管式加热炉内燃烧与传热的数值模拟

摘要

随着节约能源和保护环境的呼声越来越高，节能减排已经成为各行各业的行业标准。管式加热炉作为一种高能耗设备。为了提高能源利用率并减少污染物的排放，有必要研究炉膛内的流动过程、传热过程以及污染物排放量。本课题以圆筒型管式加热炉为研究对象，运用计算流体力学等的基本原理，建立管式加热炉炉膛内流动与传热计算的数值模型，对管式加热炉内的稳态传热过程以及烟气流动过程进行模拟，通过与实际标定数据进行对比和分析，最终得到适用于本课题研究对象的最优模型和参数。
　　本文通过CFD商业软件FLUENT对炉膛内部的燃烧过程以及稳态传热过程进行模拟。采用最常用的套筒式燃烧器，根据管式加热炉的设计尺寸建立管式加热炉的几何模型。采用分块划分进行网格划分，对相对于炉膛尺寸比较小的燃烧器和炉管进行局部加密，最后再对炉膛进行网格划分，并使用size function连接炉管、燃烧器和炉膛之间的网格。通过选择不同的燃烧模型和辐射模型，研究其对炉膛内浓度场、温度场以及污染物排放的影响，获得炉膛内的流场规律，最后通过采用化工软件FRNC得到的数据对计算结果进行考察。研究发现，采用标准的标准k-ε模型，组分输运燃烧模型和P-1辐射模型模拟所得到的炉膛内的温度场、速度场分布，炉管表面温度和热流分布以及污染物NOx排放量与实际数据非常吻合。结果表明，燃烧过程中炉膛底部会形成一个局部回流，炉膛中部由于空气上升气流的作用也会形成一个回流，回流对炉膛内温度分布有重要的影响。另外，在燃烧产生的污染物NOx中，热力型占有很大的成分比重，NOx的生成区域大部分在高温火焰面的后侧。最后，本文还采用在炉管单侧加翅片的强化换热技术，使得炉管表面的热流大幅提高。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究课题背景

1．2 加热炉研究现状

1．3 加热炉数值模拟

1．3．1 加热炉数值模拟的意义

1．3．2 加热炉数值模拟的发展

1．3．3 加热炉数值模拟的研究现状

1．3．4 加热炉模拟计算软件

1．4 课题研究内容

1．4．1 课题的提出

1．4．2 本课题研究内容

2 管式加热炉数学和物理模型的建立

2．1 辐射室内的基本方程

2．2 湍流模型选择

2．2．1 湍流的数值模拟方法

2．2．2 湍流模型

2．3 燃烧模型选择

2．3．1 非预混燃烧模型

2．3．2 组分输运和化学反应模型

2．4 辐射模型选择

2．4．1 P-1辐射模型

2．4．2 DO辐射模型

2．4．3 WSGGM模型

2．5 NOx的数学模型

2．5．1 热力型NOx

2．5．2 快速型NOx

2．5．3 燃料型NOx

3 管式加热炉的数值模拟

3．1 加热炉的数学模型

3．1．1 加热炉的几何模型

3．1．2 加热炉燃烧器的简化模型

3．1．3 加热炉炉膛与炉管之间传热

3．1．4 加热炉网格划分

3．1．5 基本假设条件

3．1．6 辐射室内的数学模型

3．1．7 数值模拟的边界条件

3．2 对比分析不同的燃烧模型

3．3 燃烧模型和辐射模型组合考察

3．4 小结

4 全炉四分之一的数值模拟

4．1 全炉四分之一的几何模型

4．2 模拟的温度与速度特性

4．3 模拟结果与实际情况对比

4．4 小结

5 单根炉管光管和翅片管的模拟

5．1 翅片管的几何模型

5．2 翅片管与光管模拟对比分析

5．3 小结

结论

参考文献

致谢