钢管再加热炉炉内温度场和流场分布数值模拟
串 加热设备 工业加热 第３９卷２０１０年第３期
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—１６３９．２０１０．０３．０１２ 钢管再加热炉炉内温度场和流场分布数值模拟
吴成涛 （北京神雾热能技术有限公司，北京１０２２００） 摘要：以某公司钢管再加热炉为研究对象，运用Ｆｌｕｅｎｔ数值仿真软件对钢管再加热炉内温度场和流场进行了数 值模拟，获得该加热炉的温度场和流场的分布图。计算结果为优化炉型结构提供了参考依据。 关键词：钢管再加热炉；数值模拟；温度场；流场 中图分类号：ＴＰ０６２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００２—１６３９（２０１０）０３ ００４１—０３ Ｔｈｅ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，Ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｖｅｃｔｏｒ ｉｎ Ｓｔｅｅｌ Ｔｕｂｅ Ｒｅｈｅａｔｉｎｇ Ｆｕｒｎａｃｅ ＷＵ Ｃｈｅｎｇｔａｏ （Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｓｈｅｎｗｕ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｈｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０２２００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｖａｌｕｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｃａｌｌｅｄ ｆｌｕｅｎｔ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｏｎｅ ｓｔｅｅｌ ｔｕｂｅ ｒｅｈｅａｔｉｎｇ ｆｕｒｎａｃｅ ｉｎ ｓｏｍｅ ｃｏｍｐａｎｙ，ｗｅ ｃａｎ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｒｅｇｕｌａｒｉｔｉｅｓ ｏｆｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｓｈａｌｌ ｐｒｏｖｉｄｅ ｆｉｎｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｆｏｒ ｆｕｒｔｈｅｒ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｒｅ—ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｒｎａｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｕｂｅ ｒｅｈｅａｔｉｎｇ ｆｕｒｎａｃｅ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ；ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ 钢管再加热炉位于连轧机后，张力减径机前，是无 缝钢管生产线上重要的热工设备，其主要作用是对连轧 后的钢管进行再加热，以保证钢管达到张减工序所需的 温度水平，而且要求被加热钢管的表面不能氧化起泡， 加热均匀。 目前再加热炉生产使用中存在的主要问题：炉温要 求高，１ ２７３～１ ３２３ Ｋ才能正常生产；钢管加热温度不 均匀，导致钢管入炉后容易弯曲。以上问题的出现，在 很大程度上影响到生产的顺利进行、产品质量的提高及 消耗的下降。通过试验研究炉内温度，流场等分布耗资 大，时间长，而通过数值模拟却能很好地解决试验存在 的不足，改善炉内温度场，流场等分布，为优化炉型结 构提供了重要的参考数据ｌ１］。 １数学模型及计算方法 再加热炉从装料至出料沿炉长方向分为预热段、加 热段和均热段。钢管在炉内受到炉气对它的对流和辐射 传热。在对再加热炉内钢管温度场建模时，做如下假设 和简化： （１）考虑到钢管在步进的同时实现自动滚翻，故可 忽略钢管沿周向温度分布的不均匀性，将钢管的表面传 热视为沿半径ｒ方向的～维稳态导热； （２）模型中，步进梁及立柱采用无水冷结构，忽略 了齿形梁、步进粱和固定梁在炉内的升温过程； （３）忽略钢管表面氧化对传热的影响； 收稿日期：２０１０—０３—０９；修回日期：２０１０－０５—０４ 作者简介：吴成涛（１９８１一），男，辽宁省沈阳市人，硕士研究生 主要从事工业炉的设计工作． （４）假设该炉煤气燃烧流动与传热是处于正常工作 状态下的稳态过程。 （５）由于烧嘴沿炉宽方向布置 假＝＝乏模型沿炉宽方 向温度分布均匀。 因此可沿炉长方向，在炉体中线处截取一个平面， 针对这个平面进行二：维数值模拟，可近似模拟炉内情况。 模型重点研究满载钢管运行时炉内的温度场和流场分布 情况。 炉内传热以对流换热和辐射换热为主，采用以下数 学模型进行计算。 数学模型Ｌ｝１湍流计算采用标准ｋ～￡湍流双方程模型， 气栩燃烧采用非预混ＰＤＦ几率分布函数的输运方程模型， 辐射换热计算采用ＤＯ（Ｔｈｅ Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｏｒｄｉｎａｔｅｓ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅ１）辐射模型，压力和速度的橘合采用ＳＩＭＰＬＥ算 法，动量方程和后，ｓ方程均采用一阶迎风格式进行对流 项的离散。 模拟计算使用的湍流控制方程如下［ ｑ］。 １）连续性方程（ｍａｓｓ ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｅｑｕａｔｉｏｎ） 雾＋亘 ＝。 （１） 式中：Ｐ为流体密度，ｋｇ／（ｍ・Ｓ）：ｆ为时间，（Ｓ）；Ｕ为速 度，ｍ／ｓ；Ｘ为坐标；，取１，２，３。 ２）动量传输方程（ｍｏｍｅｎｔｕｍ ｅｑｕａｔｉｏｎ） 方程形式为（以方向为例）： 缶（，Ｊ ）＋茜（鹏 。 ＋ 去 一舞＋ 一 杀 ＋ 一 厂 式中： 为黏性系数，ｋｇ／ｍ ：Ｐ晨表面力，包括静压力和 ４１
加热设备 流体黏性应力 Ｐ为压力，Ｐａ；ｉ＝１，２，３。 是作用于 单位体积流体反方向的阻力，Ｎ／ｍ ，它在流体通过多孔 介质或在有相间运动的多相流体中是必须考虑的。动量 方程中体现表面力作用的项羔Ｐｆ，分为三个部分：压力梯 度项、扩散项和其余部分。 ＝专Ｉ“茜）一舞＋［去 舞 …
３．ｉ（ｐＯｘ ）］ａ 『ｌ ｇ 是作用于单位体积流体ｉ方向的体积力，Ｎ／ｍ 。它 可表示为 ｇｉ＝ｐｉｉａｇ （４） 式中：ｉｉ是防向的单位矢量；ａｇ是重力加速度，ｍ／ｓ 。 ３）能量传输方程（ｅｎｅｒｇｙ ｅｑｕａｔｉｏｎ） ＋专ｃｐ ＝茜 ）＋鲁 ㈤ 式中：助包括动能的总热焓，Ｊ。它由静态热焓的表达 式给出： Ｈ＝ｈ＋ｌｕ２＝ ｃＰ（ ）ｄ 一ｆｏＴ＂ｆＣｐ（ ）ｄ ＋专 （６） 式中：Ｑ ｄ和 分别为辐射与化学反应热源项，ｗ／（ｋｇ・ ｍ ）；Ｆｈ表示热交换系数，ｋｇ／（ｓ・ｍ），其定义为 Ｆｈ＝÷ （７） ｆ为参考温度，Ｋ； 为有效导热系数，Ｗ／（ｍ・Ｋ）；Ｃ 为比定压热容，Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）。 ４）组分质量守恒方程（ｓｐｅｃｉｅｓ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ） ＋南ｃ 专 等 ㈦ 式中： 为组分Ｓ的热交换系数，ｋｇ／（ｓ・ｍ）；Ｒｓ为组分Ｓ 由于化学反应引起的生成或消耗率。 ５）双方程ｋ—ｓ ，＝Ｃ 尼 ／ｅ （９） Ｌ 其中湍动能耗散率 ｓ＝ＣＤ竿 （１０） ６）湍动能尼方程 ＋ ＝茜 茜） 苦（等＋等） ｛ 一Ｃｏｐ等 （１１） 式（９）一式（１１）中：，为湍流长度，ｍ；ｃ 为比例系 数；ｃ ＝０．０９。 ２钢管再加热炉计算实例 本文采用Ｆｌｕｅｎｔ数值仿真软件作为模拟工具，针对 某厂再加热炉炉型优化前后的温度场和流场进行数值模 拟分析比较。再加热炉有效长度７．６１６ｍ，内宽１１ ｍ，本 加热炉按照最大产量２５ ，单耗０．５ ＧＪ／ｔ配备燃烧供热 系统。燃料为冷发生炉煤气Ｑ ＝５ ０２３ ｋＪ／ｍ ，冷发生炉 煤气的组成见表ｌ［引。 ４２ 工业加热 第３９卷２０１０年第３期 表１冷发生炉煤气的组成 ％
钢管人炉温度７５０～８５０℃，出炉温度８５０～９８０℃。 当全炉满料时，炉内装３５根钢管，钢管外径０．０８ｍ，侧 进侧出。 优化前采用的炉型，钢管中心线距炉底０．１３ ｍ，加 热效果较差，模型图如图１所示。为改善钢管在炉内加 热情况，保持钢管中心线以上炉型不变的情况下，增加 支撑梁，抬高钢管，优化后钢管中心线距炉底０．６７ ｍ，如 图２所示。
图１优化前模型图
图２优化后模型图 采用二维模型进行模拟，以沿炉长方向的截面进行 研究，应用Ｇａｍｂｉｔ软件进行建模并划分计算网格，优 化前的模型划分为６８ ５８９个网格，优化后的模型划分为 １０１ ５４５个网格。 初始条件和边界条件：空气人口温度５７３ Ｋ，质量流 量０．０４１ ８ ｋｇ／ｓ；煤气入口温度３００ Ｋ，质量流量０．０３９ １ ｋｇ／ｓ；炉气出口压力一２１０Ｐａ，回流温度ｌ ２７３ Ｋ；侧墙热 流密度一９５２ Ｗ／ｍ ，炉顶热流密度一５４１ Ｗ／ｍ ，炉底热流 密度一１ １５５．８ Ｗ／ｍ ；人炉时钢管外表面温度１ １７３ Ｋ。 ３计算结果与分析 图３所示为优化前等温线分布图，烧嘴喷出的高温 炉气温度在炉顶附近为１ ５５０ Ｋ，炉底附近为１ ２９０ Ｋ，炉 气温差为２６０ Ｋ，钢管附近为１ ４２０ Ｋ。图４所示为优化 后等温线分布图，烧嘴喷出的高温炉气温度在炉顶附近 为１ ５１ ０ Ｋ，炉底及钢管附近为１ ４５０ Ｋ，炉气温差为 ６０ Ｋ；虽然炉型优化前后炉温都达到了正常生产的要求， 但优化后钢管上下温差小于优化前，钢管辐射换热上、下 部相对均匀。
