毕业设计--热风炉的设计

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目录

摘要 ..........................................................................................................错误！未定义书签。 Abstract ....................................................................................................错误！未定义书签。 第一章 绪论 .............................................................................................................................. 1

1.1 热风炉的分类 ................................................................................................................ 1 1.2 热风炉的应用 .............................................................................................................. 2

1.2.1 国内的发展和应用................................................................................................ 2 1.2.2 国外的发展和应用................................................................................................ 3 1.3 本文的主要内容及意义 ................................................................................................ 4 第二章 热风炉设计 .................................................................................................................. 6

2.1 热源选择 ........................................................................................................................ 6

2.1.1 燃煤热风炉 .......................................................................................................... 6 2.1.2 燃油热风炉 .......................................................................................................... 6 2.1.3 燃气热风炉 .......................................................................................................... 6 2.1.4 电加热式热风装置 .............................................................................................. 7 2.1.5 方式的选择 .......................................................................................................... 7 2.2热风炉的热力计算 ......................................................................................................... 7

2.2.1 完全燃烧的条件.................................................................................................... 8 2.2.2 热风炉参数及其计算............................................................................................ 8 2.3 热风炉结构尺寸计算 .................................................................................................. 11 2.4 热风炉的阻力损失 ...................................................................................................... 17

2.4.1 风机的选型.......................................................................................................... 17 2.4.2 阻力损失的计算.................................................................................................. 17 2.5 小结 .............................................................................................................................. 20 第三章 热风炉的数值模拟 .................................................................................................... 21

3.1 物理模型 ...................................................................................................................... 21

3.1.1 整体计算网格划分.............................................................................................. 21 3.1.2 热风炉燃烧器...................................................................................................... 22 3.2 数学模型 ...................................................................................................................... 24

3.2.1 流体动力学控制方程.......................................................................................... 24 3.2.2 计算模型.............................................................................................................. 27 3.3 边界条件 ...................................................................................................................... 29

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第四章 热风炉模拟结果及分析 ............................................................................................ 32

4.1 温度场 .......................................................................................................................... 32 4.2 速度场 .......................................................................................................................... 35 4.3 物质的量 ...................................................................................................................... 40 4.4 数值模拟小结 .............................................................................................................. 41 第五章 结论 .......................................................................................................................... 42 参考文献 .................................................................................................................................. 43 附录：

附录1：中文翻译 附录2：CAD图纸

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热风炉的设计及流动、燃烧的数值模拟

摘要：热风炉在生产和生活中起着巨大的作用，由热风炉所获得的烟气不仅可以进行

高炉炼铁，还可以进行烟气的余热回收，大大地节约了能量。此外，热风炉还可以起到干燥的作用，广泛应用于化工、制药、纺织、农业等各部门。本文主要着眼于实验室用的小型热风炉，根据所设计的热风炉可以开展一些基础实验。此外，研究所得的结果也可为同类型热风炉在其它工业领域的应用提供一定的参考依据。

本文在设计实验室用热风炉时主要依据燃烧学的基本理论，对主要参数（如燃气量、炉膛面积、炉膛容积、烟气流量等）进行了计算。所设计的热风炉结构简单、体积小、造价低、使用方便，并使用旋流燃烧器，稳定和强化了热风炉的燃烧。为了证明所设计的热风炉达到了预期目标，本文对热风炉炉内的流动及燃烧过程进行数值模拟，模拟所得的结果表明混合后烟气的温度达到了205?C，且燃烧后天然气的物质的量为零，已经完全燃烧。此外，与采用直流燃烧器的风炉相比，旋流燃烧热风炉的火焰更短，燃烧的稳定性也得到了加强。

关键词：热风炉；燃烧器；数值模拟

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Design of hot stove and numerical simulation of flow and combustion

Abstract：Hot stove plays an essential role in production and life. Flue gas obtained from

the hot stove can not only smelt iron in blast furnace, but also recover surplus heat from waste gas, therefore greatly save energy. In addition, the hot stove can serve to dry many things as well, which widely used in chemical, pharmaceutical, textile, agriculture and other sectors. This article focuses on a small laboratory stove that can be designed to carry out some basic experiments. Furthermore, the results of studies can also to provide a frame of reference for the same type of stove in other industrial applications.

As to the designing of the laboratory hot stove, this article is mainly based on the theory of combustion, and calculate the main parameters such as the gas volume, the furnace area, furnace volume, gas flow, etc. The simple hot stove is in small size, low cost, and easy to use. What is more, the stove has innovative burner design, which uses a swirl combustion that can stabilize and strengthen burning. To prove the hot stove designed that achieves the expected goal, this paper use statistical simulation to simulate the flow and the combustion progress in the hot stove. The result of the simulation shows that mixed gas temperature reached 205?C, and the material of natural gas after combustion is zero, which means that the gas has been completely burned. In addition, with the comparison of the hot stove designed in this paper and ordinary hot stove, the result shows that not only the flames of swirl burning hot stove shorter than the ordinary hot stove, combustion stability has also been strengthened, which further displayed the advanced identity of the hot stove designed in this article.

Key words: hot stove, burner, numerical simulation

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第一章 绪论

热风炉是用于气流干燥、喷雾干燥、流化干燥、塔式干燥、隧道干燥以及回转干燥等装置的主要辅助设备，也是温室及家畜饲养场加温的主要设备，广泛地应用于农业生产、农产品及食品加工、冶金、建材等行业。此外，利用热风炉废气的热量来预热热风炉的煤气或助燃空气是有效地节约炼铁能耗的措施之一。作为热动力机械的热风炉于20世纪70年代末在我国开始广泛应用，它在许多行业已成为电热源和传统蒸汽动力热源的换代产品。还值得一提的是，近20年来，我国热风炉的发展速度十分迅速，引进了霍戈文高风温热风炉、卡鲁金顶燃式热风炉，对大型外燃式热风炉或大型外燃式热风炉与辅助小热风炉进行组合，还开发了球式顶燃式热风炉和逆旋流顶燃式热风炉。这些技术大大缩小了我国与世界先进水平的差距。

1.1 热风炉的分类

目前用于热风炉的热源主要有天然气、煤、油等。加热形式主要有直接烟道气式和间接换气式。换热器的类型有列管式、无管式、热管式等。

根据燃料或热源的不同可分为燃气热风炉、燃煤热风炉、燃油热风炉、燃生物质材料热风炉等。

根据炉体结构分为卧式热风炉和立式热风炉。 根据功率的大小分为大型热风炉和小型热风炉，其中

根据炉排的分布形式分为水平炉排热风炉和倾斜炉排热风炉，其中功率在100万大卡以上为大型热风炉，功率在100万大卡以下为小型热风炉。

根据加热形式分为直接加热式热风炉和间接加热式热风炉。本文详细介绍下直接加热热风炉和间接加热热风炉的特性。

（1）直接加热热风炉的特性

直接加热热风炉的特点是燃料燃烧后的烟气直接用于加热干燥，不通过换热器。设备成本低，热损失小。该种方法燃料的消耗量约比用蒸汽或其他间接加热器少一半左右。因此，在不影响产品质量的情况下，尽量使用直接加热。

直接加热热风炉的工作流程为燃料经燃烧反应后得到的高温燃烧气体进一步与外界空气接触，混合到某一温度后直接进入干燥室，与被干燥物料相接触，加热、蒸发水分，从而获得干燥产品。

直接加热热风炉燃料主要有固体燃料、液体燃料和气体燃料。有相关资料表明，从节能的观点出发，在正常生产、操作和充分预热空气和煤气的情况下，与

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直接燃煤相比，炉子燃油节能最多，发生炉煤气次之，而燃煤最浪费能源。煤炉、煤气炉、油炉三种炉子能源消耗之比为1:0.96:0.61[1]。

（2）间接加热热风炉的特性

间接式热风加热装置主要适用于被干燥物料不允许被污染或应用于要求热风温度较低的热敏物料的干燥，如食品、制药、精细化工、合成树脂等行业。此种加热装置，即是将蒸汽、导热油、烟道气等做载体，通过多种形式的热交换器来加热空气。其工作原理可分为蓄热式和换热式两种。适用于热风干燥的热风间接加热装置有三种类型：烟道气间接加热装置；蒸汽间接翅片加热装置；热管加热装置；还有电加热热风装置。

