳定状态[^[1]]。若火焰不能稳定的停留在燃烧器上方，频繁离焰甚至回火，形成周期性的不稳定的热释放，该热释放进一步对燃烧室内的压力波动构成激励并符合瑞利准则，便形成了振荡燃烧，脱火和回火现象是决不被允许的，因为它们都会导致不完全燃烧，产生一氧化碳等有毒气体。对于燃烧室而言，脱火和回火引起的熄火后形成爆炸性气体，容易发生事故，因此研究作为人们日常生活中经常使用的燃烧器，其燃烧稳定性和相应的燃烧、热力性能研究显得特别重要。

1.2燃气热水器的发展

20世纪70年代末，我国的燃气热水器相关研究才开始，比国外晚了大概一个世纪，但目前情况来看，基本技术手段与国外相差不远。1964年，总理批示了燃气热水器的研究，但由于当时的时代背景，研究并没有开始。1979 底，我国第一台燃气热水器在南京诞生 [^[2]]，发展起初是从直排式燃气热水器这一初级阶段开始，不能保证人身安全。1985年，我国第一台后制式燃气热水器研制成功，标志着在热水控制方面取得了进步[^[3]]。1986 年，制定颁布了我国第一个燃气热水器技术标准 GB6932−86《家用燃气快速热水器》。二十世纪九十年代，适合我国国情的平衡式、强排式、冷凝式燃气热水器出现在市场上，有安全隐患的直排式被强制淘汰，烟道式热水器在优胜劣汰的作用下退出市场。2006年 12 月 12 日，燃气热水器能效标准GB20665−2006正式发布，规定了燃气热水器的能源消耗标准 [^[4]]。

1.3燃气热水器研究现状

二十一世纪以来，由于国家能源危机日益凸显以及市场对安全舒适燃气热水器的需求大量增加，国内各高校纷纷加强了对燃气热水器的研究工作。华南理工大学的蓝剑用FLUENT应用软件，对不锈钢板翅式燃气热水器进行了模拟，分析了其传热和流动特性，得到了翅片的最佳参数，证明了这种结构是较铜管翅片管式加热炉的热效率升高约为0.8%[^[5]]。重庆大学闫栋利用软件强大的排式燃气热水器的燃烧和传热数值模拟，优化了燃烧室高度和翅片结构，并提出了使用可变风力机，以取代现有的风机的观点[^[6]]。重庆大学刘美丽等人对强排式热水器换热特性做了详细的分析，研究出过量空气系数、热负荷、热效率，热水量和烟气中CO的含量的关系，实验后进行回归分析，得出它们之间的数学模型，但由于数据缺失没能验证数学模型的普适性 [^[7]]。同济大学王莉等对冷凝换热器的燃气热水器进行了研究，设计了一个的导气装置，采用PHOENICS模拟连接冷凝显热换热器，解决了冷凝式热水器的结构布置和冷凝水的收集问题，提出一些改进的建议，但是在做模拟过程烟气换热器的降解温度时，按定值设定，难以反映真实情况 [^[8]]。近30年燃气热水器的发展经历了从直排阶段到凝冷凝阶段的转变，从制造模仿到自主研发的进展，从单一到提供热水洗浴功能到热水、采暖功能的发展方向，延续了国外燃气热水器的发展模式。现代热水器的发展过程中，几乎所有的设计师都在寻求如何让热水器安全，舒适，环保，方便，节能和降低成本，这也是从社会和用户的要求。从直排阶段过渡到冷凝阶段，没有一个地方不反映热水器技术在安全使用上的进步。但在中国目前的燃气热水器标准，只有在共同的烟雾中的一氧化碳作出限制，但没有限制氮氧化物，这也表明，环保和节能意识需要加强。

1.4烧模拟现状综述

对于燃气热水器来说，其最早的燃烧方法为扩散燃烧，而目前较为普遍的是预混燃烧技术，即为空气按照一定比例预混到燃气当中，形成均匀的可燃混合气体，同时在结构上对混合气流经通道做出导流、混合和增压等措施，使混合气以一固定空燃比在火孔稳定燃烧，达到充分燃烧。

为了推动燃烧科学和技术的发展，需要从理论上和实验上进行深入的研究。上世纪30年代到50年代，人们逐渐认识到，限制和控制燃烧过程的因素往往不是反应动力学因素，而是传热传质等物理因素[^[9]]。70年代初，计算流体力学方法被应用于燃烧研究，建立了燃烧的数学模型和数值计算方法。而燃烧室是燃料燃烧生成高温燃气的装置。在火焰不稳定性研究大力开展的过程中，燃烧室技术的研究特别活跃，其难度也特别大。这一方面是由于在燃烧室内既有气动、热力学等方面的物理问题，又包含有复杂的化学反应过程。从气体流动过程来讲，它本质上是一个带有旋流与回流的三维湍流流动，在流动中还伴随着激烈的化学反应，而化学反应与湍流流动之间又存在着至今尚处于研究阶段的相互影响和作用的问题；从传热学研究来讲，它包括热传导、热对流及热辐射，其过程和相互作用也极为复杂；从化学反应过程方面讲，碳氢化合物燃料的反应机理至今仍未被化学家完全弄清楚。由于实验的复杂以及高昂的成本,使用数值模拟的方法，如今在科研领域已经和理论分析以及实验研究同等重要。由于当下计算机运算能力的不断提高以及本身作为新兴发展的新学科，其在在理论、经验和成果方面都有丰富的积累。计算流体力学(CFD)不仅在学术界已经得到广为应用，在工程中也已成为流体的研究设计中不可或缺的重要手段。燃烧现象是一个典型的多尺度、非线性问题，在工程应用中又需要与同样是多尺度、非线性的流体力学相耦合，使得整个问题相当复杂。然而作为CFD重要分支的燃烧数值模拟，由于其成本低、周期短和适用性好的突出特点，非常适合于做燃烧科学问题的相关研究以及燃烧装置的设计和改造。在某些应用场合，它甚至起到了其他方法分析不可替代的作用，在特别强调经济性和高效率的当今研究领域里体现出极强的生命力和广阔的应用前景。