[24]。輻射模型：燃燒問題首先要考慮的就是輻射，高于0K的物體都會產(chǎn)生輻射，熱輻射強度和溫度成正比，在模擬中為了降低模擬難度可以將燃?xì)庠畈糠纸Y(jié)構(gòu)看作為絕熱壁面，F(xiàn)luent模擬中有四中模型分別為，離散傳遞輻射模型（以下檢查DTRM模型）、羅斯蘭模型、P-1模型、離散零點模型（以下簡稱DO模型）。在模型選擇中首先排除DTRM模型，因為DTRM模型雖然簡單卻沒有包含散射，會造成精度的降低，如果通過增加計算模型的射線又會增加計算的任務(wù)量。羅斯蘭模型和P-N模型雖然包含散射效應(yīng)但是只適合大尺度的輻射計算，并不適合燃?xì)庠畹刃⌒腿紵臄?shù)值模擬對輻射的模擬計算。所以應(yīng)該選擇輻射采用DO模型，DO模型相比其他輻射模型最為復(fù)雜。更能適應(yīng)燃?xì)庠钊紵Ｐ偷哪M，但是也相應(yīng)增加了計算量。燃燒模型：燃燒分為許多類型，燃?xì)庠畹哪M過程就涉及燃燒反應(yīng)，由于是氣體燃燒反應(yīng)，首選氣相燃燒模型。氣相模型也分了與多種，預(yù)混模型對于燃?xì)庠畹哪M來說是比較適合的。4.2模型網(wǎng)格的劃分網(wǎng)格有與多種類型，二維圖形一般使用三角形網(wǎng)格和四邊形網(wǎng)格。三維物體則以六面體和四面體網(wǎng)格為主。若要進(jìn)行高精度的模擬，采用六面體網(wǎng)格比較好，相應(yīng)的，劃分難度也更高。圖4.1為幾種常見的網(wǎng)格類型。圖4.1網(wǎng)絡(luò)單元的類型對于網(wǎng)格的類型選擇，應(yīng)該具體問題具體分析。原則上來說，在選取網(wǎng)格類型的時候，應(yīng)該考慮下面三點問題：初始化所需時間、進(jìn)行迭代計算所耗時間以及數(shù)值的耗散。對于燃?xì)庠钅Ｐ蛠碚f，整個模型包括燃燒室、余熱回收裝置及受熱面三部分，其中，燃燒室是整個模型中最重要的地方，預(yù)混室和燃燒室是數(shù)值計算的主要區(qū)域，網(wǎng)格應(yīng)該要畫的比較精細(xì)，但其又恰恰是結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的地方，若網(wǎng)格過于密集則計算的花費過于巨大。因此，必須對網(wǎng)格進(jìn)行簡化處理。簡化后的燃?xì)庠钅Ｐ蛨D如圖4.2和圖4.3所示。模型中，見燃?xì)庠畹目諝膺M(jìn)口簡化為一個圓柱形的進(jìn)口，同理，甲烷進(jìn)口也可以簡化為一個圓柱形的進(jìn)口。煙氣回收室用圓柱形腔體代替。圖4.2燃?xì)庠罹W(wǎng)格模型俯視剖面圖圖4.3燃?xì)庠罹W(wǎng)格模型仰視剖面圖4.3模型參數(shù)的設(shè)置在FLUENT（文中所用的版本為2021R1）里，一般按照軟件本身所給的任務(wù)樹一步一步的往下設(shè)置，設(shè)置完成后即可進(jìn)行運算，步驟如下：選擇求解器的精度及運算CPU的核數(shù)導(dǎo)入模型，檢查其網(wǎng)格的質(zhì)量根據(jù)模型的特點選擇合適的求解器確認(rèn)化學(xué)反應(yīng)方程，檢查其反應(yīng)機理檢查流體的流域，如出現(xiàn)錯誤及時改正設(shè)置材料的物理性質(zhì)選取合適的邊界條件，開啟不同邊界的床熱及耦合選項設(shè)置收斂條件將整個流場進(jìn)行混合初始化給定計算步數(shù)，進(jìn)行迭代求解查看云圖，對結(jié)果進(jìn)行評估，若結(jié)果理想，保存數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，否則重新設(shè)置求解條件，繼續(xù)進(jìn)行計算4.3.1采用的計算模型通過查閱文獻(xiàn)與大量類似模型進(jìn)行對比分析，最終本課題將模型選的湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k?