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目前燃气热水器的设计，主要是根据经验公式对各个部位进行结构设计和优化。经验公式的优势是能够直观地反映各个参数对燃气热水器特性的影响，然而很难反映内部流场、压力场和温度场等的变化及分布情况。随着数值仿真在流体、传热和燃烧等领域的应用，燃气热水器的燃烧和换热系统的研究引入这种研究手段势在必行。
本文基于国内某公司燃气热水器样机结构，利用软件Creo构建布风系统、燃烧器、燃烧室和换热器三维物理模型，并根据各部分的功能特性及结构特点，在软件Workbench中提取仿真物理模型，将处理好的模型导入软件ICEM划分网格，并进行局部网格细化，为数值计算提供基础，具体研究结果如下：
1.对布风系统稳压室进行结构优化。分析稳压室中流场云图、静压图和出口气流速度分布情况，对比稳压室中有无V型导流板对流场均匀性和气流出口速度分布的影响。结果表明，加装V型导流板的稳压室流场更为均匀，且布风板孔气流出口速度相对较为平均，这更有利于一次空气和二次空气均匀地进入混合阶段和燃烧阶段；
2.对大气式燃烧器进行火孔排布方式优化。对照了三种火孔排布方法(即第一种：9个火孔为一组，共4组火孔；第二种：4个火孔为一组，共8组火孔；第三种：第四组火孔中密封第二个火孔)对流场、压力场和气流出口速度的影响情况，结果表明，第三种燃烧器的稳定性和气流出口的均匀性均表现出优势。对一次空气的引射能力进行分析，结果表明，第一种模型一次空气系数最大，原因是其火孔面积最大，对于气流的阻碍作用较小，从而能够引射较多的空气；第三种模型一次空气系数偏小，其原因是火孔面积最小，气流受阻碍作用大，一次空气系数偏低，但是当在燃烧器进出口附加工作时的压力时，第三种模型一次空气系数达到0.8，大于0.6(燃气式燃烧器)。因此，第三种模型能够在设定负荷下完成稳定燃烧；
3.对燃烧室高度进行优化。以最大负荷(900Pa)时火孔处气流出口速度、甲烷和一次空气摩尔分数为燃烧室进口边界条件，进行数值仿真。通过对燃烧室中温度场，以及烟气中各组分(CO、CH4等)浓度进行分析，得24L强鼓式燃气热水器，最大负荷(900Pa)时，燃烧室的最佳高度约为160mm；
4.对翅片管换热器进行数值仿真研究，以验证其在设计最大负荷(900Pa)时的换热能力。由于翅片数目较多且薄，无法对整个换热器进行数值仿真，因此对仿真模型进行优化处理，截取其中2个翅片和2个烟气流域为模拟对象，分析烟气与冷水在换热过程中，烟气的流场和温度场变化情况。结果表明，所设计的翅片管换热器基本可以满足24L燃气热水器烟气-冷水对流换热要求，当烟气进入换热器部分的温度为1300℃时，仿真计算得烟气出口温度为198℃，根据能量守恒可计算出24L/min的燃气热水器，进口为20℃的冷水通过换热器后出口温度为40.3℃，烟气和水换热的换热系数约为60W/(m2k)。
本文基于国内某公司燃气热水器样机结构，利用软件Creo构建布风系统、燃烧器、燃烧室和换热器三维物理模型，并根据各部分的功能特性及结构特点，在软件Workbench中提取仿真物理模型，将处理好的模型导入软件ICEM划分网格，并进行局部网格细化，为数值计算提供基础，具体研究结果如下：
1.对布风系统稳压室进行结构优化。分析稳压室中流场云图、静压图和出口气流速度分布情况，对比稳压室中有无V型导流板对流场均匀性和气流出口速度分布的影响。结果表明，加装V型导流板的稳压室流场更为均匀，且布风板孔气流出口速度相对较为平均，这更有利于一次空气和二次空气均匀地进入混合阶段和燃烧阶段；
2.对大气式燃烧器进行火孔排布方式优化。对照了三种火孔排布方法(即第一种：9个火孔为一组，共4组火孔；第二种：4个火孔为一组，共8组火孔；第三种：第四组火孔中密封第二个火孔)对流场、压力场和气流出口速度的影响情况，结果表明，第三种燃烧器的稳定性和气流出口的均匀性均表现出优势。对一次空气的引射能力进行分析，结果表明，第一种模型一次空气系数最大，原因是其火孔面积最大，对于气流的阻碍作用较小，从而能够引射较多的空气；第三种模型一次空气系数偏小，其原因是火孔面积最小，气流受阻碍作用大，一次空气系数偏低，但是当在燃烧器进出口附加工作时的压力时，第三种模型一次空气系数达到0.8，大于0.6(燃气式燃烧器)。因此，第三种模型能够在设定负荷下完成稳定燃烧；
3.对燃烧室高度进行优化。以最大负荷(900Pa)时火孔处气流出口速度、甲烷和一次空气摩尔分数为燃烧室进口边界条件，进行数值仿真。通过对燃烧室中温度场，以及烟气中各组分(CO、CH4等)浓度进行分析，得24L强鼓式燃气热水器，最大负荷(900Pa)时，燃烧室的最佳高度约为160mm；
4.对翅片管换热器进行数值仿真研究，以验证其在设计最大负荷(900Pa)时的换热能力。由于翅片数目较多且薄，无法对整个换热器进行数值仿真，因此对仿真模型进行优化处理，截取其中2个翅片和2个烟气流域为模拟对象，分析烟气与冷水在换热过程中，烟气的流场和温度场变化情况。结果表明，所设计的翅片管换热器基本可以满足24L燃气热水器烟气-冷水对流换热要求，当烟气进入换热器部分的温度为1300℃时，仿真计算得烟气出口温度为198℃，根据能量守恒可计算出24L/min的燃气热水器，进口为20℃的冷水通过换热器后出口温度为40.3℃，烟气和水换热的换热系数约为60W/(m2k)。