间接式热风炉的最本质问题就是热交换。热交换面积越大，热转换率越高，热风炉的节能效果越好，炉体及换热器的寿命越长。反之，热交换面积的大小也可以从烟气温度上加以识别。烟温越低，热转换率越高，热交换面积就越大。

1.2 热风炉的应用

1.2.1 国内的发展和应用

目前国内高温热风炉主要有两类：一是用燃油燃气直接作热源，但是燃料贵，运行费用高，增加了干燥成本。二是用燃煤作热源，虽然燃料费用降下来了，但也存在着热效率低、使用寿命短、体积庞大等问题。

我国燃煤热风炉多采用火床燃烧，热风温度仍比国际先进水平差了200?C[2]

左右。

在一定程度上制约了我国中型高炉炼铁生产技术的发展，影响了高炉喷吹煤粉量和企业经济效益的进一步提高。为了获得高风温，国内基本上采用富化高炉煤气的措施；此外，烟气余热回收技术、热风炉自身预热法和配置预热空气炉法也是常用的措施。现代热风炉的发展方向是：①高风温，热风温度1250?C±50?C。②高热效率，总热效率≥85％。③长寿命，一代寿命≥25年[3]。

但是，随着我国石油和天然气的发展，燃油和天然气户式热风供暖方式开始发展。热风炉供暖已在我国的一些工业厂房、民用建筑和野外作业等场合使用，并显示了较好的效果。与锅炉供暖相比，热风炉供暖具有以下特点：

（1） 工程造价、运行和维修费用低。热风供暖无需供回水管道、散热器及循环泵等，仅散热器一项，节省工程造价的20%-30%；不用循环水，节省了用水、水处理及管道的清洗、除垢等费用；将热风直接送入供暖点及空间，热损失极少；管气窗不会发生积垢、堵塞、漏水、冻裂等现象，维修量极少。

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（2） 操作简单，易于调节。热风供暖升温快，可调性强，便于以地域、用热单位和家庭为供热单元进行管理、控制，操作方便，可随时关闭或运行。如环境温度发生变化不会影响正常运行。

（3） 热风炉为常压运行，安全可靠。无供热介质水，适宜于高寒缺水地区。在一些大型空间和需要排风的空间也适宜用热风炉供暖。

（4） 受空气物性的影响，输送热风的管路管径较大，不适宜远距离输送 [4]。 1.2.2 国外的发展和应用

在国外，以天然气和石油为热源中心的户式热风采暖方式得到广泛的应用。在北美地区很多别墅建筑都采用这种热风采暖方式。国外的燃气热风炉多采用自然循环、机力循环和强制给排气机力循环等燃气方式。各种循环方式都有其相应的特点。自然循环对流方式：其传热系数小。需要的传热面积大，因此这种热风炉的体积比较大，同时热风出口温度也比较高。因自然循环的风速小，烟气的热量很难传递给空气，所以造成自然循环烟气热风炉的体积过于庞大。为了提高传热系数，减小热风炉的体积。可以采用机力循环的方式。强制给排气机力循环方式：为了保证烟气畅通，可以采用鼓风式燃烧器形成强制给排气燃气热风炉。这种强制给排气的方式保证烟气与燃烧需要的空气畅通。对安全运行有可靠保障。在高炉热风炉方面，随着高炉送风温度和送风压力的提高，国外对热风炉的炉型结构和炉衬材料进行了大量研究工作，逐渐从内燃式热风炉向外燃式热风炉，内燃式热风炉从一般温度操作向高温度操作方向发展，炉衬材料也由普通粘土砖向高铝砖、莫来石砖、优质硅砖、硅线石砖和红柱石砖方面发展，取得了很好效果，大幅度提高了使用寿命。今后，国外热风炉仍将朝着改进现有炉型结构和耐火材料质量，开发新型热风炉和新型耐火材料，进一步提高使用寿命方向发展。

利用热风炉废气（主要指间接加热热风炉的废气）的热量来预热热风炉的煤气或助燃空气是有效节约能耗的措施之一。七十年代末开始研究利用热风炉废气的热量，发展十分迅速。日本设有废气热量利用装置的高炉占70%以上[5]。热管是一种新型高效率的热交换元件。它是传热技术中出现的一项重要技术成果。在六十年代首先被应用于航天领域，七十年代后在西方工业国家开始用于电子、机械、石油、化学等工业部门。由于能源紧张，近年来，以热管制造的热管式交换器得到了迅速的发展。

热管式热风炉是将热风炉产生的热量供给热管换热器，再由热管换热器直接供给被加热装置的供热设备。热管及热管换热器是热管式热风炉的核心部件。热管通过在全封闭真空管内工质的蒸发与冷凝来传递热量，具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可以任意改变、可以远距离传热以及可控温度等一系列优点，将大量的热量通过很小的截面积远距离、高效地传输而无需外加动力。热管的典型结构如图所示

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图1-1 热管的结构

1-热管壳体；2-吸液芯；3-蒸汽流；4-液体

热管是由壳体、吸液芯和工作液三个部分组成。管内抽成真空，充以液体，使之填满毛细材料的微孔并加以密封。管子的一端为蒸发段，另一端为冷凝段，根据需要中间可设一绝热段。蒸发段吸收热流体热量，并将热量传给工质，工质吸热后以蒸发与沸腾的形式变为蒸汽，在微小压差作用下流向冷凝段，同时凝结成的液体放出汽化潜热，并传给冷流体。冷凝液借助于毛细材料的毛细作用力或重力回流至蒸发段。工质如此循环的同时，也将热量由一端传向另一端。由于是相变传热，因此热管内部热阻很小，能以较小的温差获得较大的传热量。而且由于管内抽成真空，所以工质易于沸腾，热管启动迅速。在热管的冷热两侧均可加装翅片以强化传热。并且热管不受热源类型的限制。

1.3 本文的主要内容及意义

本文主要是依据燃烧学的基本理论设计一台实验用的热风炉，并对炉内的流动及燃烧过程进行数值模拟。在设计方面，要依据热风炉的功率和燃气的低位发热量来确定燃气和燃烧空气的量，并计算出燃烧的温度。为了在热风炉的出口处得到所需烟气的温度，按照能量守恒定律，计算出所需混合空气的量。再对热风炉进行结构设计。需要计算出燃气和燃烧空气的入口总面积，炉膛截面积和炉膛容积。然后选择耐火材料，并根据耐火材料的导热系数计算出耐火材料的厚度。在模拟方面，主要利用FLUENT软件建立热风炉的仿真模型，根据设计时确定的边界条件对炉内的流动及燃烧过程进行模拟计算。并将模拟的结果与普通热风炉的模拟结果进行对比。

本文所设计的热风炉的功率为30kW，烟气的出口温度为150?C—250?C。 依托本文设计的热风炉可开展一些基础实验，如：为换热器提供热源,并对换热器换热性能进行测定；分析热风炉的燃烧效率、烟气成分等；对热风炉的燃烧过程进行实验研究与

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最后，计算出热风炉的局部损失，选择能提供适当风量和压力的鼓风机。

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数值计算，提出高效低污染燃烧的改进措施等。此外，研究所得的结果也可为同类型热风炉在其它工业领域的应用提供一定的参考依据。

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第二章 热风炉设计

热风炉设计要追求的目标是高效、节能、长寿命，同时还要力求达到低成本、低动力消耗和方便维修。

2.1 热源选择

为了能够得到温度为150?C—250?C之间的烟气，可以通过燃煤，燃油，燃气还有电加热等方式。下面分别介绍一下各种不同热源的热风炉。 2.1.1 燃煤热风炉

煤的燃烧方法主要有两种：块煤的层状燃烧法和粉煤的悬浮燃烧法。目前大都采用块煤的层状燃烧法，即煤在炉排上保持一定的厚度进行燃烧。层状燃烧的燃烧层结构有一定的规律性。从上到下分为四个区域：新燃料区、挥发物析出和燃烧区、焦炭燃烧区和灰渣燃尽区。四个区域中燃烧的强度不同，新燃料区基本不燃烧，只是对燃料加温；灰渣燃尽区由于燃料的耗尽，燃烧强度也很低；焦炭燃烧区燃烧强度最大，耗氧量也最大。使用层状燃烧法时，燃料层的厚度、燃料的颗粒大小对燃烧的经济性有重要影响。因此，根据燃料种类和燃烧方式选用合理的燃料层厚度和颗粒度是保证燃料完全燃烧的关键。