ε模型，由于涉及到燃燒以及傳熱模擬，因此需要開啟能量方程，在FLUENT中預(yù)混燃燒必須使用分離算法，所以開啟Species模型，在混合材料中選擇甲烷與空氣類型，具體設(shè)置圖4.4所示。圖4.4species模型具體設(shè)置情況圖4.5模型設(shè)置情況4.3.2燃燒反應(yīng)的條件燃?xì)鈹M用甲烷代替，因此燃燒成分則是甲烷與空氣的混合氣體，完成燃?xì)庠畹狞c火可用patch打補丁的方式設(shè)置出一個高溫區(qū)域來進(jìn)行點火。甲烷的溫度為室溫25℃，空氣從入口進(jìn)入時的溫度也為室溫25℃，到達(dá)預(yù)混室的溫度由計算得出，在不考慮污染物產(chǎn)生的情況下，燃燒反應(yīng)的化學(xué)方程式為CH4+2O2=CO2+2空氣中氧氣的含量可定為21%，甲烷的低位發(fā)熱量可以從相關(guān)書籍上查得為25MJ/m3，燃?xì)夤軆?nèi)徑為16.2mm。假定燃?xì)庠畹臒嶝?fù)荷為5kW?？梢郧蟮萌?xì)馊肟谒俣葹?.243m/s，空氣的入口為0.486m/s。甲烷入口速度：VcH4=5kw25MJ∕m2S空氣入口速度： VAir=vCH4.3.3區(qū)域類型設(shè)置Mesh不僅可以進(jìn)行網(wǎng)格劃分，還可以將模型分區(qū)，以及對各個區(qū)域進(jìn)行命名。燃燒室和排煙的部分應(yīng)該設(shè)置流體區(qū)域FLUID，其余的壁面可以設(shè)成一定壁厚的固體區(qū)域SOLID。壁面的材料選取為steel。設(shè)置完之后需要進(jìn)入FLUENT里面再次確認(rèn)，以防區(qū)域類型設(shè)計出錯而影響結(jié)果。4.3.4邊界條件的設(shè)置煙氣出口，甲烷入口，空氣入口的邊界條件已由前面給出，空氣出口為壓力出口，出口為大氣環(huán)境，壓力應(yīng)與大氣相同。溫度均為室溫，即300K。湍流參數(shù)定義也都差不多，進(jìn)出口的水力直徑和湍流強度選項中都設(shè)置為10%。空氣進(jìn)口與速度進(jìn)口的水里直徑為16.2mm，煙氣出口的水力直徑設(shè)置為50mm?？偨Y(jié)后如表4-1所示。表4-1各出入口邊界條件出入口邊界條件進(jìn)氣速度溫度煙氣出口壓力出口-300KCH4入口速度進(jìn)口0.243m/s300K空氣入口速度進(jìn)口0.486m/s300K混合氣體出口內(nèi)部面--出入口邊界條件確定后，接下來就是設(shè)置壁面參數(shù)。整個燃燒器的最外層圓柱形壁面設(shè)置為絕熱壁面。燃燒室，煙氣余熱回收裝置區(qū)設(shè)置為耦合壁面，材料定義為steel，煙氣換熱器和流體域的接觸面的發(fā)射率設(shè)置為0.8。其參數(shù)如圖4.6所示。圖4.6耦合壁面參數(shù)設(shè)置圖其余壁面則設(shè)置為絕熱壁面，詳情如圖4.7所示圖4.7絕熱壁面參數(shù)圖4.4初始化的定義及收斂性的判斷在所有的設(shè)置完成后，根據(jù)模型的特點，初始化選擇為標(biāo)準(zhǔn)初始化，并給定一個1200K的初溫，其余保持默認(rèn)條件不變，具體設(shè)置如圖4.8所示。圖4.8初始化參數(shù)當(dāng)計算中各速度殘差小于1×10?3時，湍流動能k的殘差小于4.5模擬結(jié)果及分析4.5.1冷態(tài)流場的模擬（1）迭代曲線圖4.9為燃?xì)庠罾鋺B(tài)流場模擬的迭代曲線。