环形加热炉高温空气燃烧特性数值模拟

摘要

高温空气燃烧是燃烧学和热工领域的一项重要技术革新。研究高温空气燃烧过程及其在工业炉中的热工特性,对于进一步发展高温空气燃烧技术的理论和应用具有重要意义。本课题针对高温空气燃烧的特点,对大型环形加热炉蓄热式高温空气燃烧技术进行了数值模拟分析,对三维炉内高温空气燃烧建立了数学模型。以天然气作为燃料,对环形加热炉的高温空气燃烧特性进行了系统的数值模拟,研究了环形加热炉炉内温度场、速度场、浓度场的分布规律,得到了燃料质量流量和燃气口与空气口的布置等因素的影响规律。并研究了燃烧侧不同对环形加热炉炉内燃烧的影响,得到了环形加热炉炉内燃烧特性和变化规律。研究结果表明,环形加热炉内燃烧与流动呈周期性变化,由于加热炉结构的不对称,内环燃烧器工作时,甲烷的燃烧效率提高。燃烧器交叉布置,可以提高燃烧效率,对于环形加热炉的热工特性也有显著影响。无论内环还是外环燃烧器工作,沿着高度方向上,射流速度和氧气浓度均呈现中间较高,两端较低的分布情况。天然气的质量流量对炉内热工特性的影响最大。当燃气质量流量增加时,加热炉内温度升高,炉内温度分布均匀性较好,但是甲烷燃烧效率逐渐降低。当燃气喷口与空气喷口之间的距离减小时,甲烷着火向喷口方向移动,炉内温度相对更均匀,甲烷燃烧效率提高。燃烧器周期性工作,对于加热炉的热工特性非常有利。从一个周期的平均值来看,燃烧器交叉布置,能够使得炉内各处的平均温度更加均匀,更有利于保持炉内物料温度均匀性。

目录

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英文摘要

1 绪论

1.1 选题背景和意义

1.2 高温空气燃烧技术原理与应用现状

1.2.1 工作原理

1.2.2 蓄热燃烧技术的应用现状

1.3 蓄热式HTAC关键技术与研究现状

1.3.1 关键技术和创新

1.3.2 蓄热式HTAC研究现状

1.3.3 尚待解决的问题

1.4 本课题面临的问题及目标

1.4.1 本课题面临的问题

1.4.2 本课题的主要目标

2 物理模型和数学模型

2.1 物理模型

2.2 数学模型

2.2.1 流体的控制方程

2.2.2 流动模型

2.2.3 燃烧模型

2.2.4 辐射模型

2.3 边界条件

2.3.1 进口条件

2.3.2 出口条件

2.3.3 壁面条件

2.4 计算工况的选取

2.5 数值求解方法

2.5.1 网格划分

2.5.2 控制方程的离散化和求解

3 单蓄热式加热炉燃烧特性研究

3.1 单蓄热式加热炉的特点与模拟方法

3.1.1 单蓄热式加热炉的特性

3.1.2 单蓄热式加热炉模拟的特点

3.2 内环燃烧时炉内燃烧和温度场分布

3.2.1 质量流量的影响

3.2.2 燃气口位置的影响

3.3 外环燃烧时炉内燃烧和温度分布

3.3.1 质量流量的影响

3.3.2 燃气口位置的影响

3.4 烧嘴交叉布置的燃烧特点

3.4.1 温度场分布特性

3.4.2 速度场分布特性

3.4.3 甲烷浓度场分布特性和燃烧效率

3.4.4 甲烷浓度场分布特性和燃烧效率

3.4.5 烧嘴交叉布置的优点

3.5 小结

4 结论

4.1 主要结论

4.2 今后进一步工作的建议

致谢

参考文献

附录：攻读硕士学位期间发表的学术论文