1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

1、选题背景和意义

随时代发展和科技进步，化石燃料的使用量在最近几十年呈指数级增加趋势，其燃烧产生的温室气体和有害气体正快速改变着我们的大气环境。中国拥有较为丰富的化石能源资源。其中，煤炭占主导地位，但石油、天然气资源储量相对不足。且中国人口众多，人均能源资源拥有量在世界上处于较低水平，石油、天然气人均资源量仅为世界平均水平的1/15左右。我国是世界第二大能源消耗国，但对能源的整体利用效率偏低，总体能源利用率为33％左右，比发达国家低约l0个百分点，以致造成严重的能源损失与环境污染^[1]。而其中作为大气污染的来源之一，厨房燃气灶具燃烧所生成污染物产生的影响正日益加重。

目前我国大中城市居民家庭用燃气灶普及率已超过80％，但产品的技术含量、工艺水平和可靠性与国外先进水平相比还有一定距离，大多数燃具生产企业也未能从实质上解决燃气灶热效率低、能耗大、局部过热等问题^[2]。燃气灶具使用过程中会产生一氧化碳、二氧化硫和氮氧化物(NOx)等有害气体，而氮氧化物严重危害环境和人体健康。对于民用灶具而言，实现低NOx甚至无NOx排放最为有效的办法是实现全预混燃烧，工程中习惯称其为全预混式灶具。正如徐鹏等人所述，燃气全预混燃烧方式本身具有低NO排放的诸多优点，几乎不存在化学不完全燃烧现象，且燃烧温度很高。如果加以合理利用，既环保又节能，可以开发出非常有前途的各种用具^[3]。

全预混引射器是实现燃气灶具全预混燃烧的关键部件。引射器是利用射流的紊动扩散作用，使不同压力的两股流体相互混合，并引发能量交换的流体机械和混合设备^[4]，可以实现燃料的完全燃烧，有效降低污染物的产生。引射器结构简单，易于加工且成本较低，工作可靠性好，安装维护方便。因此，合理优化设计全预混引射器的结构尺寸可以做到在降低氮氧化物排放的同时保持低水平的CO排放。其引射能力直接影响燃烧器的燃烧效率、污染物的排放等，所以全预混引射器的设计对节能降耗和降低污染物排放具有重要意义，这也使其成为民用燃气灶的研究重点之一。

2、引射器现有研究技术

国内外对引射器的研究和应用已有较长历史，早在16世纪，就已经有人发现两股流体的混合现象。但由于早期研究理论并不能完全解决引射器设计中的诸多问题以致引射器的研究发展缓慢，直到20世纪30年代，随流体力学和空气动力学的发展，引射器的应用和研究工作才真正成型。引射器主要由工作喷嘴、吸入室、混合室及扩压室等部件组成（图1）。赵静野等人详细介绍了引射器的工作过程^[5]。进入装置前，压力较高的流体叫做工作流体，它以很高的速度从喷嘴流出，进入吸入室，由于射流的紊动扩散作用，卷吸周围的流体而发生动量交换，被吸走的压力较低的流体叫引射流体。工作流体与引射流体在混合室内混合，进行动量和质量交换，在流动过程中速度渐渐均衡，这期间常常伴随压力的升高。在工作过程中，各个部件相互关联并进而影响引射器性能。喷嘴的作用是将高压工作流体降压加速转变为高速射流，进而使射流卷吸引射流体。在吸入室内引射气体被大量带走，压力下降，不断有被引射气体补充进来，从而完成输送和加压的功能。在混合室中，随主被动气流的混合，沿混合室轴线方向气流静压不断升高，出口得到均匀的混合气流。

图1.引射器结构简图

引射器广泛应用于动力、石油化工、冶金、轻工纺织、建筑、制冷、工业热工等技术领域。应用于不同领域中的引射器结构和性能会有很大不同，故人们常按引射器中相互作用的流体的状态将其分为3类^[6]：

（1）工作流体和引射流体的状态相同，如气-气引射器，

（2）工作流体和引射流体处于不同的状态，而且在混合过程中状态也不发生改变，如气-液引射器，

（3）流体的状态发生改变的引射器。工作流体和引射流体在混合前处于不同的相态，在混合后变成同一相态，即在混合过程中其中一种流体的相态发生改变，如汽-水混合式加热器。