串 加热设备 《工业加热》第３９卷２０１０年第３期
ｌ９ １２９０Ｋ ｌ３６０Ｋ 图３优化前等温线分布图 ｌ９３０Ｋ
图４优化后等温线分布 图５为优化前的流场分布图，烧嘴出口处速度最高 达到４．２６ ｍ／ｓ，钢管上部气体流速为０．２０５～１．０３ ｍ／ｓ， 钢管下部气流速度为０．２０５～０．８０２ ｍ／ｓ。图６为优化后 的流场分布图，烧嘴出口处速度最高达到４．６２ ｍ／ｓ，钢管 上部气体流速为０．４６２～１．６２ ｍ／ｓ，钢管下部气流速度为 ０．６９４～１．３９ ｍ／ｓ。优化前钢管附近炉气平均流速约为 Ｏ．３ １ ｍ／ｓ，钢管附近炉气的平均温度为１ ４２０ Ｋ，优化后 钢管附近炉气平均流速约为Ｏ．５７８ ｍ／ｓ，钢管附近炉气的 平均温度为ｌ ４５０ Ｋ。 ４
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馥翱。２ ０．）０ ｌｎ恕 图５优化前的流场分布图
图６优化后流场分布图 由下式算得平均对流换热系数【Ｗ／（ｍ。・Ｋ）】： ｈ＝Ｎｕ－￣ （１２） 式中：Ｎｕ为努塞尔数； 为炉气换热系数，取１２．６２Ｗ／（ｍ‘ Ｋ）；妫钢管半径，ｍｌＴｌ。 计算得优化前钢管附近平均对流换热系数为８ ｗ／（ｉ－１－１２・ Ｋ），钢管附近炉气平均对流换热热流密度为１ ８５６ ｗ／ｎ１ 。 优化后钢管附近平均对流换热系数为】０．５ ｗ／（ｍ２・Ｋ）， 钢管附近炉气平均对流换热热流密度为２ ７５１ ｗ／ｍ ＿６ 。优 化后钢管对流换热强度比优化前的高，因此优化后对流 换热优于优化前。 图７为优化前速度矢量分布图，由图７可见在炉内燃 料和空气经烧嘴喷出后，在预热段没有形成涡流，烟气快 速的排出，排烟温度较高；在加热段和均热段各形成了１ 个涡流区域，相距较远，致使加热段中部温度低：．ｆ两端温 度。图８为优化后矢量分布图，由图８可见在预热段形成 了】个涡流，钢管整体包围在这个涡流中，延长了炉气在 炉内停留时间，降低了排烟温度。在加热段和均热段形成 了１个涡流，并且气流穿过钢管，加热段和均热段形成～・ 个整体区域的对流换热气氛，加热炉中部温度高两端低， 加热段和均热段温度平缓过渡，加热炉整体炉温更均匀。 ＩＩ／ｍ・ｓ
／ｎｌ・ｓ
３．２ａｅ ｔ３．０１ｅ ■…一。 ■ｊ ● 一 、 一一 ０ ｆ譬 １． 。 ．＿。、？ 蟪
图７优化１ｊ：Ｉ速度矢量分．布图
图８优化后速发矢量分布图 ４结论 （ｉ）优化前炉顶和炉底附近等温线温差为２６０ Ｋ；优 化后炉顶和炉底附近等温线温差为６Ｏ Ｋ。数值模拟计算 结果表明，优化后炉气对钢管上一Ｆ辐射换热更加均匀。 （２）优化前钢管附近炉气平均对流换热热流密度为 １ ８５６ Ｗ／ｍ ；优化后钢管附近炉气平均对流换热热流密度 为２ ７５１ ｗ／ ，对流换热强陵比优化前的高，因此优化 后对流换热优于优化前。 （３）优化前排懒速度快，导致排烟温度高，加热区 域中间温度低于两端；优化后排烟温度低于优化前，加 热区域中间温度高于两端，各段温度过渡平缓，炉内整 体温度更均匀。
基于FLUENT的管壳式换热器流场的数值模拟与分析
《计算传热学》结课小论文 化机642080706001鲍苏洋
基于FLUENT的管壳式换热器流场的数值模拟与分析
1
基于FLUENT的管壳式换热器流场的
数值模拟与分析
鲍苏洋
（南京工业大学机械与动力工程学院，南京210009)
摘要:通过简化管壳式换热器模型，采用非结构网格划分，选用κ-ε湍流模型，应用CFD 软件FLUENT 对壳程流体流动和传热过程进行了数值模拟，得到了不同折流板间距情况下壳程流体温度场、压力场以及速度场的分布情况。分析了折流板间距对壳程流体流场分布、换热器传热速率以及压力损失的影响，并得出了进口流速与传热量和压力损失之间的关系。模拟结果与理论研究结果相符合，对管壳式换热器的设计和改进有一定的参考价值。
关键词:化工机械; 换热器; 数值模拟; 温度场; 速度场; 压力场
Numerical Simulation and Analysis of Flow Field
in Shell-and-Tube Heat Exchanger Based on FLUENT
Suyang BAO
( School of Mechanical and Power Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 210009，China)