圖4.9冷態(tài)流場迭代曲線（2）速度圖圖4.10燃?xì)庠钏俣仁噶繄D從上圖（圖4.10）可以看出，空氣走預(yù)熱器流進(jìn)，與甲烷在預(yù)混室混合，最后從噴口噴出。此后空氣向燃?xì)庠钆缘臒煔庥酂崂醚b置流入，最后走煙氣出口流出。從冷態(tài)模擬可以看出，流體的路線并沒有明顯的問題，空氣與燃?xì)饪梢哉５牧魅肱c流出，說明這個方案是可行的。4.5.2燃燒及傳熱的模擬（1）迭代曲線圖4.11為燃?xì)庠钊紵c傳熱的迭代模擬曲線圖。圖4.11燃?xì)庠畹€圖（2）壓力場與速度場圖4.12燃?xì)庠顗毫D圖4.13燃?xì)庠钏俣葓D從圖4.12可以看出，燃?xì)庠钤诳諝馀c燃?xì)饣旌系奈恢煤唾N近鍋底的位置壓力最大，這是由于底部的預(yù)混結(jié)構(gòu)造成的，可見預(yù)混室會影響燃?xì)庠畹膲毫Ψ植记闆r。速度場也與壓力場類似，在噴口以一較大的速度噴出，在鍋底區(qū)域幾乎為0。圖4.13得知，在噴嘴出口燃?xì)馑俣茸畲?，同時煙氣出口附加也有較大的速度，說明煙氣可以順利從煙道出去。（3）溫度分布圖4.14燃?xì)庠顪囟确植紙D通過觀察圖4.14可以看出，空氣通過余熱回收裝置之后溫度有明顯的差別，相對于進(jìn)口溫度，空氣在到達(dá)預(yù)混室后溫度提高了30K。被加熱的空氣與燃?xì)獬浞只旌虾?，由噴嘴噴出，進(jìn)行燃燒。帶動上部的金屬蜂窩板也被加熱，最后再通過金屬蜂窩板所發(fā)出的輻射加熱鍋底。（4）模擬結(jié)果分析總結(jié)本次模擬做了燃?xì)庠盍鲌龅确矫娴姆治?，從各個方面來看，燃?xì)庠畹哪M結(jié)果總體上還是達(dá)到了預(yù)期，燃?xì)庠畹母邷貐^(qū)域較為集中，高溫?zé)煔膺@一類廢熱可以很好的被回收利用，空氣從燃?xì)庠畹娜肟诘筋A(yù)混室的入口處溫度有明顯的升高。噴嘴處燃燒情況也比較好。余熱回收利用裝置和全預(yù)混燃燒裝置的作用得到了理論性的驗證。4.6本章小結(jié)對所設(shè)計的節(jié)能燃?xì)庠钸M(jìn)行了FLUENT仿真驗證。冷態(tài)模擬驗證了燃?xì)庠畹目尚行?，發(fā)現(xiàn)其可以正常的通入燃?xì)馀c空氣，燃燒過后的煙氣也能很好的流出去，在燃?xì)庠顑?nèi)氣體是可以流動起來的。熱態(tài)模擬中，驗證了節(jié)能燃?xì)庠铧c火后的情況。結(jié)果表明燃?xì)饪梢哉Ｈ紵紵^后的高溫?zé)煔庖岔樌魅霟煔庥酂峄厥绽醚b置，且裝置內(nèi)的空氣在流入預(yù)混器前已被加熱。蜂窩板也發(fā)揮了應(yīng)有的作用，在溫度達(dá)到800℃后可以發(fā)出熱輻射加熱廚具。但是，得到的結(jié)果只能作為參考使用，模擬結(jié)果無法對其效率進(jìn)行計算，若需進(jìn)一步的驗證其節(jié)能性能，還需利用實物對其進(jìn)行實驗。此外，本次模擬是在理想條件下進(jìn)行的，沒有考慮污染物的排放、安全及壽命等問題，若需進(jìn)行實物實驗，還需對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

5總結(jié)與展望5.1總結(jié)近些年來，經(jīng)濟(jì)不斷的發(fā)展，人們也越來越追求生活品質(zhì)了，燃?xì)庠钜簿统闪思彝ヅ腼兊氖走x，因此燃?xì)獾南牧恳簿驮絹碓酱?，但就燃?xì)獾氖褂们闆r來看還存在著許多問題。普通家用燃?xì)庠钚势毡檩^低，燃燒過程中的高溫?zé)煔獠⑽词占饋砘厥绽茫斐珊艽蟮睦速M不說，高溫?zé)煔膺€會使周圍環(huán)境溫度上升。本文通過對現(xiàn)有普通燃?xì)庠詈褪忻嫔系墓?jié)能燃?xì)庠钸M(jìn)行分析，運用流體力學(xué)，燃燒理論和傳熱學(xué)等相關(guān)專業(yè)知識，提出了一種新型節(jié)能燃?xì)庠畹脑O(shè)計思路，運用FLUENT進(jìn)行仿真模擬，從理論上驗證了這個思路的可行性，對提高燃?xì)庠畹木C合性能有一定的實際意義。