也可以根据压缩比和膨胀比的大小，将弹性介质的同相喷射器分为：

（1）大压缩比和中等膨胀比的喷射器，一般称这类喷射器为气体或蒸汽喷射压缩器，在这类喷射器中，蒸汽或气体作为工作介质和引射介质。

（2）大膨胀比和大压缩比喷射器，这类喷射器通常用在要求保持很高真空的装置上，一般称这类喷射器为气体或蒸汽引射器。

（3）大膨胀比和小压缩比喷射器，一般称这类喷射器为气体或蒸汽喷射器。

应用于同一领域的引射器也会根据其结构或参数的不同进行分类。如在燃气灶具的应用中，低压引射式大气式燃烧器是应用最广泛的燃气燃烧器。由于其燃烧所需空气是靠燃气的高速射流吸入，不需要动力设备，且燃烧器引射空气的能力在一定范围内只与燃烧器的结构有关，而与燃烧器的工作状况无关，即空气引射系数不随负荷的变化而变化^[7]。根据主、被动气流的混合特性，引射器可分为等截面混合引射器与等压混合引射器等几种。等截面混合引射器的混合室为一等截面的圆柱段，主流喷管的起始截面与混合段的起始截面重合。在混合段内存在一个由喷管出口至被流堵塞截面的初始段，假定在初始段内主流与被引射气流间不发生混台，沿混合室轴线方向气流静压不断升高，出口得到均匀的混合气^[8]。等压混合引射器的混合室由收缩段和平直段构成，在收缩段中，主被动气流在等静压条件下混合，沿轴线方向气流静压基本保持不变，在平直段中，混合后的气流逐渐由超声速变为亚声速，沿轴线方向气流静压快速升高^[9]。

引射器种类繁多，但都可以用能量守恒定律、质量守恒定律和动量守恒定律来描述。影响引射器性能的因素很多，如流体状态因素和引射器结构因素等，这也使理论计算结果往往具有很强的局限性，应用推广起来相当困难。随着计算机技术和计算流体力学的迅速发展，采用数值方法模拟求解引射器流场的方法被普遍采用，大大简化引射器的设计与优化过程。在我国燃气灶具中，热效率低、能耗大、局部过热等问题仍普遍存在，这在一定程度上是由于我国应用在燃气灶上的引射器引射效率不高，不能使燃气与空气达到全预混的效果导致的。虽然现如今国内外对引射器设计优化的研究已经日臻完善，但在实际应用中仍然存在许多限制引射效率提高的因素。所以分析理解引射效率的影响机理，促使燃气与空气达到全预混效果是本课题所要研究分析解决的重点所在。

3、国内外研究现状

虽然引射器的工作原理简单，但内部流动过程相当复杂，通过实验难以获得燃烧器内部流动的真实信息，例如速度场、浓度场和压力等分布。引射器的性能可从多方面衡量，如引射效率、增压比、噪声和运行时间等。随着计算流体力学的飞速发展，越来越多的研究人员和公司通过利用CFD来进行数值模拟以分析引射器内部流场与流动状态的方法来设计引射器。同时由于影响引射器性能的因素较多，所以还必须通过实验测量来验证模拟结果，以对数值模拟结果进行修正。通过分析各个结构部件对引射器的影响，并找出结构尺寸大小和各个部件相对位置对引射器性能的影响规律，为引射器结构和性能优化提供依据。

3.1 数值模拟与实验测量研究现状

冯良等人利用计算流体力学(CFD)，对燃气大气式燃烧器引射器的流场进行模拟研究，形成燃气的速度场、压力场、浓度场等流体状态参数，同时CFD软件可以很容易实现变结构的流动计算，并能提供详细的流体状态信息，从而对燃烧器的工作状态有一个全面的了解，以达到设计引射器的目的^[10]。

倪娟娟等人通过实验和数值模拟对比一次空气系数和质量引射系数，验证数值模拟软件的可靠性，再利用CFD软件对引射器进行参数化研究。通过对整个燃烧器进行数值模拟和实验对比，作者发现数值模拟误差很小，适合目前结构的仿真计算^[11]。

陈辉借助FLUENT分析软件、计算流体力学（CFD）的方法，实现了对蒸汽喷射器内部二维流场的数值模拟，对计算流体力学的基本思想、控制方程及其离散化、区域离散、湍流方程、离散方程的求解等CFD方法中的重要内容进行了阐述。详细介绍用计算流体力学实现喷射器数值模拟的过程，建立数学模型。详细给出喷射器内部流场，观察喷射器在不同工况及不同结构下流场的变化，进一步了解喷射器性能发生变化的内在机理。对模拟结果进行归纳，详细探讨工作流体、引射流体及混合流体对喷射器性能的影响^[12]。

O.Samak#233;等人使用多变效率来解决加速和减速过程中的不可逆性，而不是之前研究中使用的等熵效率；去除了关于混合过程的假设在所有以前的研究中在恒定压力或恒定区域发生的简化^[13]。

3.2引射器性能影响因素的研究现状

引射器的计算中涉及多个尺寸结构的设计，各个结构之间彼此相互关联，进而对引射器性能产生复杂影响。

钟芬等人研究了引射器引射性能的主要影响因素，其中包括：引射器喉部直径、引射器出口压力及喷嘴距离等。结果表明引射器的引射系数随着引射器出口压力的减小而增大，喷嘴距离与引射系数的关系并不是简单的线性关系，受引射器喉部直径和喷嘴直径的相对大小影响^[14]。

