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学校代码：10286分类号：TK16密级：公开UDC：620学号：110395大气式燃气灶数值模拟及优化研究研究生姓名：张强导师姓名：黄亚继教授申请学位类别工学硕士学位授予单位东南大学一级学科名称动力工程及工程热物理论文答辩日期2014年05月08日二级学科名称热能工程学位授予日期2014年月日答辩委员会主席卢平教授评阅人卢平教授沈德魁研究员2014年05月12日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，故有必要对家用燃气灶具的综合性能从安全、节能及环保等多方面进行研究与讨论。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。运用Gambit软件建立大气式燃气灶三维物理模型，选择Realizablek-ε湍流模型、DO辐射模型、组分输运及涡耗散燃烧模型等数学模型，建立燃气灶燃烧的数值模型，并对燃气灶典型工况进行数值模拟分析，得出相应的速度场分布（包括引射器内速度场、灶头内速度场及燃烧火焰速度场）、温度场分布（包括火焰燃烧温度及锅壁附近烟气温度场）及烟气浓度场分布（包括O2、CO及CO2浓度场）。通过从燃气灶温度场（主要从锅壁附近烟气温度场分布）、烟气浓度场（主要是CO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：测量结果和模拟所得的温度场分布相对误差为7.69%~8.75%；CO浓度测量结果和模拟结果的相对误差为8.40%；实际热效率和数值计算热效率的相对误差仅为1.26%，充分验证了建立的大气式燃气灶模型的可行性。基于燃气灶可行性研究，对新款高效大气式燃气灶性能的影响因素进行分析与优化研究，其中包括各因素对燃气燃烧火焰温度场的影响、对燃气灶热效率的影响及对燃气燃烧的烟气中CO浓度场的影响。根据单因素研究，进行了正交试验，获得了影响因素对燃气灶热效率影响显著性及最优参数组合（最优模型），其主要结论如下：(1) 外圈火孔倾斜角对燃气灶性能的影响：随着火孔倾斜角增加，外圈火焰的内焰温度降低、长度略有缩短，外圈火焰的外焰温度也有所降低、长度略有缩短；内圈火焰的内焰温度略有降低但其长度变化不大，内圈火焰的外焰温度略有降低且形状变宽长；CO浓度呈现线性上升趋势；内外圈火皆存在时，外圈火孔最佳倾斜角为27°，其热效率为60.48%，CO浓度为178.5ppm；只存在外圈火时，外圈火孔最佳倾斜角为43°，其热效率为62.8%，CO浓度为200ppm。(2) 锅支架高度对燃气灶性能的影响：随锅支架高度增加，外圈火焰的内焰温度升高、长度变化不大，外圈火焰的外焰温度变化不大、长度增加；内圈火焰的内焰温度下降、长度变短，内圈火焰的外焰温度与长度变化无差异；CO浓度呈线性下降趋势；内外圈火孔皆存在时，最佳锅支架高度为19mm，其热效率为62.43%，CO浓度为265.2ppm；只存在外圈火孔时，最佳锅支架高度降至15mm，其热效率为63.15%，CO浓度为285.6ppm；当锅支架高度范围为17mm-23mm，采用多环火焰有利于燃气灶性能的提高；反之锅支架高度范围为13mm-17mm，采用单环火焰有利于燃气灶性能的提高。(3) 一次空气系数对燃气灶性能的影响：随着一次空气系数增加，外圈火的内焰与外焰温度皆略有下降，内外焰长度也略有缩短，内圈火基本无变化；当α1=0.65时，火焰温度与热效率达到最高，其热效率为60.5%，CO浓度为230ppm。(4) 内外圈火负荷分配系数对燃气灶性能的影响：当γ=0时，即所有燃气负荷给予外圈火，混合气速度较大，火焰较长；只有外圈火存在时，其内焰温度最高；随着内圈火负荷的增加，内圈火的轮廓逐渐清晰，内圈火的内焰与外焰温度和长度逐渐增加；外圈火的内外焰温度略有降低，内焰宽度与长度均有减小，外焰宽度与长度变化不大；随着内圈火负荷分配系数增加，其烟气中CO浓度持续增加，当γ=0时，即只采用外圈火时，其热效率最高（约为60.4%），CO浓度最低。(5) 火孔孔径对燃气灶性能的影响：内圈火焰温度场及形状皆无变化；随着外圈火孔孔径增加，外圈火焰的内焰温度略有上升，长度略有变宽长；外圈火焰的外焰温度略有降低，长度变宽长；随着火孔孔径增加，烟气中的CO浓度在持续的增加，其燃气