密闭容器内转炉煤气爆燃特性的数值模拟研究

摘要

在转炉炼钢的过程中，产生大量高温的转炉煤气，主要成分是CO，其出口温度高达1600℃左右，具有非常高的余热回收价值。目前，国内外转炉煤气的余热回收方式主要有LT法和OG法，这两种方法均只回收了转炉煤气的化学能，未对转炉煤气中温段的余热进行回收，极大的浪费了余热资源。对转炉煤气中温段的余热资源进行有效回收利用，是缓解资源瓶颈制约、环境污染严重的有效途径。 同时，尽管OG法与LT法的工艺已经非常成熟，但是也不能够确保百分之百安全，近几年，转炉煤气爆炸事故屡见不鲜，造成的损失也是巨大的。因此，无论是从现有工艺的转炉煤气安全回收的角度出发，还是从未来转炉煤气余热回收的角度出发，研究转炉煤气的爆燃特性是十分有意义的。 本文基于计算流体力学的方法，建立二维封闭容器的几何模型，采用Fluent软件自带的Premixed燃烧模型，对转炉煤气/空气预混气体在密闭容器内的爆燃特性进行了数值模拟研究。重点研究了障碍物对转炉煤气爆燃特性的影响，同时也研究了初始温度、初始压力、点火位置、容器长宽比、容器开口情况等影响因素对转炉煤气爆燃特性的影响。研究表明:在密闭容器内，转炉煤气的火焰传播分为四个阶段，火焰在点火初期没有接触到壁面，处于加速状态，火焰面呈半球状向外传播，之后，火焰前锋呈指状加速向前传播，当火焰接触到两侧壁面时，火焰前锋趋于一个平面，最终火焰保持“郁金香”形状在容器内传播直至完全烧尽;障碍物的数量对最大爆炸压力的数值影响不大，但是对火焰传播速度有明显的加速作用，增大了爆炸压力上升速率;转炉煤气的最大爆炸压力与初始温度成反比，与初始压力成正比;点火位置的不同不会影响最大爆炸压力，但是会影响爆炸压力上升速率，容器中间位置点火的爆炸压力上升速率远远高于在容器两侧点火;容器的长宽比不影响转炉煤气的最大爆炸压力，但是会影响各阶段火焰传播速度;转炉煤气在半开口容器内发生爆炸时，其火焰传播速度远远大于在密闭容器内的火焰传播速度。本文所建立的模型与实验数据有较好的吻合度，可以用于计算转炉煤气爆燃特性的数值模拟研究。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景及意义

1．2国内外研究现状

1．2．1可燃气体爆炸的实验研究

1．2．2可燃气体爆炸的数值模拟研究

1．2．3转炉煤气余热回收研究

1．2．4爆炸模拟分析软件介绍

1．3研究内容及创新点

1．3．1研究目的及研究内容

1．3．2本文创新点

第2章可燃气体燃烧爆炸的基本理论

2．1可燃气体燃烧爆炸基本理论

2．1．1可燃气体爆炸概念、分类及要素

2．1．2气体燃烧爆炸理论

2．1．3燃烧爆炸基本形式

2．2可燃气体爆炸基本参数

2．3可燃性气体爆炸影响因素

2．4预混火焰传播基本理论

2．4．1预混气体火焰传播

2．4．2管道内预混可燃气体火焰加速传播机理

2．4．3障碍物条件下火焰加速传播机理

2．5本章小结

第3章转炉煤气燃爆CFD数值模拟研究

3．1 CFD数值模拟思想

3．2物理模型

3．3数学模型

3．3．1基本控制方程

3．3．2湍流模型

3．3．3壁面函数

3．3．4预混燃烧模型

3．3．5辐射模型

3．4数值方法

3．4．1 CFD的数值解法

3．4．2 SIMPLE算法

3．4．3反应流中的稳定性和收敛性

3．5其他参数设置

3．5．1物性参数的计算方法

3．5．2层流火焰传播速度的计算方法

3．6模型验证

3．6．1计算区域及网格划分

3．6．2边界条件及初始条件

3．6．3模型结果及分析

3．7本章小结

第4章密闭容器内转炉煤气爆炸的数值模拟

4．1转炉煤气燃烧爆炸过程数值模拟

4．1．1计算区域及网格划分

4．1．2点火方式

4．1．3边界条件与初始条件

4．2转炉煤气爆炸过程分析

4．2．1转炉煤气火焰传播过程分析

4．2．2转炉煤气爆炸压力随时间的变化曲线

4．2．3转炉煤气的火焰传播速度随时间的变化曲线

4．2．4转炉煤气的燃烧温度随时间的变化曲线

4．3障碍物对爆燃特性的影响

4．3．1障碍物排数对爆燃特性的影响

4．3．2障碍物间距对爆燃特性的影响

4．3．3障碍物冷却对爆燃特性的影响

4．4本章小结

第5章初始条件对转炉煤气燃爆特性的影响

5．1初始温度对爆燃特性的影响

5．2初始压力对爆燃特性的影响

5．3点火位置对爆燃特性的影响

5．4容器的长宽比对爆燃特性的影响

5．5容器开口对爆燃特性的影响

5．6本章小结

第6章结论

参考文献

致谢