张喜来等人提出喉嘴距与面积比是影响引射器性能的两个主要参数。在流动参数一定时，引射器的喉嘴距与面积比都有一个最佳值。喉嘴距过大或面积比过小都有可能引起工作流体倒流人被引射流体管道^[15]。

唐建峰等人在给定气源参数的基础上，分别研究喷嘴距、吸入口直径、混合段直径与喷嘴出口直径之比以及混合段长度对引射器性能的影响。结论为：气体引射器存在一最优喷嘴距使其性能最佳，不同引射压力和出口压力对应的最优喷嘴距不同；吸入口直径越大，引射器性能越好，性能随引射压力的变化幅度越大；喷嘴出口截面积一定时，混合段存在一最优直径使引射器性能最佳^[16]。

陈吉明等人介绍了常温空气介质情况下引射器混合室不同设计参数试验件的数值模拟和实验研究结果^[17]；针对单喷嘴和多喷嘴引射器混合室收缩段长度、平直段长度及平直段截面直径等参数对引射器性能的影响作了对比分析。研究表明：多喷嘴引射器引射性能优于单喷嘴引射器，但多喷嘴引射器启动性能低于单喷嘴引射器；在引射器能正常启动的前提下，平直段直径越小，引射器性能更优；收缩段长度主要影响主、被动气流的混合效果，平直段长度主要影响引射器的启动性能，适当短的平直段长度更有利于引射器的启动。因此对混合室收缩段和平直段长度尺寸的设计需要根据引射器型式（单喷嘴或多喷嘴）合理确定。

谢伟光分析了引射介质和被引射介质的密度、容积引射系数、混合室直径、被引射介质的入口面积等因素对最佳长度的影响^[18]。结果表明引射器混合室的最佳长度，可利用射流理论和圆管中流体稳定流动的断面速度分布规律进行分析和计算；混合管最佳长度与引射介质和被引射介质的密度ρ₁与ρ₂ 、容积引射系数q、被引射介质入口面积f、喉管直径D及引射器混合室内壁的粗糙度等因素有关；被引射介质相对于引射介质的密度大，混合室最佳相对长度就小，反之就大。

当前已有许多文献对引射器性能优化做了详细研究。引射器的优化设计思想主要是寻求其流动特性和几何结构之间的最佳匹配，也就是用一定的几何条件来得到最优的特性要求。

方媛媛等人分析了不同喷嘴位置对引射器各项参数的影响，通过改变不同的喷嘴轴向位置、喷嘴径向位置、喷嘴偏移一定角度研究其对引射性能的影响^[19]：一次空气系数随喷嘴径向位置的偏移逐步减小，喷嘴在对称轴上的一次空气系数最大；随着喷嘴偏移角度的增加, 一次空气系数总的趋势是减小的。

廖达雄等人认为增强混合喷嘴都比常规圆锥喷嘴具有更好的引射综合性能，混合室出口截面总压分布也更均匀^[20]；后缘开六缝喷嘴的综合引射性能最好。实验结果也表明喷嘴参数与引射参数间的优化匹配对引射性能也有影响。使用增强混合喷嘴(开缝喷嘴和花瓣喷嘴)，在增强气流混合效果和提高引射综合性能上均有比较明显的作用。

倪娟娟指出当进风面积相同时，风门开孔位置离喷嘴越近，引射能力越好，风门开孔位置离喷嘴越远，引射能力越差。喷嘴出口截面至喉部的距离在一定范围内时一次空气系数波动不大，当超出此范围后一次空气系数减小，引射能力减小，最终影响燃烧状态引射器结构尺寸影响引射器性能^[11]。

Adrienne B. Little等人采用第一原理模型展示了用于从相对少的可视化数据分辨引射器流场的方法，并且示出了与来自动力喷嘴出口的吸入流的混合，动量和热交换的不断发展的重要性^[21]。

Adrienne B. Littlea等人提出将来的湍流模型要严格地验证用于建模喷射器流的应用，该验证必须在非设计条件下进行，特别注意预测吸入流量。湍流建模的改进将优化喷射器设计，使其能够更具体地适应各个流动特征或条件的几何形状^[22]。

3.3 工质参数对引射器性能影响的研究现状

工作流体的参数同样对引射器性能有较大影响，参数变动会使引射器运行工况和性能发生相应的波动。

姜正良等人提出在一定的引射器结构下，其工作流体与被引射流体压力之比为定值时，引射系数n 随着出口压力增加而减小；沿混合室相对长度增加其扩压比增加^[23]。

严铭卿提出引射器一般参与构成混气系统，在其中引射器有一定的工作状况，即工作在某一特性点上^[24]。这取决于与混气管道的结合，需要引入混气管道的工作特性，将两者联系起来才能确定引射器的工况。

