大气式燃气灶数值模拟及优化研究

摘要

天然气作为一种高效清洁能源与化工原料，已进入激烈竞争时代，而蓬勃发展的城市燃气事业使燃气灶具行业面临新的机遇与挑战。当前国内市场上的燃气灶具品种众多，固然具有美观大方、占地面积小、与厨房总体概念相符等优点，然而却广泛存在着热效率较低、烟气中有害气体（特别是CO气体）含量较高等缺点。并且家用燃气灶的传统实验研发方式存在着周期长、成本高等缺点。数值模拟方法的兴起和发展，为燃气灶具的设计和优化提供了便利，能够有效地缩短工程周期和节约成本。本论文利用数值模拟和实验相结合的方法对影响家用燃气灶性能的关键因素进行定性与定量分析研究，并将研究结果用于指导家用燃气灶的开发，以达到提高家用燃气灶性能的同时减少燃气灶实验研究的人力物力的目的。
　　本论文以大气式燃气灶作为研究对象，建立三维物理模型，采用Realizable k-ε湍流模型、DO辐射模型及涡耗散燃烧模型，进行燃气灶数值模拟分析，并得出相应的速度场分布、温度场分布及烟气浓度场分布，通过从燃气灶温度场、烟气浓度场及热效率三方面，对比分析现场测量结果和数值模拟结果，对比结果显示:锅壁附近温度场的现场测量值与模拟值相对误差仅为7.69％～8.75％; CO浓度的现场测量值与模拟值相对误差为8.40％;实际热效率与数值计算热效率相对误差仅为1.26％，验证了建立的大气式燃气灶模型的可行性。
　　基于已建立的大气式燃气灶数值模型，研究外圈火孔倾斜角、锅支架高度、一次空气系数及火孔孔径等因素对燃气灶性能的影响，重点分析各因素对燃气灶燃气燃烧温度场、烟气中CO浓度场及热效率的影响。根据单因素分析结论，建立正交试验，并得出上述因素对燃气灶热效率影响显著性及最优参数组合:内外圈火负荷分配系数影响最为显著，锅支架高度次之，外圈火孔倾斜角最差;最优参数组合为:锅支架高度为15mm，外圈火孔倾斜角为27°，内圈火负荷分配系数为0.10。
　　根据正交试验结果重新铸造燃气灶实物模型，并建立相应的实验系统，对热负荷、热效率、一次空气系数及烟气浓度等参数进行实验测量，通过对比锅壁附近温度场、烟气浓度场及热效率的模拟值与实验测量值，说明了最优模型模拟结果的准确性，对今后家用燃气灶的研究和设计具有一定的指导意义。

目录

声明

摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 家用燃气灶简介

1．2．1 家用燃气灶结构介绍

1．2．2 家用燃气灶的发展

1．3 国内外家用燃气灶研究现状

1．3．1 国内家用燃气灶研究现状

1．3．2 国外家用燃气灶研究现状

1．4 课题的研究思路和目标

1．5 课题的研究内容

1．6 本章小结

第二章 大气式燃气灶模型的建立

2．1 燃气灶物理模型介绍

2．2 网格划分

2．3 燃气灶的数值模拟

2．3．1 求解器的选择与设置

2．3．2 模型的选择

2．3．3 材料物理属性设置

2．3．4 操作参数和边界条件设置

2．3．5 初始化设置

2．4 模型可行性分析

2．4．1 模拟结果分析

2．4．2 现场测量结果与模拟结果对比

2．5 本章小结

第三章 大气式燃气灶性能的影响因素分析及优化

3．1 新款燃气灶模型的建立

3．1．1 新款燃气灶物理模型介绍

3．1．2 新款燃气灶网格划分

3．2 因素对燃气灶性能的影响

3．2．1 外圈火孔倾斜角对燃气灶性能的影响

3．2．2 锅支架高度对燃气灶性能的影响

3．2．3 一次空气系数对燃气灶性能的影响

3．2．4 内外圈火负荷分配系数对燃气灶性能的影响

3．2．5 火孔孔径对燃气灶性能的影响

3．3 影响因素优化

3．3．1 正交试验因素及水平的选择

3．3．2 正交表的建立及其结果分析

3．4 本章小结

第四章 大气式燃气灶实验及验证研究

4．1 实验系统设计与组成

4．1．1 实验目的

4．1．2 实验系统

4．1．3 实验步骤

4．1．4 实验测量数据

4．2 实验数据分析

4．2．1 参数计算方法

4．2．2 测量工况

4．2．3 最优模型燃气灶实验测量数据计算

4．3 实验数据和数值模拟结果对比分析

4．3．1 温度场对比分析

4．3．2 烟气浓度场及热效率对比分析

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文