本文的主要工作和結(jié)論：（1）通過前期查閱相關(guān)資料，了解了燃?xì)庠畹陌l(fā)展史，也弄明白了現(xiàn)有的大氣式燃燒器的主要原理。現(xiàn)有的節(jié)能燃?xì)庠畲蠖疾捎眉t外線燃燒技術(shù)、余熱回收利用技術(shù)、全預(yù)混燃燒技術(shù)中的一種或兩者，由于成本或者材料的限制，很少有全部采用這三種技術(shù)的燃?xì)庠睢＃?）通過對市面上現(xiàn)有的節(jié)能燃?xì)庠畹难芯浚l(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的燃?xì)庠罟?jié)能方式的單一性，決定設(shè)計一款集紅外線燃燒技術(shù)、全預(yù)混燃燒技術(shù)、余熱回收技術(shù)于一體的節(jié)能燃?xì)庠?。?）為了將構(gòu)想變?yōu)楝F(xiàn)實，證明該設(shè)計的可行性，利用軟件對設(shè)計的節(jié)能燃?xì)庠钸M(jìn)行仿真模擬。首先使用solidworks對燃?xì)庠钸M(jìn)行建模，由于燃?xì)庠罱Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，再加上icem軟件劃分結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的模型比較困難，因此選擇可以自動劃分網(wǎng)格的mesh軟件進(jìn)行畫網(wǎng)格，完成后通過微調(diào)其中的參數(shù)調(diào)整網(wǎng)格質(zhì)量，最后再進(jìn)行仿真求解。（4）數(shù)值模擬初步驗證了節(jié)能燃?xì)庠罱Y(jié)構(gòu)的合理性，空氣于燃?xì)饪梢哉５牧魅胗诹鞒?。再進(jìn)行燃燒及傳熱模擬后，發(fā)現(xiàn)余熱回收裝置效果顯著，流入空氣的溫度顯著增加了，證實了余熱回收裝置的有效性。（5）由于是設(shè)置的理想情況下的燃燒，沒有污染物的生成，無法驗證其環(huán)保性。此外，缺乏實物實驗，也沒法驗證紅外燃燒技術(shù)可以讓燃?xì)庠畹臒嵝试黾佣嗌?。雖然有種種局限，但從理論上證明了集三種節(jié)能技術(shù)于一體的節(jié)能燃?xì)庠钤O(shè)計理念是可行的，對提高燃?xì)庠畹臒嵝视幸欢ǖ膶嶋H意義。5.2展望當(dāng)今社會對節(jié)能越來越重視，隨著不可再生能源的日益減少，如何將有限的資源盡可能的完美利用，成為了各國需考慮的主題，因此，發(fā)展節(jié)能技術(shù)的作用就突顯出來了。在所有跟能源相關(guān)的領(lǐng)域都能看到節(jié)能的研究，燃?xì)庾鳛橐豁椚粘Ｏ牡哪茉矗刻嵘?%的利用率都能造成重大的影響。燃?xì)庥幸淮蟛糠质亲鳛榕腼內(nèi)剂媳幌牧?，因此設(shè)計新型節(jié)能燃?xì)庠钣绊懮钸h(yuǎn)?；仡櫲?xì)庠畹脑O(shè)計過程，受經(jīng)驗及知識所限，有些地方的設(shè)計還是有點問題，具體如下：（1）在燃?xì)庠罱５倪^程中，有許多地方進(jìn)行了簡化處理，一些非常精細(xì)的結(jié)構(gòu)可能被忽略了，這些可能會對燃?xì)庠畹陌踩阅茉斐捎绊?。?）在進(jìn)行網(wǎng)格劃分的時候因其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，并未用icem進(jìn)行網(wǎng)格劃分，而是選擇了精度相對較差的mesh劃分網(wǎng)格，這些可能會對仿真結(jié)果造成影響，使其準(zhǔn)確性