但煤燃烧的稳定性很差，烟气中会含有大量的有害物质，用在直接加热热风炉上受到了很大的限制。 2.1.2 燃油热风炉

燃油热风炉以重油或者柴油为燃料，与燃煤热风炉相比，除燃油价格要贵一些之外，其他一切特点都要优于燃煤热风炉。不需要专人看管，炉温均匀，很容易进行自动控制，且基本上不污染环境，而对于一些热敏性较大，本身价格较高的被干燥物料来说，燃油热风炉则是保证产品质量和产量的基本要求。

重油和渣油含杂质较多，而且燃烧控制比较困难，存在不完全燃烧，因此大多用在间接加热。由于轻油易于完全燃烧，污染比较小，因此燃油设备大都采用直接加热方式，尤其是用于干燥农产品或温室加热的场合。 2.1.3 燃气热风炉

气体燃烧的空气污染和固体燃烧污染很少，具有基本无公害燃烧的综合特征，是一种比较清洁的燃料。气体燃烧锅炉燃气系统简单，可以进行燃烧调节，调整发热量，操

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作管理方便，容易实现自动化。气体燃料包括氢气、一氧化碳、碳氢化合物等成分。按燃气获得方式可以分为天然气和人工燃气。虽然煤气燃烧完全，产物中污染物也少，但是由于燃气不像燃油、煤或固体生物质燃料那样便于运输和储存，必须经过管道输送。另外，液化石油气可以用罐装，运输方便的特点。目前，煤气加热热风炉只是在能够比较容易得到燃料的地方应用。 2.1.4 电加热式热风装置

在食品、医药、木材、印染等加热干燥过程中，应用电热可以保证加热的均匀性，操作简便，对产品的控制非常方便。电热现在已经得到了较大的发展，因为电加热清洁卫生，无烟尘、油污和环境污染。热效率高，加热速度快，易于实现自动化控制，并且温度控制精度高，加热效果好。 2.1.5 方式的选择

实验室中所用的热风炉具有功率小，炉膛体积小的特点，在使用过程中要求点火方便，燃烧稳定，控制方便。表2-1表示的是各燃料性能优劣的对比。

表2-1 各燃料的性能 方式 性能 着火难易程度 效率 环保角度 价格因素 控制难易程度 煤 难 低 差 低 难 油 较易 高 较好 较高 较易 天然气 易 高 好 一般 易 电 低 好 高 易

从以上几种方式的特点可以看出，燃煤式热风炉着火和燃烧比较困难，燃油式热风炉重油容易不完全燃烧，电加热式热风炉使用的是二次能源，电能经过了热电转化，其转换效率为30%。而天然气是一种清洁的气体，所含的灰分极少，几乎不会产生有害物质，其燃烧属于均相反应，着火和燃烧要比固体燃料容易得多。并且燃烧时能产生很大的热量。从燃烧得稳定性来看，扩散燃烧具有最好的性能，随着预混程度的增加，稳定燃烧得范围缩小，特别是燃用高热值的天然气时，为了提高燃烧的稳定性，大多采用预混程度较低的扩散燃烧方式。本次设计所采用的是非预混燃烧。由于天然气的诸多优点，它很适合实验型的小型热风炉。本设计所采取是燃气式直接加热热风炉。

2.2热风炉的热力计算

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2.2.1 完全燃烧的条件

对于热风炉的设计，需要组织良好的燃烧过程，其标志是尽可能接近完全燃烧。对于完全燃烧我们要满足下列条件：

（1） 供应充足而又适量的空气 （2） 适当高的炉内温度

（3） 空气和天然气的良好扰动和混合 （4） 足够的停留时间

供应充足而又适量的空气是燃料完全燃烧的必要情况，一般情况，为了使燃烧完全，我们取比理论值多一些的空气。炉温高，着火快，燃烧速度快，燃烧也易趋于完全。但过分的提高炉温是不可取的，过高的炉温一方面能加快燃烧，另一方面也会使所获得的物质分解。同时，过高的炉温会导致耐火隔热层的损害，降低了热风炉的使用寿命。实验证明炉温在1000?C-2000?C[6]

内比较适宜。天然气的燃烧属于扩散式燃烧，燃烧所

需要的时间完全取决于混合时间，空气和天然气良好扰动和混合，增加了空气和天然气接触的机会，有利于燃烧完全。天然气燃尽需要一定的时间，其停留的时间主要取决于炉膛容积、炉膛截面积、炉膛高度及烟气在炉内的流动速度，因此，我们要根据相关资料取合适的值。

2.2.2 热风炉参数及其计算

所设计的热风炉的功率为30kW，烟气的出口温度为150?C—250?C。

天然气是一种优质气体燃料，它的主要成分为甲烷，其次为乙烷等饱和碳氢化合物。这些碳氢化合物在天然气中的含量在90%以上。因此，天然气的发热量很高，一般为33440—41800kJ/m3或更高。为了使计算简便，我们设定天然气中甲烷的含量为100%，其低位发热量Qd?36000kJ/m3。设计时，取排烟温度为200?C，环境基准温度为15?C。 （1） 甲烷耗气量B1

所设计的热风炉的功率为30kW，热风炉的甲烷耗气量B1可由式2-1求得：

B1?QQd? （2-1）

式中：Q为热风炉的功率，30kW；

?为天然气的燃烧效率，本设计中取为0.98；

根据热风炉的功率及天然气的低位发热量，可求得热风炉的耗气量为

B1?3.06m/h。

3（2） 理论空气量L0

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为了正确地设计炉子的燃烧装置和鼓风系统，必须知道为保证一定热负荷所应供给的空气量。1m3天然气完全燃烧的理论空气需要量L0为： L0?10.212[1CO?12H2?m432?(n?)CnHm?H2S?O2]?10?2 （2-2）

式中：CO ，H2 ，CnHm ，H2S， O2为各物质的体积百分数，m3/m3。 因各气体的分子体积均相等，即1m3CH4燃烧需要2m3的氧气。故1m3CH4燃烧的理论空气需要量为L0?9.52m3/m3。上述空气需要量是按照化学反应式的配平系数计算的,而不估计任何其他因素的影响。 （3） 实际空气量Ln

上述空气需要量为理论值，实际上，不论在设计或操作中，炉内实际消耗的空气量与上述计算值有区别。例如，在实际条件下保证炉内燃料完全燃烧，便常常供给炉内比理论值多一些的空气；而有时为了得到炉内的还原性气氛，便供给少一些空气。因此要确定实际空气消耗量。而为了保护燃烧室和烧嘴喷头，热风炉采用较大的空气系数（一般取）进行燃烧，目的是为了降低火焰温度。则此热风炉的实际空气量为Ln：

Ln?nL0 （2-3）

式中：L0为理论空气量，m3/m3；

n称为“空气消耗系数”，当n?1时，被称为“空气过剩系数”。 为了保护燃烧室和烧嘴喷头，所设计的热风炉需采用较大的空气系数（一般取

n?1.5[7]

）进行燃烧，这样就能够降低火焰温度，从而达到保护炉膛和烧嘴的作用，延

长了热风炉的使用寿命。此时，得Ln?14.28m3/m3。

则燃烧空气量B2为：

B2?B1Ln?43.7m3/h （2-4）

式中：B1为甲烷的耗气量，m3/h； Ln为实际空气量，m3/m3 （4） 理论生成烟气量V0

燃烧产物的生成量及成分是根据燃烧反应的物质平衡进行计算的。当空气消耗系数

n?1时称“理论燃烧产物生成量”。

V0?[CO?H2?m2?(n?)CnHm?2H2S?CO2?N2?H2O]

?1100?0.79L0 （2-5）

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式中：CO ，H2 ，CnHm ，H2S，CO2，N2，H2O表示为各组成所占的体积百分数，m3/m3。上述烟气量是按照化学反应式的配平系数计算的,而不估计任何其他因素的影响，

得出V0?10.52m3/m3。燃料完全燃烧的理论燃烧产物生成量V0只与燃料成分有关。燃料中的可燃成分含量越高，发热量越高。V0就越大。 （5） 实际生成烟气量Vn Vn?[CO?H2??(n? ?(n?21100m1)CnHm?2H2S?CO2?N2?H2O]?2100

