摘 要：以斯特林发动机性能的燃气式加热炉为研究对象，为了更好的研究其均温性，通过改变燃烧器的燃气、空气进气口和尾气出口的数量，研究加热炉内部的流场规律。通过对比不同尾气出口数量对燃气炉均温性的影响，可以看出当尾气出口的数量达到12个后，既确保了温度均匀性的要求，又能满足结构安装的要求。
关键词：斯特林；燃烧器；均温性；FLUENT
斯特林发动机（Stirling Engine）是一种特殊的外燃机，它依靠外部的热源对机器中密封的工质进行加热，通过闭式循环推动活塞做功[1-2]。本文以斯特林发动机性能的燃气式加热炉为研究对象，对燃烧器的结构中变量变化导致的燃烧影响进行了分析研究。随着加热炉燃烧工作情况的变化，炉内的温度均匀性也会发生很大的变化，为了提高加热炉的燃烧性能，寻求燃烧的最佳条件至关重要[3-4]。
为验证本次设计均温燃气炉的特性，对其进行数值模拟分析在燃烧模拟分析中，为了更好地观察燃烧器的流场信息，选取了几个具有代表性的截面来进行对比分析，由于燃气炉内的这些场的分布是三维、非对称的，选取的截面为下X=0，Y=0，Z=0.2，Z=0.4。
1 4个尾气出口对均温性的影响
天然气的燃烧化学方程式如下所示：
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（1）
由上述燃烧公式可知：在燃烧过程中，氧气的量是天然气的2倍，也就是说1mol天然气完全燃烧需要2mol的氧气。由于空气中的氧气含量约为21%，考虑到空气中的氧气并不能完全参与燃烧反应，所以按20%计算。因此在燃烧过程中，空气的量是天然气的10倍，1m3的天然气就需要10m3空气，那么要想发动机功率达到20kW，每小时需要400 m3空气进入加热炉。
加热炉空气进气速度，加热炉燃气进气速度[5]：
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加热炉（1）的炉体结构为1个燃气、1个空气进口，出烟口4个，=28mm。通过建模将网格导入FLUENT对加热炉（1）进行仿真研究，结果如图5到7所示。
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为了更加清楚地了解加热炉内部温度达到稳态时温度的分布状态，截取X=0截面的温度分布图如图1所示。较大部分蓝色低温区域并没有发生改变，说明仍有一部分空气和燃气没有充分接触，没有发生化学反应。同时因为增加了尾气出口，随着废气被排除，燃气炉无法达到设计的功率。所以单纯的改变出烟口的结构设计并不能提高燃烧的效率。
由图2加热炉（1）Y=0截面温度分布可知，当加热炉达到稳态时，加热炉最高温度可达到温度可达2340℃，最低温度1100℃。温度差虽然有所减小，但是并没有实质性的改变。另外由图1可以看出加热炉有一小部分局部区域温度明显高于或低于周围其它部位，导致加热炉整体的温度分布梯度太大，对加热炉性能产生不利影响。
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由图3可以看出增设烟口对于尾气的排出是非常有效的。可以看到靠近热端的截面的温度与一个出烟口相比低温区减少了，而且相比一个出烟口温度更均匀。
212个尾气出口对均温性的影响
加热炉（2）有1个空气进口、1个燃气进口和12个废气出口。为了使加热炉靠近发动机端的黄色高温区区域减少，增加排气管到12个， =17mm。对改变后的加热炉建模后网格如图4所示，将网格导入FLUENT设定参数仿真如图5到7所示：
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由图5加热炉温度分布可知：加热炉被加热一段时间趋于稳定时，最高温度2350℃，最低温度1050℃，而且加热炉内蓝色区域仍然存在。另外在加热炉靠近热端Z=0.4m处可以看到有一小部分区域温度明显高于或低于周围其他部位温度，这是由于性的差异造成的。由于排气管位置没有在最右边位置，导致废气在局部区域流动差而产生高温区域。
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综合图5到图7可以看到，改造后的加热炉加热趋于稳定状态时，温度分布较之前更加均匀，说明燃烧已经较为充分。但靠近热端的截面温度还是有温差，虽然比前面仿真的温差小。由于高温区靠近发动机的截面，这有可能对发动机的长时间工作性能带来很大的影响。这次的仿真的排烟管已经达到12个，继续增加排气管的排烟管的数量会数加热炉机构复杂，而且安装时，排气管过密会使加热炉安装难度增加，炉内均温性的研究需要结合空气进口与燃气进口的改进上。
4结论
数值模拟研究了不同尾气出口数量4个和12个对燃气炉均温性的影响，得出如下结论：
1）增加尾气出口的数量对尾气的排出非常有效，能使燃烧反应更充分，提高加热炉的燃烧效率。
2）增加尾气出口的数量使出口端的温度更加均匀，对加热炉的均温性有重要的影响。
3）当尾气出口的数量达到12个后，既确保了温度均匀性的要求，又能满足结构安装的要求。
4）最高温度2350℃，最低温度1050℃，温差1300℃，温度不均匀度55.3%。
利用控制变量的方法对燃烧器的结构进行分析研究，是个复杂的过程[6-7]。不光涉及到尾气出口的布置，还需要配合燃气进口的布置、空气进口布置、辐射板进行仿真，才能最终得到X截面温度分布图、Y截面温度分布图、Z截面温度分布图，然后分析温度的均匀性，最终得到高燃烧性能的燃烧器结构设计。
参考文献
[1]钟铭亮,李运泽,刘佳,等.斯特林式空间无线能量传输系统设计与仿真[J].太阳能学报,2017,38(1):140-147.
[2]来跃深,高慧岭,刘建设.斯特林发动机用燃气燃烧器设计研究[J].科技视界,2014(1):93-94.
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[4]陈凯.小型斯特林发电测试系统的设计[J].能源与节能,2014(06):3-4.
[5]王应时.燃烧过程数值模拟[M].北京:科学出版社,1986.
[6]汪海贵.采用天然气的小型斯特林冷热电三联供关键技术研究和应用分析[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2004.
[7]王斌.燃油锅炉改油气混烧炉内燃烧过程及NOx生成的数值模拟[D].大连:大连理工大学,2008.
【作者简介】王佳（1981-），女，山东淄博人，西安工业大学工业中心工程师，研究方向：机电系统设计、计算机辅助设计。
【资助基金】陕西省教育厅自然专项（18JK0395），西安科技计划（201805031YD9CG15（5））