Abstract: By simplified the model of shell-and-tube heat exchangers，adopted the unstructured mesh，chose the κ-εturbulence model to gain
the static temperature field，velocity field and static pressure field distribution of shell by taking numerical simulation of the shell side turbulent flow
真空钎焊炉加热体的数值模拟
带加热设备 工业加热》第３７卷２００８年第１期
真空钎焊炉加热体的数值模拟
赵雨涛，康 慧，曲 平
（北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 １ ０００８３）
摘要：通过建立基于ＡＮＳＹＳ平台的真空钎焊炉加热体的三维有限元模型，采用热电耦合单元，模拟出了该加热体将电流转换为焦 耳热并通过辐射传热将热量传递给周围环境的过程中加热体自身温度场、电压、电流密度等的分布情况。同时通过提取ＡＮＳＹＳ后 处理数据得到了该过程中的总体焦耳热生成及辐射热损失。 关键词：真空钎焊炉；加热体；数值模拟 中图分类号：ＴＧ１５５．１６；ＴＧ４５４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００２—１６３９（２００８）０１—００３３—０４
Ｔｈｅ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｅａｔｅｒ ｉｎ ｔｈｅ Ｖａｃｕｕｍ Ｂｒａｚｅ Ｆｕｒｎａｃｅ
ＺＨＡＯ Ｙｕ—ｔａｏ，ＫＡＮＧ Ｈｕｉ，ＱＵ Ｐｉｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＢＵＡＡ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＡＮＳＹＳ，ａ ３－Ｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｔｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｖａｃｕｕｍ ｂｒａｚｅ ｆｕｒｎａｃｅ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ａ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｉｎｔｏ Ｊｏｕｌｅ—ｈｅａｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｏ ｔｈｅ ａｍｂｉｅｎｔ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ，ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ－ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｕｐｌｅｄ ｅｌ－ ｅｍｅｍ ｗａｓ ｅｍｐｌｏｙｅｄ．Ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｖｏｌｔａｇｅ，ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｔｅｒ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｔｏｔａｌ Ｊｏｕｌｅ－ｈｅａｔ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｈｅａｔ ｌｏｓｔ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｄａｔｅ ｏｆｔｈｅ ｐｏｓｔｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖａｃｕｕｍ ｂｒａｚｉｎｇ ｆｕｍａｃｅ；ｈｅａｔｅｒ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
加热炉内温度场的数学模型及仿真
加热炉内温度场的数学模型及仿真
张梅;文于华;蒲海波
【摘 要】以金属材料蠕变性能的高温持久试验机所使用的加热炉为研究对象,简单介绍了加热炉的结构,建立了加热炉辐射换热数学模型,根据此模型对加热炉温度场的分布进行仿真模拟,仿真模拟结果与实际完全符合,为炉内温度调节控制提供理论依据.