)L0?0.00124gLn

（2-6）

式中：CO ，H2 ，CnHm ，H2S，CO2，N2，H2O表示为各组成所占的体积百分数，m3/m3。

实际生成烟气量也是按照化学反应式的配平系数计算的,而不估计任何其他因素的影响，并且其值与空气过剩系数n值有关，n值越大， Vn就越大，得出Vn?15.28m3/m3。 （6） 理论燃烧温度t理

工业炉多在高温下工作，炉内温度的高低是保证炉子工作的重要条件，而决定炉内温度的最基本因素是燃料燃烧时燃烧产物达到的温度，即所谓燃烧温度。根据热量平衡原理，当热量收入与支出相等时，燃烧产物达到一个相对稳定的燃烧温度。但影响实际燃烧温度的因素很多，不能简单计算出来，所以我们用理论燃烧温度来表示燃料燃烧过程的一个重要指标。它表示某种成分的燃料在绝热条件下所能达到的最高温度。理论燃烧温度t理由下式获得：

t理=Qd?Q空?Q燃?Q分VnC产 （2-7）

式中：Q空为空气带入的物理热，因为空气是在常温状态下进入炉膛，所以Q空=0kJ； Q燃为燃料带入的物理热，因为燃气也是在常温状态下进入炉膛，所以Q燃=0kJ； Q分为燃烧产物中某些气体在高温下热分解反应消耗的热量，分解所消耗的热量很小，所以Q分?0kJ；

C产——燃烧产物的平均比热。当天然气燃烧后，燃烧温度在1200—1500?C间，则燃烧产物的平均比热C产?1.59，如果燃烧温度在1500—1800?C间，则燃烧产物的平

[8]

均比热为C产?1.63。

先估计燃烧温度在1200—1500?C之间，则得出t理=1481.77?C。符合估计的范围，所以理论空气温度t理为1481.77?C （7） 炉膛温度t炉

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t理只是理论燃烧温度，然而炉膛内的温度不会达到理论值，由式2-8我们可求出炉膛温度：

t炉=?t理=1185.42?C （2-8） 式中：?为炉温系数，我们取经验值[8]炉温系数?为0.8。

2.3 热风炉结构尺寸计算

（1） 燃气入口总面积F1

甲烷进入炉膛的入口面积F1由下式求得： F1?V1W1 （2-9）

式中：W1为燃气的入口速度，一般燃气流速为10m/s—30m/s[8],取W1?20m/s。 V1甲烷的流量，m3/s。V1?B1/3600?0.00085m3/s 则得出燃气入口总面积为F1?4.25?10?5m2。

设计时，我们是将甲烷从燃烧管中呈环状垂直射出，在靠近燃烧管的末端我们取六个出口，每个出口的面积为s1?F1/6，得出s1?7.1mm2，则每个出口的直径为3mm。 （2） 燃烧空气入口总面积F2

燃烧空气进入炉膛燃烧的入口面积F2由下式求得： F2?V2W2 （2-10）

[8]

式中：W2为燃烧空气的入口速度，一般空气流速为取10m/s—30m/sW2?20m/s；

，取

V2为燃烧空气的流量，m3/s；V2?B2/3600?0.012m3/s。 得出燃烧空气入口总面积为F2?6.07?10?4m2。

设计时，我们是将燃烧空气从旋流器的十个旋孔中进入，则每个旋孔的面积

s2?F2/10，得出s1?60.7mm2，则每个出口是由长为10mm，宽为6mm的长方形组成。

（3） 炉膛容积V

炉膛容积与炉膛容积热强度有关。炉膛容积热强度越大，炉膛容积越小，炉子越紧凑。但炉膛容积热强度过大，使燃料在炉内的停留时间缩短，不能保证燃料充分燃尽。炉膛容积热强度过小，则会使炉内温度水平降低，燃尽困难，甚至着火也困难。合适的

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炉膛容积强度可以组织良好的燃烧，达到预期的燃烧效果。在确定了炉膛容积热强度后，炉膛容积可由下式获得：

V?B1Qdqv （2-11）

式中：qv为炉膛容积热强度，查文献[9]可得燃天然气锅炉炉膛容积热强度为

qv?4.186?10kJ/m?h63。

得出炉膛容积V?0.0263m3。 （4） 炉膛截面积F

决定了炉膛容积后，还必须把炉膛的形状和尺寸决定恰当，所以我们还要确定炉膛的截面积。炉膛截面积与炉膛截面热强度有关，可由下式获得： F?B1Qdqk （2-12）

式中：qk为炉膛截面热强度，查文献[10]可得燃天然气锅炉炉膛截面积为

qk?3.77?10kJ/m?h62。

得出炉膛截面积F?0.0292m2。 （5） 炉膛结构尺寸

确定了炉膛的容积和截面积后，我们就可以得到炉膛的结构尺寸。炉膛的半径R和长度L分别由式2-13和式2-14获得： R? L?F?0.092m （2-13）

?VF?0.9m （2-14）

式中：F为炉膛截面积，m2； V为炉膛容积，m3.

将所计算的结果取整，得炉膛的结构尺寸为R?0.1m和L?1m。则炉膛截面积

F?0.0314m2，炉膛容积V?0.0314m3

（6） 热风炉炉体材料的选择

对于实验室用热风炉，在成型性能和焊接性能得到满足的前提下，还要考虑到价格因素。在此，我们选用价格低廉的低碳素结构钢作为炉体的制作材料。这类材料有足够的高温蠕变极限和持久极限。但它的抗炉气腐蚀的能力相对较差。它的上限使用温度一般在450?C左右，可以满足工艺要求。 （7） 隔热层结构尺寸

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耐火隔热层对热风炉的使用寿命和性能有很大的影响，为了保证热风炉实现高温和长寿的要求，热风炉使用的耐火隔热材料应具有以下主要性能：

1) 具有抵抗高温作用而不被融化的性能；

2) 能够承受炉子载荷和热应力的作用而不丧失结构强度、不软化变形、不断裂坍

塌；

3) 在高温下体积稳定，不致因膨胀和收缩使材料变形或出现裂纹； 4) 当温度急变或受热不均匀时不开裂破坏； 5) 应具有一定的高温强度和抗磨性能。 A. 炉体耐火隔热材料的选择

工业炉炉衬按筑炉材料的形态分为砖炉衬、纤维炉衬和不定型炉衬。

耐火粘土砖是一种砖炉衬.它的使用温度范围在200—1000?C，热导率在0.956—1.42w/(m .?C)。耐火粘土砖的热稳定性一般，碱性熔剂对它有一定作用，其毁损速度根据化学成分、颗粒度、气孔率而定，而酸性熔剂对耐火粘土砖的作用微弱，它有较好的耐酸性。耐火粘土砖在1400?C以下抵抗还原气氛较好，但因砖中铁化合物的影响，CO在400—500?C时损坏耐火材料。

耐火纤维是以Al2O3和SiO2为主要成分组成的玻璃相或结晶相二元化合物。还可以掺加有益成分Cr2O4等。耐火纤维中无掺加成分时，Al2O3含量越高，其使用温度则越高；当Al2O3含量相当，有掺成分Cr2O3时，纤维的使用温度比未掺加成分时的要高。玻璃相组织在特定温度下会向结晶相转化，这种现象称为析晶。析晶导致纤维收缩和粉化，因此加热线收缩是规定耐火纤维使用温度的依据。纤维过分收缩，造成炉衬的密封性能被破坏。高铝硅酸铝纤维是一种高温型的耐火纤维，Al2O3的含量为60%—64%，最高使用温度可达到1400—1500?C，而长期使用温度在1150—1200?C之间。

不定型耐火材料是由骨料和一种或多种结合剂组成的混合料，分致密形和隔热形两类。隔热形混合料制备和烘干后的试样其真气孔率应不低于45%。有的混合料能以交货状态直接使用，有的则必须和一种或几种适当的液体配合使用。混合料的耐火度一般不低于1500?C。耐火浇注料是由耐火骨料和结合剂组成的混合料，交货状态为干料，加水或其他液体调配后使用。主要采用水硬性结合剂，也可采用陶瓷、化学结合剂以浇注、振动、捣固方法施工，不需要加热即可凝固硬化。

