摘 要

随着科技发展，人民生活水平也在不断地提高，燃气热水器已走入了家家户户的生活，多种多样的热水器让生活越来越舒适。天然气作为新兴的清洁能源拥有着无可比拟的优势，因此燃气热水器有着广大的前景。节能环保是当今社会的主题，燃气热水器的安全性、经济性以及是否环保是人们关心的重点，也影响着该行业今后的发展。通过对燃烧室的仿真，对其热力性能进行分析，已经成为了一种重要的研究方式。

本文应用流体仿真计算软件ANSYS对热水器燃烧室内部燃烧流场进行了数值模拟。首先应用三维造型软件Proe对其进行三维建模，再导入ICEM进行前处理和网格生成，再在FLUENT中进行计算。采用了标准k-ε、SIMPLE压力修正算法和组分运输模型对燃烧室中流场进行了数值模拟，了解其内部局部结构处的压力、温度、速度以及各燃烧分数分布特征。

关键词：燃气热水器；数值模拟；燃烧

Abstract

With the development of technology, people's living standards are constantly improving. Gas water heater has entered every household life, making life more comfortable. As new clean energy, natural gas has the unparalleled advantage, that’s why gas water heater has a broad prospect. Energy saving is the subject of today's society. Security and economy of gas water heaters, and whether it is harmful for environment has become the highlight that people concern. Also, it affects the future development of the industry. Analyzing its thermal performance through simulation of the combustion chamber has become an important research methods.

In this paper, I use the fluid simulation software ANSYS to carry out numerical simulation on the flow field in heater combustion chamber. Firstly, use three-dimensional modeling software application Proe to creat 3D modeling. Secondly, import it to ICEM for pre-treatment and mesh generation. Thirdly, calculate in FLUENT. Using the standard k-ε, SIMPLE pressure correction algorithm and component transport model in numerical simulation on the flow field in combustion chamber will be helpful to analyze the characteristic of internal structure of the partial pressure, temperature, speed and distribution of scores.

Key Words：gas water heater; numerical simulation; combustion

目录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 研究背景 1

1.2.1 燃气热水器发展历史 1

1.2.2 能源及环境现状 1

1.2.3 燃烧学的发展 2

1.2.4 数值模拟技术 2

1.3 国内外研究现状 3

1.4 研究内容 3

1.5 所用软件简介 4

1.5.1 Proe5.0简介 4

1.5.2 ICEM CFD简介 4

1.5.3 Fluent简介 4

1.5.4 CFD-POST 简介 5

第2章 燃气热水器的燃烧机理和传热过程 6

2.1 热水器的工作原理和特点 6

2.2 燃烧方式 6

2.3 火焰稳定性 7

2.4 传热过程分析 8

第3章 数值模拟的基础理论 10

3.1 引言 10

3.2 控制方程的离散及求解 10

3.2.1 离散方法与离散格式 10

3.2.2 压力修正方程与SIMPLE算法 11

3.3 湍流模拟 12

3.3.1 湍流模拟总要 12

3.3.2 湍流模型分类简介 12

3.4 燃烧模拟 13

3.4.1 燃烧模拟应用总要 13

3.4.2 气相燃烧模型 14

第4章 数值模拟方法和分析 15

4.1 建立物理模型 15

4.2 网格划分 17

4.2.1 修改模型 17

4.2.2 建立body 17

4.2.3 建立part 17

4.2.4 划分网格 17

4.3 边界类型设置 19

4.3.1 入口条件 19

4.3.2 出口条件 22

4.3.3 壁面设置 23

4.3.4 混合界面设置 24

4.3.5 流体区域设置 24

4.4 燃烧数值模拟计算 26

4.4.1 求解精度的控制及并行计算设置 26

4.4.2 求解器及湍流模型的选择 26

4.4.3 组分运输的设置 28

4.4.4 算法、残差及松弛因子的设置 29

第5章 分析与结论 33

5.1 压力场分析 33

5.2 温度场分析 35

5.3 速度场分析 38

5.4 组分浓度分析 41

5.5 工作总结 44

5.6 工作展望 45

参考文献 46

致谢 47

第1章 绪论

1.1 引言

热水器已经成为了家家户户的必备电器，受制于天气的影响，太阳能热水器远不如燃气热水器能够满足家用的需求。加之燃气热水器使用的燃料是天然气，作为清洁能源，价格低廉又兼顾安全性，拥有着无可比拟的优势，再加上目前储量丰富，受到广泛的青睐，因此燃气热水器有着广阔的前景。本文模拟了热水器燃烧室的工作状况，计算压力场、温度场、速度场及甲烷、氧气浓度的分布来研究热水器的热力学性能，希望能对热水器的改进有现实意义。

1.2 研究背景

1.2.1 燃气热水器发展历史

1868年，出现了世界上第一台燃气热水器，采用了直排式，从室内引入空气再将燃烧产物排进室内，结构十分简单，但是安全性无法得到保障。70年代出现了烟道式和强排式，把燃烧之后的废气排向室外，使得热水器的使用变得越来越安全。80年代日本发明了恒温式热水器，增加了居民使用的舒适性。90年代强化燃烧技术运用在了热水器上，大大降低CO、NO_X的排放，家庭生活对于热水器的使用越来越频繁，高效、环保已成为它的发展方向。肋片管换热器被用来进行烟气的换热，提高了热水器的燃烧效率，这种换热器沿用至今，后文的数值模拟也采用的是这种肋片管换热器。随着城市燃气建设的不断发展，热水器也向着节能、全自动、流量分级、低污染等方面发展，市场上出现了冷凝式、容积式、强制换热等多种类型的热水器。

1.2.2 能源及环境现状

中国的经济发展模式以粗放的能源生产为主，大规模地开采煤炭、石油等一次能源，来达到发达城市日益增长的能源需求，尽管如此，能源的负担却越来越难以满足，常规的开源节流的方式，大规模开采仍然不能满足需求时，推广节能技术才能有效缓解这一状况。据统计,我国建筑方面的能耗占全国总能耗的30%左右,其中,供暖和制冷的能耗约占55%，而国外在建筑方面的能耗仅为我国的1/3~1/2 ^[1]。是以,如何提高设备的热效率和降低建筑耗能,引起了政府和社会各界的思考。

现在市场上的热水器价格主要在一千到三千元不等，大多数都是强排式热水器，燃烧后的烟气没有任何处理措施，直接通过烟囱排出，其中包含的CO和NO_X都是有害气体。初燃时局部缺氧以及之后燃气压力的增加都会导致CO的产生，而高温富氧以及燃气压力的增加都会使NO_X的含量增加。当今世界在积极倡导节能减排，从《京都议定书》到《巴黎协定》，世界低碳能源转型的长征才刚刚开始。

1.2.3 燃烧学的发展

燃烧是人们获取能量的主要手段之一，热水器燃烧室内的燃烧状况决定了该热水器的热效率和排放等性能的优劣，因此热水器的更新换代也依赖于燃烧学的发展。