引言随着工业生产进入快速发展时期，对能源的需求量逐渐增大。改进燃烧方式、提高燃烧效率、降低能耗与污染物问题的关键在于燃烧器的选择。对于燃烧器而言，混合器可以实现燃料与空气的混合，燃烧器中的混合器通常采用文丘里式和比例式[1-3]。文丘里式引射器结构简单，因此被大量运用在燃烧器中。在实际运行过程中，引射器的引射特性受到各种因素的影响，如引射气压力、出口压力等。参数的变动导致引射器性能下降，从而极大地影响工作效率，因此研究工况参数对引射器的影响规律具有重要意义[4]。本研究通过数值模拟分析，针对工况参数对引射器引射特性的影响规律进行研究，完善引射器性能，使其更好地被应用于生产中。1引射器模型分析1.1引射器基本原理及评价指标本研究中的引射器应用在超低氮燃气燃烧器里，能够在油田等各种恶劣的环境下可靠工作，而且还可以与各种锅炉、烘干炉、焚烧炉和工业加热炉配套使用，具有广泛的适用性。引射器依靠高速流体的喷射作用产生负压，引射另一种低压流体，并在装置中进行动量交换与混合。研究中的引射器结构示意图如图1所示，引射器结构尺寸如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.011.F001图1引射器结构示意图10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.011.T001表1引射器结构尺寸结构尺寸D018.0d14.5D138.0L147.0D232.4L2162.0mm采用引射系数U作为评价指标研究引射性能[5]，引射系数U表示工作喷嘴出口处工作流体的质量流量与被引射流体入口截面处的质量流量之比。U的计算公式如下：U=Q2Q1 (1)式中：Q1——工作气体的质量流量，kg/s；Q2——被引射气体的质量流量，kg/s。采用引射效率η评价引射器工作性能[6-7]，引射器的引射效率η是指单位时间内被引射气体所获得的有效功E2与工作气体在引射器中所消耗的能量E1之比。η的计算公式如下：η=E2E1×100%=Q2P3-P1Q112v02ρ-P3-P0 (2)式中：P3——出口处压力，Pa；P1——喷嘴出口径向断面上的压力，Pa；v0——工作流体在喷嘴处的速度，m/s；P0——喉口断面处的压力，Pa。1.2网格划分及边界条件采用Fluent数值模拟软件对该引射器进行模拟研究，求解过程首先建立引射器的物理模型，通过软件将引射器抽象为数学模型，确定引射器几何模型的空间位置，然后利用ICEM对整个几何模型进行网格划分[8]，如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.011.F002图2引射器结构化网格设定初始边界条件，设置工作喷嘴中工作流体出口为速度边界条件，固定为60 m/s；设置被引射流体空气入口为压力边界条件，范围在0~60 Pa；引射器末尾出口同样为压力边界条件，范围在10~340 Pa。最后进行网格独立性检验，在节约计算成本的基础上，选取适合计算要求的网格数量。为得到更加准确的结果，设定合适的控制求解方程和精度，求解方法为压力速度耦合的SIMPLE算法，湍流模型选择k-ε模型[9-10]，湍动能和湍流耗散率采用二阶迎风差分格式离散。数值计算控制方程主要包括能量方程、质量方程和动量方程。计算完所需分析模型后，对计算结果进行保存，最后用Fluent后处理器，对计算结果进行处理分析。2模拟结果与分析2.1工作流体入口速度v的影响选取喷嘴直径d1分别为2、3、4.5、6 mm，研究工作流体入口速度v对引射系数U的影响。设置v分别为20、25、30、35、40、45、50、55和60 m/s，共9个工况进行研究分析，其中P2和P3不变，共计36组数据。不同喷嘴直径d1对应的引射速度v对U的影响，如图3所示。由图3可知，v越大U值越小，这是因为当v增大，Q1增大则U随之减小。v减小造成喷嘴出口附近压力增大，混合气体在压缩段中的混合边界层增大，从而造成工作流体和被引射流体质量流量增大。反之v增大导致喷嘴处与空气入口处压差降低，导致U减小。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.011.F003图3不同喷嘴直径d1下引射速度v与U的关系另外当喷嘴直径d1确定时，U随v的增大逐渐减小并趋于稳定。当v不断上升时，引射器尺寸大小固定，混合流体流经侯口处由于流通能力增大到极限，从而导致拥塞。无论工作流体速度发生怎样的变化，都对被引射流体的质量流量不产生显著影响，因此U逐渐趋于稳定。2.2被引射气体压力P2的影响设置工作流体速度固定为60 m/s不变，设置出口压力固定为90 Pa不变。选取被引射压力为0~60 Pa，每增加10 Pa为一个工况，研究被引射压力对引射器引射特性的影响。经过模拟实验得到的数据，还计算出每组工况下的引射效率η，U和η随被引射压力P2的变化曲线图如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.011.F004图4U和η随被引射压力P2的变化曲线引射系数U随被引射压力P2的升高，从5.08升高到6.70，这是因为随着被引射压力P2由0增大到60 Pa，使得被引射空气和工作流体之间的压差增大，工作流体引射被引射气体的驱动力增强，从而使更多的空气被甲烷流体卷吸进引射器压缩段，所以U逐渐增大。观察图4可以看出，U随P2的变化趋势呈现线性规律，对7组数据进行拟合得到线性方程U=0.026 65P2+5.062 13。引射效率η随P2的增大而增大，引射效率η和引射系数U成正比，所以P2越大U越大，从而η增大。在实际工业操作中，被引射流体的工况通常由实际工作条件决定，是一个不稳定的因素。虽然被引射流体的工况是维持引射器工作稳定性的重要因素，但是现实生产中很难通过改变被引射流体压力，进而增大引射系数U。2.3出口压力P3的影响为研究出口压力P3对引射特性的影响，设置工作流体速度固定为60 m/s不变，设置被引射压力固定为0不变。选取出口压力为10~130 Pa，每增加20 Pa为一个工况，研究出口压力对引射器引射特性的影响，经过模拟实验得到的数据，计算得出每组工况下的引射效率η，U和η随出口压力P3的变化曲线图如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.011.F005图5U和η随出口压力P3的变化曲线由图5可知，引射系数U随出口压力P3的升高，从7.17降低到4.13，当P3增大到310 Pa时，引射系数U出现负数，即在一定条件下，存在临界出口背压P3(max)，因此在实际运作中应保持出口压力小于临界背压。不同出口压力P3在x轴向位置的静压分布如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.011.F006图6不同出口压力P3在x轴向位置的静压分布由图6可知，出口压力P3越大，侯口处的静压力从-59.32 Pa增大到0.48 Pa，喷嘴出口与被引射流体入口的压差逐渐缩小，导致引射系数U减小。相反引射效率η随出口压力P3的上升而减小，这是因为工作压力固定不变，由式(2)可知，η的决定因素为引射系数U和引射器中被引射流体的增压比P3/P2，引射系数U和增压比P3/P2均与η成正比。由图5和图6可以看出，增压比增加的影响远大于引射系数减小的影响，所以引射效率η总体上升。3结语对燃烧器中引射器进行模拟分析，研究工况参数对引射特性的影响规律，可为引射器的优化运行、提高燃烧效率、降低能耗提供参考。具体结论如下：（1）v越大，U越小，但是U随v增大逐渐减小，并趋于稳定；（2）U和η都与被引射压力P2成正比；（3）U随出口压力P3的升高而降低，当P3增大到一定值时，U出现负数，即在一定条件下，存在临界出口背压P3(max)，η与U成正比增长。