设计的热风炉需要耐火材料有较高的耐火度和较低的热导率，再考虑到施工的方便性，我们选择导热率??0.45的轻质高强浇注料。

轻质高强耐火浇筑料是由专门的轻骨料以及增强基质的粉料、结合剂、膨胀剂和减水剂等配制而成，这种浇筑料具有良好的隔热性能和较高的高温结构强度，可直接用于接触火焰的轻质承重材料，长期使用温度达1500?C。

计算时，我们设混合空气温度为环境温度15?C，浇注料外壁温度为200?C。

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B. 辐射的传热量Q1

由于火焰辐射的作用，使炉膛可内壁达到很高的温度，按照经验炉膛的内壁温度t内壁在1000?C左右，取t内壁?1000?C则辐射的传热量Q1可由式2-15获得： Q1??C0[(t炉?273.15100)?(4t内壁?273.15100)]F1 （2-15）

4[11]

式中：?为辐射率，取??0.9；

C0为黑体辐射系数，C0 = 5.67W/m2.K4[12]； F1为炉膛壁面截面积，m2。 得炉膛的辐射传热量Q1?30422W。 C. 热流密度

单位时间内通过单位面积的热流量称为热流密度，也称为面积热流量。与表面传热系数有关，可由下式获得：

q?a?(t1?t2) （2-16） 式中：t1为浇注料外壁温度，我们设置为200?C； t2为混合空气温度，即为环境温度15?C。

[13]

a?为表面综合传热系数，w/m2??C。由文献可得a??17.6千卡/

22m?h??C?20.465w/m??C。

得单位面积传热量q?3786.025w/m2 D. 隔热层半径

再总传热量未知的情况下，我们无法求出隔热层的半径，需先假设一个隔热层的半径，用热流密度求出总传热量，在根据能量守恒来验证所取得隔热层半径。设浇注料外壁的半径r1为0.174m，则总传热量由下式可得：

Q总?2?r1Lq （2-17） 式中r1为所设的浇注料外壁的半径，q单位面积传热量，得出总的传热量Q总?

4137.1W。

隔热层的导热传热量等于隔热层与混合空气的对流传热量。用圆筒壁的导热公式验证浇注料外壁半径：

Q总?2?L(t内壁?t外壁)1R1R （2-18）

?ln式中：R1为所求的浇注料的外壁半径，m；

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?为浇注料的导热率??0.45。 得R1?174mm。

通过将假设的浇注料外壁半径r1和所求出的浇注料外壁半径R1比较，可得出R1?r1，验证了假设的外壁半径的值。所以浇注料外壁的半径为R1?174mm。浇注料的厚度

??R1?R?74mm。

（8） 混合空气量B3

燃烧所得到的烟气温度可以达到1200?C，远远高于设计所需要的烟气温度，为了达到所需的温度，我们要将所得的烟气混入一定量的空气。

查资料[14]可得，烟气温度为1000?C时，烟气比热C烟，1000?C?0.369 千卡/m3??C，即C烟，1000?C?1.545kJ/m3??C，烟气温度为1200?C时，烟气比热

C烟，?0.374千卡/m??C ，即C烟，?1.566kJ/m??C。 1200?C1200?C33混合前烟气的温度t烟,in=t炉=1185.42?C 则此时烟气比热由下式获得： C烟，?1185.42?CC烟，?C烟，1200?C1000?C200 （2-19） ?(1185.42?1000)?C烟，1000?C式中：C烟，为烟气的温度为1185.42 ?C时，烟气的比热。 1185.42?C代入所查得的1000?C时烟气的比热和1200?C时烟气的比热，得烟气的温度为

t烟,in=1185.42?C时，烟气比热C烟，?1.564kJ/m??C 1185.42?C3?0.340千卡/m??C? 设计所需的排烟温度为200?C，其烟气比热C烟，200?C31.423kJ/m??C3，混合空气在经过炉膛的隔热层外壁时，会吸收热量，温度会升高，所

以我们不能直接使用混合空气的入口温度来计算混合空气的量，首先假设混合口混合空

3?1.303kJ/m??C。根据能量守恒定律，混合前烟气气的温度升高到了50?C，得C送，50?C的热量和空气的热量的和等于混合后烟气的热量。由式2-20表示：

B烟，t?C送，B送，t?C烟，B烟，t C烟， （2-20） 1185.42?C1185.42?C烟,in50?C50?C送,50?C200?C200?C烟,out3m/h； 式中：B烟，1185.42?C为炉膛内烟气的量，

t烟,in为炉膛内烟气的温度，?C；

B送，为混合口处混合空气的量，m3/h； 50?C t送，50?C为混合口处混合空气的温度，?C；

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B烟，为排烟烟气的量，m3/h； 200?C t烟,out为排烟烟气温度，?C。

3根据上式得混合口处混合空气的量为B送，?334.38m/h 50?C在设计时，为了求出混合空气的量，我们是假设混合口空气的温度为50?C，所以要来验证混合口处混合空气的温度是否为50?C。由于总的传热量等于混合空气所得到的热量，我们可以使用下式来验证： ?t?Q总v空C空 （2-21）

式中：?t为混合空气在经过隔热层的外壁后所升高的温度，?C； Q总为总的传热量，W； v空为混合空气的速度为5m/s；

C空为混合空气的比热为1.303kJ/m3??C。

求出混合空气升高的温度?t为33.13?C，则混合口空气的温度t送'?t空??t?

48.13?C?50?C。

由上式所求的结果可知，验证所得的值和所设计的值相差很小，所以混合口处混合空气的温度为50?C。

入口处混合空气的量B3由下式获得： B3=T空T送，50?CB送， （2-22） 50?C式中：T空为入口处混合空气的温度，?C； T送，为混合口处空气的温度，?C； 50?C得B3?298.15m3/h，取整得B3?300m3/h。即燃烧所得的烟气与300m3/h的空气混合，理论上可得到烟气温度为200?C左右的烟气。 （9） 混合空气壁结构尺寸

得出混合空气壁的结构尺寸之前，先要根据混合空气的量和速度来计算出混合空气总面积，由式2-23可得： F空=B33600w空 （2-23）

式中：w空为混合空气速度，取空气的速度为5m/s。

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得F空?16666.667mm2。

混合空气的通道为圆环形，求出热风炉总截面积，使用面积公式便可得出混合空气壁的结构尺寸。总截面计算公式为：

F总??R12?F空 （2-24） 式中：?R12为炉膛和隔热层的总截面积，mm3 得F总=111733.31mm2，则炉膛混合空气壁半径R2?空气壁半径取整得R2?190mm。

将炉膛混合F总/?=188.63mm，

2.4 热风炉的阻力损失

2.4.1 风机的选型 （1）鼓风机的选型

燃烧空气的风量为43.7m3/h，估计风机需提供的压强为900Pa左右，因此选择风机的型号为Tx-220-50，它的最大风量为178.8m3/h，最大静压为917.79Pa。 （2）引风机的选型

最终获得烟气的流量为347m3/h，风机需提供的压强为150Pa，因此选择风机的型号为HL-125-44，它的最大风量为534.5m3/h，最大静压为520Pa。 2.4.2 阻力损失的计算

气体是一种粘性流体，它在管内流动时，与管壁间必定存在切向应力，形成阻力。要克服阻力，维持黏性流体的流动，就要消耗机械能，消耗掉的这部分机械能将不可逆地转化成热能。为了选出合适的鼓风机来提供流体流动所需的机械能，我们就要计算出热风炉的能量损失。管内流动的能量损失分为两类，一是沿程能量损失，一是局部能量损失。

（1） 沿程阻力损失

简称沿程损失，是发生在缓变流整个流程中的能量损失，是由流体的黏滞 力造成的损失。这种损失的大小与流体的流动状态，即是层流还是紊流有着密切的联系。我们使用达西-魏斯巴赫公式来计算： hf??lw鼓d2g2 （2-24）