尹群指出影响扩压器总压恢复系数的气动参数主要是进气速度；影响其数值的结构参数主要有扩张锥角和流道扩张比^[7]。此外，引射器扩压段的总压恢复系数还需要计入混合段壁面对气流的摩擦压降。引射器的设计计算是在确定了构造形式后依据喷射气和被引射气的物性参数和工作条件计算出引射器各部份的几何尺寸。

Ali Hakkaki-Fard等人通过数值模拟提出工作流体和被引射流体必须在混合之前处于平行流状态；工作流体需要完全膨胀或过膨胀。这样引射器性能才能达到最佳^[25]。

4、引射器未来发展方向

当前应用于民用燃烧灶上的引射器主要以单级、部分预混的形式存在。这种引射器以燃气引射一次空气的方式实现预混，而一次空气系数在0.4到0.6，不能达到全预混的要求，还是会产生较大能量损失和污染物排放。故针对这一问题，笔者设计了一种全新的可以达到全预混效果的双级引射器。目前也有一些研究文献对双级引射器做了描述，比如：

王时昣介绍了两级吸入式引射器产生的理论基础和所建立的完整的性能数模、最优设计参数方程组以及实验验证^[26]。所提及的双级引射器，通过燃气分两次引射空气达到全预混的目的，这种引射器专门适用于高引射系数的操作条件，动力效率比传统型提高2.5倍以上。同时解决了高引射系数引射器效率十分低下和缺少准确计算方法的难题, 在该类引射器方面取得突破性进展。

杨世调认为二次引射器通过对吸入室入口大小的调节，改变一次引射系数，以调节一次混合后的速度及实际混合出口的焓引起造成二次引射真空度的变化^[27]。再通过对二次引射流的速度及焓值产生影响，完成调节作用。

刘培琴等人提出双级串联喷射器设计的一种简便可行的设计计算方法，并通过实例分析验证了该方法的可行性，从而为笔者设计的双级全预混引射器提供了一定的理论指导^[28]。

浦辉提出了一种可使引射器流量实现线性调节的调节锥型线方程^[29]。为具有良好调节性能的可调式引射器的研制打下基础。

综合以上论述，目前国内外对引射器的设计研究已经具有一套成熟且较为统一的研究方法与设计思路。计算流体力学（CFD）和FLUNT软件被广泛应用于引射器的数值模拟和实验研究，大大降低了设计计算的难度。国内外研究人员对引射器各个结构对其性能的影响也已通过各种实验加以确定，并在已有理论基础上不断加以完善。虽然对引射器的各项研究已日趋完备，但国内外对于引射器的设计计算仍有各种计算公式，形式多样，繁简不一，缺乏一个经过论证的统一的计算公式。这也说明对于引射器的理论分析仍有不完善之处，需要在今后的研究方向中不断优化。

保护生态环境、实现可持续发展，已成为全世界紧迫而艰巨的任务。经济、能源、环境已成为一个不可分割的整体。随着我国国民经济的持续稳步发展，能源需求和消费也呈现快速增长的态势。为缓解因煤炭、电力和石油供应目趋紧张带来的压力，天然气、液化石油气等高效清洁能源正日益受到重视。而在燃气灶具的应用中，为使这些高效清洁能源实现最大效益，燃气灶具的发展必定以提高热效率为根本目标，并在此基础上减少NO_X、CO等污染物的排放。其中全预混引射器作为实现燃料完全燃烧的关键部件，其引射性能的提高直接关系到燃气灶具热效率的提高。因此，在将来全预混引射器必将得到更进一步的发展，它的设计优化也必定会日趋完备。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

1.课题简介及所要解决的问题

在燃气灶具中引射器是燃烧器的重要组成部件之一，它以高能量气体（工作流体）引射低能量气体（引射流体），并使二者混合均匀。引射器结构简单，易于加工，工作稳定性好，且全预混引射器能够实现燃料的全预混燃烧，从而有效提高燃烧热效率，减少co、no_x的产生，降低污染物的排放。当前应用于民用燃具中的引射器多为低压引射大气式，由吸气渐缩管、混合管和渐扩管组成。通过压力稍高的燃气引射空气达到引射目的，但这种引射器并不能使燃气-空气混合物在燃烧前达到全预混的目的。

传统燃烧灶燃烧效率不高且燃烧产物污染物较多，而用于燃烧灶上的引射器主要以单极、半预混的形式存在。这种引射器以燃气引射空气的方式实现预混，而一次空气系数在0.4到0.6，满足不了全预混的要求，还是会产生较大能量损失和污染物排放。