【期刊名称】《工业加热》
【年(卷),期】2019(048)003
【总页数】3页(P35-37)
【关键词】加热炉;温度;数学模型
【作 者】张梅;文于华;蒲海波
【作者单位】湖南理工学院 物电学院,湖南岳阳414006;湖南理工学院 物电学院,湖南岳阳414006;中国石油湖南销售仓储分公司,湖南长沙410005
【正文语种】中 文
【中图分类】TG155.12
高温持久实验是将试样在恒温和恒定的拉力作用下，测定金属试样至断裂的持久强度极限并评定其缺口的敏感性[1]。根据GB2039—2012 的要求均温区不小于试件长度的1.5 倍，为实现均温区，通常采用上下两段热电偶测量炉内温度，两点温度偏差符合标准要求即认为是两点间形成均温区[2]。由于两段式加热炉小而短，有两段独立控制的电炉丝，两段热电丝所形成的均温区之间存在一定程度的耦合，炉体内部容易产生热量对流干扰（见图1）。
图1 持久试验机及加热炉
1 辐射换热模型的建立
由于加热炉一般采用管式加热炉，其最主要热损失是加热炉筒体表面散热及加热炉端塞散热。加热炉表面可以说是完全封闭的，其散热对于均温区的影响小于端塞散热，端塞处于不完全封闭状态，由于端塞的热损失的影响导致均温区出现波动。通常为获得实验所需的均温区，采用将加热炉筒体加长，端塞处加厚，或者多缠电热丝等方法，以保证符合实验条件的均温区[3-5]。
1.1 加热炉炉膛内的基本结构
两段式加热炉外形为圆筒状，电热丝在筒壁里均匀布置，炉体主要由耐火纤维组成。试件两端有螺纹连接施力装置，通电后电热丝加热炉体内壁，内壁通过辐射换热加热试件至设定的温度。加热炉基本结构如图2所示。
链条炉煤粉燃烧的数值模拟
链条炉煤粉燃烧的数值模拟
摘要：利用Fluent软件对国内某热电厂75t/h链条锅炉燃烧时炉膛内部煤粉燃烧和温度分布情况进行数值模拟。首先提出煤的燃烧模型，选择k-ε模型对湍流进行模拟，分析炉膛热烟气流动以及温度分布，为SNCR设计提供理论支持。
关键词：煤粉燃烧；数值模拟；SNCR；温度
1 前言
王春波通过对某钢厂300MW锅炉燃烧过程进行数值模拟，对比发现掺烧高炉煤气时炉内温度水平有明显下降，且随着掺烧量的增加而加剧，掺烧高炉煤气产生烟气量增多，炉膛出口烟速明显增加，煤粉颗粒停留时间减小，煤粉很难燃烧完全[1]。同时NO的生成量随高炉煤气掺烧量的增加而明显减少。朱梅通过数值模拟的方法，设计了炉膛高速喷嘴的结构，并且通过模拟结果的比较，寻找到一种更适合退火炉的结构，使得炉膛内温度分布更加均匀[2]。通过模拟的方法可以合理的调整喷口结构参数，对于喷口的设计更加方便，减少了大量的投资。刘亮通过实际现场的改进，采用一种链条炉粉煤复合燃烧增容节能改造方案，在链条炉前后墙分别布置一次风二次风喷口将煤粉喷入燃烧。通过链条炉炉排的燃烧与炉膛内增加煤粉的复合燃烧方式，将炉排上煤产生的大量热量来加热由煤粉喷口喷出的煤粉。煤粉受热被点燃，释放出大量的热又反过来加热炉排上的煤块，加快煤块的着火速度，提高炉排上煤块的燃尽率。并且通过改进链条炉煤粉的制粉系统的同时，改变了省煤器结构，增加其受热面积，进一步降低了有炉膛排出的烟气的热损失[3]。张海军通过对同一种钝体喷口在不同的湍流模型下的模拟结果，结合 PIV 测量方法下的实验进行验证，通过比较发现在不同湍流模型下的模拟结果存在比较大的差别。通过模拟比较，发现k-ε模型和 RNG k-ε模型模拟的结果与实际过程更加符合[4]。徐榕在数值模拟的基础上分别使用 k-ε，RNG k-ε和代数应力（ASM）三种湍流模型进行模拟环形燃烧室中的三维流场分布图，通过模拟结果的比较，得出了三种湍流模型模拟的结果大致趋势是一致的。其中 RNG
翅片管式换热器传热与流场流动特性的数值模拟
第４０卷第３期 化工机械 ３４７
翅片管式换热器传热与流场流动
特性的数值模拟
韩建荒 ， 刘 扬ｈ 李君书’ 王尊策 李 森岫
（１．东北石油大学 石油工程学院．ｂ．机械科学与工程学院；２．中国石油天然气第八建设有限公司；
３．大庆油田庆升实业公司庆升化工厂）
摘 要在对大型翅片管式换热器结构合理简化的基础上，应用ＣＦＤ和数值传熟学方法，建立了翅片
管式换热器内部流动与传热的数学模型，得到了其内部流场和温度场的分布规律。并将数值模拟结果
与现场应用数据比对分析，结果表明，研究方法可行，能为换热器的设计和改进提供参考和借鉴。
关键词 翅片管式换热器 结构 数值模拟 流场
中图分类号ＴＱＯ５１．５ 文献标识码 Ａ 文章编号０２５４￣０９４（２０１３）０３－０３４７－０５
扩展表面强化传热在换热器中已得到广泛的
应用，翅片管是最常见的扩展表面形式之一…。
目前对翅片管式换热器的研究主要还是以工程计
算和试验研究为主。章国芳和蔡佳莹对空调用翅
片管换热进行了数值模拟研究，模拟结果与实验
数据相符较好 ］。桑迪科和黄思对换热器进行
三维数值模拟，分析了螺旋折流板换热器与弓形
折流板换热器的性能差异 。而目前对于大型
的换热器数值模拟研究较少。笔者针对油田注汽
锅炉用大型翅片管式换热器开展了数值模拟研
究，得到了换热器内流体流动特性和温度分布的