式中： ?为沿程损失系数，查莫迪图得?=0.048； l为管道长度为0.6m；

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d为管道内径，m；

2 w鼓/2g为单位重量流体的速度水头，m。

由式2-26可以得到弯管中的流速 w鼓=B鼓3600?r管2 （2-25）

式中：B鼓为鼓风机的流量178.8m3/h，。 得w鼓=6.33m/s。 则hf?1.44m。 （2） 局部阻力损失

简称局部损失，是发生在流动状态急剧变化的急变流中的能量损失，是在管件附近的局部范围内主要由流体微团的碰撞、流体中产生的漩涡等造成的损失。几种常用管件的局部损失有管道截面突然扩大、管道截面突然缩小、弯管三种。此外，在阀门、分支管道处也会产生局部能量损失。局部阻力损失用下式表示： hf??w鼓2g2 （2-26）

式中：?为局部损失系数，是一个无量纲系数，由试验确定。 下面我们对热风炉的各种局部阻力损失一一进行计算。 A. 弯管

流体在弯管中流动的损失由三部分组成，一部分是由切向应力产生的沿程损失，特别是在流动方向改变、流速变化中产生的这种损失；另一部分是形成漩涡所产生的损失；第三部分是由二次流形成的双螺旋流动所产生的损失。

所设计的热风炉有一处弯管。 设计D??为57?3的弯管，此时径为100mm。

查资料[15]得

dR?0.5时，?0.5?0.145 ，其中?0.5为d/R?0.5dR?0.5，式中

d为弯管的内径，R为弯管的弯曲半

时的局部损失系数。

则弯管处的局部损失hj??0.51w鼓2g2?0.3m

B. 阀门

安装阀门后，也会产生局部损失，通过调节阀门的开度可以调节气体流量的大小，但同时也产生了阻力。

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选择蝶阀，取阀门的开度为0.3，此时?0.3?26，其中?0.5为阀门开度为0.3时的局部损失系数。

则弯管处的局部损失hj??0.32w鼓2g2?53m

C. 截面突扩

当气体从小的截面积进入大的截面积时，由于气体有惯性，它不可能突然扩大，而是离开小截面积后逐渐扩大，因此，在截面的拐角处会形成漩涡，要消耗能量，产生了能量损失。在所设计的热风炉中，有两处截面突扩之处。

1）燃烧的空气从管道进入旋流器前的圆筒时，截面突扩，产生了局部损失。 管道截面A1和进入圆筒时的截面A2之比

w鼓2g2A1A2?1，则 ?1?0

?截面突扩局部损失hj3??1?0m

2）燃烧的空气从旋流器进入炉膛内燃烧时，截面突扩，产生了局部损失。 旋流器截面A3和炉膛截面A4之比

W2A3A4?0.2，则?0.2?0.64

?截面突扩局部损失hj4??0.22g?13m

D. 截面突缩

当气体从大的截面积流向小的截面积时，气体的流束必定收缩。当流体进入小截面积后，由于流体有惯性，流体将继续收缩直至最小截面积，然后逐渐扩大，直至充满整个小截面积，在这一过程中，缩小的流束附近会产生小漩涡，导致了能量的损失。

燃烧空气进入旋流器时，截面突缩，产生了局部损失。旋流器空气入口截面A3和短节截面A5之比

A3A5?0.1。

查资料[15]得

A3A5?0.1时， ?0.1?0.469

则截面突缩局部损失hj??0.15W222g?9.57m

E. 总能量损失

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总的能力损失h为沿程阻力损失和局部损失之和。

h=hf?hj+hj+hj+hj+hj=77.31m （2-30）

12345则鼓风机需要提供的压力为P??gh?1.205?9.8?77.31?913Pa 因此，所选的风机能够提供所需的风量和要求，符合热风炉的要求。

2.5 小结

通过设计计算，本文将热风炉的基本尺寸，以及它的阻力损失列于表2-2。

表2-2 热风炉的基本参数 基本参数 甲烷量 燃烧空气量 混合空气量 3.06m343.7m3300m3/h/h/h设计尺寸 炉膛直径 隔热层直径 混合空气直径 烧嘴设计尺寸 0.2m 0.37m 0.4m 旋流器旋孔截面积 燃烧管甲烷出口截面积 10?6.1mm?10mm6?2.25mm2 所设计的热风炉工作的过程为：助燃空气经过旋流器旋转进入燃烧室，与甲烷垂直相遇，点火燃烧。这种旋流燃烧是一种强化燃烧和组织火焰的一个有效措施，它在提高火焰稳定性和燃烧强度方面起了很重要的作用。燃料在燃烧室充分燃烧后，产生的高温烟气与一定量的空气混合，获得所需温度的气体。

其结构简图如图2-1所示：

图2-1 热风炉结构简图

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第三章 热风炉的数值模拟

数值模拟是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。通过对本文所设计的热风炉进行数值模拟，可以得到热风炉的各个部分的基本物理量的分布，以及这些物理量随时间的变化情况。

3.1 物理模型

3.1.1 整体计算网格划分

热风炉的工作过程为：燃烧空气经过旋流器，进入炉膛，形成旋转气流。甲烷从燃气管道的管壁圆孔出来，与燃烧空气垂直相遇，加强了空气和甲烷的混合，有利于燃烧。混合冷却空气从最外层圆环进入，在混合区与高温烟气相遇混合，得到所需温度的烟气。

在进行数值模拟前，我们首先要建立好热风炉的几何模型。然后将计算区域离散化，即对空间上连续的计算区域进行划分，把它划分成许多个子区域，并确定每个区域中的节点，从而生成网格。离散化的目的为通过数值的方法把计算区域内优先数量位置（即网格节点）上的因变量当作基本未知量来处理，从而建立一组关于这些未知量的代数方程，然后通过求解代数方程组来得到这些节点值，而计算区域内其他位置上的值则根据节点位置上的值来确定。网格是离散的基础，网格节点是离散化的物理量的存储位置。我们使用有限体积法来使计算区域离散化，使每个网格点周围有一个互不重复的控制体积，将待解的微分方程对每一个控制体积积分，从而得出一组离散方程。

有限体积法的核心体现在区域离散方式上。区域离散化的实质就是用有限个离散点来代替原来的连续空间。区域离散化过程结束后，可以得到以下四种几何要素：

（1） 节点：需要求解的未知物理量的几何位置

（2） 控制体积：应用控制方程或守恒定律的最小几何单位 （3） 界面：它规定了与各节点相对应的控制体积的分界面位置 （4） 网格线：联结相邻两节点而形成的曲线簇。

进行数值模拟时，网格质量的高低和网格数量的多少直接影响到数值模拟计算的精度和速度：网格质量高，计算精度越高，计算时间以及对计算机的要求也相应增加；网格数量小，迭代计算达到收敛所需时间越短，但计算结果的精度往往得不到保证。因此网格对计算区域建模是数值模拟中十分重要的工作。

在三维数值模拟中，网格有四面体，六面体，五面体网格单元，其中五面体网格单元还可分为棱锥形和金字塔型单元。生成网格的过程分为三步：

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（1） 建立几何模型。几何模型时网格和边界的载体，对于二维问题，几何模型时二维面，对于三维问题，几何模型时三维实体。

（2） 划分网格。在所生成的几何模型上应用特定的网格类型、网格单元和网格密度对面或体进行划分，获得网格。

（3） 指定边界区域。为模型的每个区域指定名称和类型，为后续给定模型的物理属性、边界条件和初始条件做好准备。

网格是建立热风炉物理模型重要的一步，图3-1为热风炉的物理模型，有463298个网格：

图3-1热风炉的物理模型

本文所设计的热风炉，在甲烷和空气进入炉膛的旋流器部分和燃烧管道部分是由一些比较小的模块构成，结构也相对比较复杂，因此，网格数量可以划分得多一点。而在炉膛、隔热层、混合空气层这些大块的区域结构相对简单，网格数量可以相对少一些。模块中网格主要是由四面体组成，在一些边角处或者拐角处由六面体、锥体或楔形体的网格组成。 3.1.2 热风炉燃烧器

从本质上看，任何一种煤气的燃烧过程都基本包括煤气与空气的混合、混合后可燃气体的加热和着火、完成燃烧化学反应三个阶段。煤气和空气的混合式一种物理过程，需要消耗能量和一定的时间才能完成。天然气是一种高热量煤气，它的燃烧特点是：燃烧时需要大量空气，即保证少量的煤气和大量的空气相混合；此外煤气和空气的混合物的着火温度范围较小并且燃烧温度高。很好混合后的高热值煤气和空气混合物，燃烧本身是没有困难的，主要的问题是如何获得较好的混合。由于天然气的燃烧速度主要取决

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于煤气和空气的混合速度，因此强化燃烧和组织火焰的主要途径是设法改变天然气和空气的混合条件，这在很大程度上是通过改变燃烧器的结构来实现的，主要有三种方法：

（1） 将天然气和空气分成很多股细流； （2） 使空气和煤气以不同角度和速度相遇； （3） 利用旋流装置来强化气流的混合。

此热风炉燃烧器在设计上正是考虑了以上三个条件，它是由旋流板和燃烧管道组成。旋流板上开了十个平行六面体形状的孔，空气通过旋流板被分成了十股细流，并且由于平行六面体的轴线与燃烧管道的母线的角度为30 ?，燃烧空气通过旋流板后，形成了旋转的气流进入炉膛。图3-2显示的是燃烧器的旋流板平面图。

图3-2 旋流板平面图

图3-3 燃烧管道

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图3-3所显示的是天然气的燃烧管道，管道一端用盲板密封住，在边缘开六个小孔，天然气从燃烧管道出来后被分成了六股细流，与燃烧空气垂直相遇，这样燃烧器为天然气和空气的混合提供了良好且必要的条件在空气旋流的主导作用力下，带动甲烷旋流燃烧。图中，箭头所指的是天然气的路径。

在进行热风炉的数值模拟时，为了很方便定义热风炉的边界条件，在GAMBIT中我们没有画出整个旋流器，只画出十个平行六面体作为燃烧空气的入口和一截燃烧管道，如图3-4所示。

图3-4 甲烷和空气入口

由于旋流器的作用，使得空气和天然气能够充分混合，并强化燃烧，此燃烧器对于燃烧天然气有着优越的性能。

3.2 数学模型

数学模型是建立反映工程问题或物理问题的本质，没有完善的数学模型，数值模拟就毫无意义。

3.2.1 流体动力学控制方程

流体流动要受物理守恒定律的支配,燃烧时包含有剧烈放热化学反应的流动过程。描述燃烧过程的定律主要有：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律、组分守恒

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定律和附加的湍流输运方程。基本方程是基本定律的数学表达式，是对流动和燃烧过程进行数值模拟的理论基础和出发点。在实际燃烧室中，气流流动大都是紊流流动，所有物理量都是空间和时间的随机变量，但其流动仍遵循连续介质一般运动规律，其瞬时量仍满足粘性流体运动的质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分守恒方程和附加的湍流输运方程。它们都是由因变量、时变项、对流项和扩散项构成。

（1） 质量守恒方程

质量守恒定律表述为：单位时间内流体微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。任何流动问题都必须满足质量守恒定律。质量守恒方程为：

???t??(?u)?x??(?v)?y??(?w)?z?0 （3-1）

式中：?为流体的密度；

u、v、w为流体速度矢量在x、y、z方向的分量；

上面给出的是瞬态三位可压流体的质量守恒方程。对于热风炉的燃烧模拟，我们把流体当成理想不可压气体，密度变为常数，因此质量守恒方程变为：

?(?u)?x??(?v)?y??(?w)?z?0 （3-2）

质量方程又常称为连续方程。 （2） 动量守恒方程

动量守恒定律表述为：微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。动量守恒定律其实就是牛顿第二定律，也是任何流动系统都必须满足的基本定律。动量方程表示为：

??(?u)?t??div(?uu)?div(?gradu)???p?x?Su （3-3）

?(?u)?t?(?u)?t?div(?vu)?div(?gradv)???p?y?Sv （3-4）

?div(?wu)?div(?gradw)??p?z?Sw （3-5）

式中，u为速度矢量； ?为动力粘度；

Su、Sv、Sw为动量方程的广义源项。 动量守恒方程简称动量方程，也称作运动方程。 （3） 能量守恒方程

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能量守恒定律表述为：微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力与面力对微元体所做的功。能量守恒定律也是热力学第一定律。它是包含有热交换的流动系统必须满足的基本定律。能量守恒方程为：

?(?T)?t??div(?uT)?div(kCpgradT)?ST （3-6）

式中：Cp是比热容；

T为温度；

k为流体的传热系数；

ST为流体的内热源及由于粘性作用流体机械能转换为热能的部分，有时简称粘性耗散项。

（4） 组分质量守恒方程

在一个特定的系统中，可能存在质的交换，或者存在多种化学组分，每一种组分都需要遵守组分质量守恒定律。对于一个确定的系统而言，组分质量守恒定律可表述为：系统内某种化学组分质量对时间的变化率，等于通过系统界面净扩散流量与通过化学反应产生的该组分的生产率之和。组分质量守恒方程为：

?(?cs)?t??div(?ucs)?div(Dsgrad(?cs))?Ss （3-7）

式中：cs为组分s的体积浓度； ?cs为该组分的质量浓度； Ds为该组分的扩散系数；

Ss为系统内部单位时间内单位体积通过化学反应产生的该组分的质量，即生产率。

组分质量守恒方程常称为组分方程。一种组分的质量守恒方程实际就是一个浓度传输方程。

（5） 控制方程的通用形式

比较四个基本的控制方程，可以看出，尽管这些方程中因变量各不相同，但他们均反映了单位时间单位体积内物理量的守恒性质。如果用?表示通用变量，则上述各控制方程都可以表示成通用形式： 其展开形式为：

?(??)?t??(?u?)?x??(?v?)?y??(?w?)?z???x(????x)???y(????y)???z(????z)?S （3-9）

?(??)?t??div(?u?)?div(?grad?)?S （3-8）

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式中：?为通用变量； ?为广义扩散系数； S为广义源项。

式3-8中各项依次为瞬态项、对流项、扩散项和源项。对于特定的方程，?、?和S具有特定的形式，其对应关系如表3-1所示：

方程 连续方程 x轴动量方程 y轴动量方程 z轴动量方程 能量方程 组分方程 表3-1 通用控制方程中各符号的具体形式 ? S ? 1 u v w T Cs0 ? ? ? k/Cp ??x??x??x(??u?x?u?y?u?z)???y??y??y(??v?x?v?y?v?z)?0 ??z??z??z(??w?x?w?y?w?z)?2?3?x2?3?y2?3?z?(divu)? (?)?(?)?(?)?(divu)?(?)?(?)?(?)?(divu)STSs Ds? 3.2.2 计算模型

在热风炉的数值模拟中，我们要确定采用什么样的计算模型，即通知FLIENT是否考虑传热，流动是有粘、层流还是湍流，是否多相流，是否包含相变，计算过程中是否存在化学组分变化和化学反应等。 （1）粘性模型

粘性是流体内部发生相对运动而引起的内部相互作用。粘性大小依赖于流体的性质，并显著地随温度而变化。实验表明，粘性应力的大小与粘性及相对速度成正比。当流体的粘性较小（如空气和水的粘性都很小），运动的相对速度近似地把流体看成是无粘性的，称为无粘流体，也叫做理想流体。而对于有粘性的流体，则称为粘性流体。但真正的理想流体在客观实际中是不存在的，它只是实际流体在某种条件下的一种近似模型。

FLUENT提供了7种粘性模型：Inviscid模型、Laminar模型、Spalart-Allmaras（1 eqn）模型、k-epsilion（2 eqn）模型、k-omega（2 eqn）模型、Reynolds Stress模型和Large Eddy Simulation模型。其中Inviscid模型是进行无粘计算，不需要用户输入任何与计算模型有关的参数。Laminar模型进行层流计算，它与无粘模拟一样，不需要输入参数。Spalart-Allmaras（1 eqn）模型用于求解动力涡粘输运方程的相对简单的一种模型，它是专门用于求解航空领域的壁面限制流动，对于受逆压力梯度作用的边界层流动，已取得很好的效果，在透平机械中的应用也越来越普遍。k-epsilion（2 eqn）模型又分为标准

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k-e模型、RNG k-e模型和Realizable k-e模型3种。这类模型是目前粘性模拟使用最广泛的模型。k-omega（2 eqn）模型能应用于壁面约束流动和自由剪切流动。Reynolds Stress模型是最精细制作的湍流模型。它放弃了各向同性的涡粘假定，直接求解Reynolds应力方程。总体来讲Reynolds Stress模型的计算量很大。当要考虑Reynolds应力的各向异性时，例如飓风流动、燃烧室高速旋转流、管道中二次流，必须用Reynolds Stress模型。Large Eddy Simulation模型只对三维问题有效，是目前比较有潜力的湍流模型。