规律，为大型换热器结构优化设计提供了依据和
借鉴。
１ 换热器的基本结构参数及整体模型简化
笔者研究的换热器是油田用注气锅炉的对流
段，由１４排共计１６２根翅片管组成，每根翅片管
长３ ７９２ｍｍ，翅片管基管外径８９ｒａｍ，壁厚１３ｍｍ，
翅片高度１９ｍｍ，翅片间距８ｒａｍ，翅片最薄处仅有
２．３ｍｍ。由于翅片的几何尺寸较小，为能准确计
算出翅片的导热情况，网格的最小尺寸不能取太
大，同时需要对管外烟气和管内工质的对流进行 耦合计算，这就要求管壁和管外都需要布置网格，
步进式加热炉蓄热式改造的数值模拟及优化设计
Ｉ 霪＠∞年第 钶总第 由７＂１４ 『ＴＴＮ耵 ＾¨ＴＲＣＹ ｇ 下 制 １ ｕ
步进式加热炉蓄热式改造的数值模拟及优化设计
孙兆虎（热科学与动力工程教育部重点实验室清华大学热能工程系，１０００８４）
［摘要］ 蓄热式技术已在高性能板坯加热炉上得到应用。针对板坯加热炉炉膛宽度大，沿板坯长度方向的温度均匀性难 以保证的特点，使用ＣＦＤ软件对不同炉堂深度、不同烧嘴配置和参数选择等情况下的炉内燃烧进行了详细的模拟，得到了炉子 内部详细的温度分布、速度分布以及燃料在炉堂内部的燃烧情况。对比分析了各种方案下沿炉子宽度方向的温度均匀性。这 些结果详尽直观明了，为工程技术人员进行方案讨论提供了全面的数据。 关键词蓄热式加热炉数值模拟气流温度炉膛优化
１引言 自从１９８２年英国Ｈｏｔ Ｗｏｒｋ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ公司和 Ｂｒｉｔｉｓｈ Ｇａｓ研究院合作，成功开发出第一座使用陶瓷 小球作为蓄热体的新型蓄热式加热炉，它以蓄热室为
基础来回收烟气余热，从而实现余热的最大回收和助
燃空气以及煤气的高温预热，节能效果显著【ｌＪ。近１０
年来蓄热式燃烧技术得到长足发展，很多国家都在研 究各种蓄热式烧嘴和高效蓄热式燃烧技术以及高风
温燃烧技术。
我国的蓄热式加热炉研究工作和应用起步较晚，
但是发展速度快，到目前为止已有许多钢厂建成并投
入使用了这种炉型，这些加热炉蓄热式改造非常成 功，经济技术指标均达到了预期目标，炉子热效率有
较大提高，加热质量好，吨钢能耗低，氧化烧损少，有
力地推进了挖潜增效的深入进行．带来了很大的经济 效益和社会效益刚。蓄热式燃烧的一些关键技术和设
备取得突破，技术水平不断提高，可靠性不断增强，相
关的新专利和应用不断见诸报道。同时，蓄热式技术
不断扩展应用范围。在有色冶金、建材、化工等行业有 不少案例见诸报道 。
与蓄热式技术的广泛应用相矛盾的是，目前对蓄
热式燃烧的机理还知之不多，对蓄热式燃烧的热工特 性分析了解得还不是很透彻，这有待广大工程技术人
W火焰锅炉炉内三维流场和颗粒运动轨迹的数值模拟
第３１卷第４期 ２０１０年８月 华北水利水 电学院学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ ａｎｄ Ｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｖｏ１．３ｌ Ｎ０．４ Ａｕｇ．２０１０ 文章编号：１００２—５６３４（２０１０）０４—００６４—０５ Ｗ火焰锅炉炉内三维流场和 颗粒运动轨迹的数值模拟
王为术，刘 军，张红生
（华北水利水电学院，河南郑州４５００１１）
摘要：ｗ火焰锅炉具有独特的炉膛和烟气流动结构，适用于低挥发份劣质煤发电，炉膛配风和煤粉颗粒对 ｗ火焰锅炉形成良好的炉内燃烧和保证安全高效洁净燃烧影响显著．针对３００ ＭＷ Ｗ火焰锅炉，采用ＲＮＧ ～ 和ＤＰＭ模型数值研究了不同工况下ｗ火焰锅炉炉内三维流场和煤粉颗粒运动轨迹，分析了炉膛配风和 煤粉粒径对流场特性的影响．研究表明：配风对流场对称性影响很大，不合理的配风可导致火焰“短路”和气 流冲刷冷灰斗．炉膛折焰角结构决定了对称的配风形成非对称流场，但增加前墙配风速度可有效平衡折焰角 效应．当前后墙配风比为１．０５时流场对称性最佳．下炉膛冷灰斗区双旋涡流动结构可增强煤粉气流热质交 换，增加煤粉停留时间，有利于煤粉燃尽．随粒径增大，煤粉深入下炉膛平均深度越大，煤粉在燃烧炉膛内停 留时间先增大后减小，存在最佳煤粉粒径．研究结果对大容量ｗ火焰锅炉设计和燃烧调整有意义． 关键词：Ｗ火焰锅炉；三维流场；颗粒轨迹；数值模拟 中图分类号：ＴＫ２２９．６；ＴＫ２２４．１ 文献标志码：Ａ
我国劣质无烟煤资源丰富，占全国煤炭资源总 储量的１３％…．但无烟煤挥发份含量低，着火温度 高，稳燃及燃尽比较困难，如何高效利用劣质无烟煤 发电在我国受到广泛关注 ．ｗ火焰锅炉采用长 火焰、分级配风、敷设卫燃带等技术，使煤粉在距一 次风喷口数米处火焰作１８０。转弯向上流动，整个燃 烧室内火焰呈“Ｗ”状，可提高燃烧区温度，增加煤 粉在燃烧室停留时间，提高燃烧效率． 炉膛配风试验发现，ｗ火焰锅炉拱上风与前后 墙配风比是形成对称ｗ火焰和促使煤粉燃尽的关 键因素 。 ．车刚等 通过试验表明，燃烧器垂直向 下布置方式可缓解火焰短路和气流冲刷冷灰斗现 象，火焰呈对称ｗ型，增设折焰角后，气流对炉膛出 口转弯处冲刷加强，破坏了滞止区，增大了炉膛充满 度，使气流沿燃烧室高度方向分布趋向均匀．目前主 要采用数值模拟技术研究ｗ型火焰锅炉炉内燃 烧 卜 ，研究主要集中在ｗ火焰锅炉结渣特 性… 。 和减少ＮＯ ＿ｌ ” 排放方面．良好的空气动 力场是炉内高效洁净燃烧的重要前提．梁晓宏。。 、 阳德志… 对ｗ火焰锅炉炉内流场进行了三维数值 模拟，高正阳 模拟研究了锅炉结构对ｗ火焰锅 炉的影响．运行实践表明，ｗ火焰锅炉炉内火焰的 充满度、ｗ火焰的对称性、磨损和结渣特性对其设 计和安全运行影响很大．笔者利用Ｆｌｕｅｎｔ ６．３软件 对３００ ＭＷ Ｗ火焰锅炉炉内不同工况下三维流场 进行模拟研究，分析了前后墙配风方式对炉内流场 的影响，并用ＤＰＭ模型模拟煤粉颗粒在炉内运动轨 迹，以得到炉内良好空气动力场的最佳配风方式． １ 物理模型和数值计算方法 １．１计算模型与网格 拟按照１：１比例对３００ ＭＷ双拱型单炉膛自然 循环ｗ火焰锅炉进行三维流场和炉内颗粒运动轨 迹模拟．拱部燃烧器布置如图１所示，二次风由上到 下分｜Ｄ，Ｅ，Ｆ三级并垂直前后墙布置．炉膛结构如图 ２所示．用Ｇａｍｂｉｔ ２．０软件进行几何建模，计算区域
热处理过程流场-温度场-组织场-应力场耦合模拟研究
热处理过程流场-温度场-组织场-应力场耦合模拟研究
摘要：本文研究了热处理过程中流场、温度场、组织场和应力场之间的耦合关系。采用了ANSYS Fluent和ABAQUS有限元软件对工件进行了流场和热力学分析，并利用ABAQUS进行了热-组织-应力场耦合分析。通过分析结果，得出了热处理工艺参数对工件性能的影响规律，为工件热处理过程中的优化设计提供了理论依据。
关键词：热处理；流场；温度场；组织场；应力场；耦合分析
正文：
1. 引言
热处理是一种常用的工艺方法，它通过在一定的温度条件下改变材料的组织结构，从而使材料的力学性能得到提高。在热处理过程中，流场、温度场、组织场和应力场之间存在着复杂的耦合关系，如何对这些场进行耦合分析，是优化热处理工艺设计的关键之一。
本文采用了ANSYS Fluent和ABAQUS有限元软件对工件进行了流场和热力学分析，并利用ABAQUS进行了热-组织-应力场耦合分析。通过分析结果，得出了热处理工艺参数对工件性能的影响规律，为工件热处理过程中的优化设计提供了理论依据。
2. 流场分析
热处理过程中，加热炉内气流的速度分布对工件表面的热传递有着重要的影响。本文采用ANSYS Fluent软件对加热炉内气流进行了数值模拟，得到了炉内气流的速度场分布图。图1为炉内气流的速度场分布图。
（插入图1）
从图1可以看出，炉内气流的速度呈现出较大的不均匀性，气流速度较高的区域主要集中在加热炉内部的两侧，而中央区域的气流速度较低。
3. 温度场分析
在热处理过程中，工件表面的温度分布对工件组织结构的形成以及机械性能的提高都有着重要的影响。本文采用ANSYS
Fluent软件对工件表面温度进行了数值模拟，得到了加热炉内的温度场分布图。图2为炉内温度场分布图。
（插入图2）
从图2可以看出，工件表面的温度分布呈现出明显的不均匀性。整个工件表面温度的分布范围较大，在工件的上下部位温度较高，在中央区域温度较低。
基于数学模型的出钢温度预报数值模拟
文章编号：１００１．９９４４（２０１３）０３—００１０．０３
基于数学模型的出钢温度预报数值模拟
赵玉贵 ，张明金
（１．安徽博微广成科技有限公司，合肥２３００８８；２．安徽省安福置业有限公司，合肥２３０００１）
摘要：以某钢厂加热炉为研究对象．建立了五段式步进梁式加热炉板坯物理模型和数学模 型，并采用有限差分的方式对数学模型进行离散．开发了板坯温度场计算模型。利用黑匣 子数据验证了该模型的准确性，通过该数学模型模拟计算不同钢种的大尺寸低合金钢在 不同入炉温度下的出炉温度，为实际操作提供参考。 关键词：加热炉；数学模型；数值模拟；温度预报 中图分类号：ＴＰ１８３ 文献标志码：Ａ
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔａｐｐｉｎｇ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍａｔｈｅｍａｔｉ－
ｃａｌ Ｍｏｄｅｌ
ＺＨＡＯ Ｙｕ—ｇｕｉ ．ＺＨＡＮＧ Ｍｉｎｇ－ｊｉｎ （１．Ａｎｈｕｉ Ｂｏｗｅｉｇｕａｎｇｃｈｅｎｇ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｈｅｆｅｉ ２３０００８，Ｃｈｉｎａ；２．Ａｎｈｕｉ Ａｎｆｕ Ｒｅａｌ Ｅｓｔａｔｅ Ｉｎｃｏｒ— ｐｏｒａｔｅｄ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｈｅｆｅｉ ２３０００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ，ａ ｓｔｅｅｌ ｒｅｈｅａｔｉｎｇ ｆｕｒｎａｃｅ ａｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｈ ｏｂｊｅｃｔ．Ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｓｌａｂｓ ｈｅａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ５－ｚｏｎｅ ｗａｌｋｉｎｇ ｂｅａｍ ｔｙｐｅ ｏｆ ｒｅ－ｈｅａｔｉｎｇ ｆｕｒｎａｃｅ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ；ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎ；ａｎｄ ｔｈｅｎ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ａ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｓｌａｂ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ．Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｂｌａｃｋ ｂｏｘ ｄａｔａ ｔｏ ｖａｌｉｄａｔｅｄ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｔｈｅ ｔａｐ— ｐｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｋｉｎｄｓ ｓｌａｂｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｈａｒ￣ｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ａｌｓｏ ｉｔ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｅｈｅａｔｉｎｇ ｆｕｒｎａｃｅ；ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ
阳极焙烧炉内煤气流动和燃烧的数值模拟
加热设备 工业加热》第３６卷２００７年第３期
阳极焙烧炉内煤气流动和燃烧的数值模拟
姚成军 ，徐明厚２
（１．广东海洋大学工程学院，广东湛江５２４０８８；２．华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，湖北武汉４３００７４）
摘要：采用计算燃烧学的原理和模型以及ＣＦＤ软件对燃烧煤气的阳极焙烧炉炉内的流动和燃烧过程进行了数值模拟计算，讨论了 炉内温度场、流场、Ｏ：浓度场的分布规律，分析了这些因素对阳极炭块焙烧质量的影响。研究表明，在设计阳极焙烧炉时应考虑对
气流分布有影响的各种因素。 关键词：阳极焙烧炉；计算燃烧学；数值模拟；温度场；流场 中图分类号：ＴＦ０６１．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－１６３９（２００７）０３－００４１－０３
Ｎｕｍｅｒｉｃ￣Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｏａｌ Ｇａｓ Ｆｌｏｗ ａｎｄ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ ｔｈｅ Ａｎｏｄｅ Ｂａｋｉｎｇ Ｆｕｒｎａｃｅ
ＹＡＯ Ｃｈｅｎｇ－ｊｕｎ ，ＸＵ Ｍｉｎｇ－ｈｏｕ
（１．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｏｃｅａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈａｎｊｉａｎｇ ５２４０８８，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ，Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎ￣
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｆｌｕｉｄ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ ａ ｇａｓ ｂｕｒｎｉｎｇ ａｎｏｄｅ ｂａｋｉｎｇ ｆｕｒｎａｃｅ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｍｏｄｅｌｓ
ｏｆｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｌａｔｉｖｅ ＣＦＤ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｃａｃｕｌａｔｅｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ，ｆｌｕｉｄ ｆｌｏｗ ｆｅｉｌｄ，ａｎｄ ０２ ｃｏｎ－