本次的数值模拟中综合考虑计算机的计算强度及正确反应实际工程中的湍流流动，我们选择应用最广泛的k-epsilion双方程模型来模拟工程中的湍流流动。双方程模型是在单方程模型的基础上，再增加一个方程来使方程组真正封闭。k-epsilion双方程模型形式比较简单，计算量也比较小，又能较好地反映大多数工程实际中的湍流运动，并得到工程上满意的结果。故本文中采用的粘性模型就是k-epsilion双方程模型。 （2）辐射模型

在工程用燃烧设备中，火焰传热中辐射换热约占90%，在火焰传热过程中起主导作用。所以在对炉内燃烧和流动过程进行数值模拟时，选择合适的辐射传热模型就非常重要。

a) 辐射模型的概述

辐射换热是高温条件下换热的主要机制，黑体单位时间内发出的辐射热量与温度的四次方成正比例，因此在计算高温换热问题中，当辐射换热量与导热、对流换热量相比比较大时，应考虑辐射换热。多原子气体如甲烷有相当大的辐射本领。气体辐射不同于固体和液体辐射，具有两个突出的特点：第一是气体辐射对波长由选择性；第二是气体的辐射和吸收式在整个容积中进行的。FLUNET中可以用五种模型来计算辐射换热问题，分别是离散换热辐射模型（DTRM）、P-1辐射模型、Rosseland辐射模型、表面辐射模型（S2S）和离散坐标（DO）辐射模型。

DTRM模型时一个比较简单的模型，它可以通过增加射线数量来提高计算精度，同时这个模型可以用于任何光学厚度。但该模型假设所有表面都是漫射表面，没有考虑辐射的散射效应，如果采用大量射线进行计算的话，会给CPU增加很大的负担。

P-1辐射模型相对于DTRM模型而言有一定的优点。它的辐射换热方程是一个计算相对较小的扩散方程，同时模型中包含了散射效应。在燃烧等光学厚度很大的计算问题中，P-1辐射模型的计算效果都比较好，但在光学厚度比较小的情况下，其计算精度会受到几何形状复杂程度的影响。

Rosseland辐射模型不像P-1辐射模型那样计算额外的输运方程，因此它的计算速度更快，需要的内存更少。但Rosseland辐射模型仅能用于光学厚度大于3的问题，同时计算中只能采用压力基求解器进行计算。

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DO辐射模型是使用范围最大的模型，它可以计算所有光学厚度的辐射问题，并且计算范围涵盖了从表面辐射、半透明介质辐射到燃烧问题中出现的参与性介质辐射在内的各种辐射问题。如果网格划分不是特别细的话，计算中所占用的系统资源也不大。

表面辐射模型（S2S）适用于计算在没有参与性介质的封闭空间内的辐射换热计算，比如飞船散热系统、太阳能集热器、辐射式加热器和汽车机箱内的冷却过程等。同DTRM和DO模型相比，S2S模型虽然视角因子的计算需要占用较多的CPU时间，但在每个迭代步中的计算速度都很快。

b) 辐射模型的选择

可以用光学厚度aL作为选择辐射模型的一个指标。a为介质的吸收系数，L为计算域的特征长度尺度。在光学厚度远远大于1时，最好选用P-1和Rosseland辐射模型进行计算。P-1模型一般用于光学厚度大于1的情况。在光学厚度大于3时，则应该选用计算量更小而且效率更高的Rosseland模型。对于更高的光学厚度，推荐使用DO模型和二阶离散格式。DTRM和DO模型对于任何光学厚度都适用，但他们的计算量比较大。因此计算中在允许的情况下应尽可能选择辐射模型。对于光学厚度比较小的问题（小于1），只能用DTRM和DO模型进行计算。

此热风炉的吸收系数为0.8，特征长度尺度为1，所以其光学厚度为0.8，再考虑到DTRM是一个比较简单的模型，所以本文选择DTRM辐射模型来模拟热风炉的辐射换热。 （3）组分运输燃烧模型

组分模型用于对化学组分的输运和燃烧等化学反应进行模拟。FLUENT提供的组分模型包括：Generalized finite-rate model（通用有限速率模型，即Species Transport）、Non-premixed combustion model（非预混燃烧模型）、Premixed combustion model（预混燃烧模型）、Partially premixed combustion model（部分预混和燃烧模型）和Composition PDF Transport model（组分PDF输运模型）。在上述各组分模型中，通用有限速率模型主要用于化学混合、输运和反应的问题，壁面或粒子表面反应的问题（如化学蒸汽沉积）。它的化学涡流反应有四种形式，分别是：Laminar Finite-Rate、Finite-Rate/Eddy- Dissipation、Eddy-Dissipation、EDC。非预混燃烧模型主要用于包含有湍流扩散火焰的反应系统。预混燃烧模型主要用于完全预混得燃烧反应系统。对于有限率化学反应非常重要的湍动火焰，使用EDC格式的有限率模型或PDF输运模型。

Species Transport模型对应于通用有限速率模型，建立在对组分输运方程的解的基础上，同时采用了用户所定义的化学反应机制。本文使用涡团耗散模型对炉膛内的燃烧进行模拟。

3.3 边界条件

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所谓边界条件，是指在求解域的边界上所求解的变量或其一阶导数随地点及时间变化的规律。只有给定了合理边界条件的问题，才可能计算得出流场的解。

热风炉的边界条件设置为： （1） 进口边界条件

流动进口边界就是指在进口边界上，指定流动参数的情况。常用的流动进口边界包括速度进口边界、压力进口边界和质量进口边界。对于不可压缩流体的湍流燃烧问题，并且在已知空气和燃气量的情况下，选择速度进口边界条件很合适。

燃气、空气进口设置为速度进口（velocity-inlet）边界条件。速度分别设置为20m/s，燃气和空气的入口温度等于环境温度为15?C。

混合空气进口也设置为速度进口（velocity-inlet）边界条件。速度不需要太大，设置为5m/s，温度也等于环境温度为15?C。

（2） 出口边界条件

流动出口边界条件是指在指定位置上给定流动参数，包括速度、压力等。出口边界条件包括压力出口边界条件、压力远场边界条件和出流边界条件。一般来说，出流边界条件用于模拟在求解前流速和压力未知的出口边界；压力远场边界条件用来描述无穷远处的自由可压流动，该边界条件之可用于可压气体流动，气体的密度通过理想气体定律来计算。

此热风炉是不可压缩流体的湍流燃烧，已知出口静压，可以设置为压力出口边界条件（pressure-outlet），此条件需要在出口边界处设置静压。

（3） 壁面条件

壁面是流动问题中最常用的边界，它用于限定流体和固体区域。在粘性流动中，壁面处默认为无滑移边界条件。壁面中的热边界条件包括热通量、给定的壁面温度、对流传热边界条件模型、外部辐射边界条件，对流与外部辐射相组合的边界条件模型和耦合传热条件。根据实际参数，规定了各不同壁面的材质、粗糙度及导热系数和辐射系数，并认为壁面是导热和漫反射面。实验研究表明，近壁区域可以分为三层，最近壁面的地方被称为粘性底层，流动是层流状态，分子粘性对于动量、热量和质量输运起到决定作用。外区域称为完全湍流层，湍流起决定作用。在完全湍流与层流底层之间区域为混合区域，该区域内分子粘性与湍流都起着相当的作用。因此，在靠近壁面处由于粘性的影响使流动速度降低，这时湍流模型就不适合了。针对低雷诺数流动的情况解决方法有两种，一种是采用低雷诺数湍流模型，另一种是采用壁面函数法。在工程上，我们常常采用壁面函数法。采用壁面函数的方法可以避免改进模型就可以直接模拟壁面存在对湍流的影响。对于多数高雷诺数流动问题，采用壁面函数的方法可以减少计算量并具有一定的精度。

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标准壁面函数的推导是根据普朗特假设，把速度u表示为u?f(?,?w,?,y)，再用无因次分析得出

u?1/2?w1/2?f(y?1/2?w1/2?)，并定义无因次量u?*?w?，u??uu*，和y???yu?*，

经整理后就得出标准壁面函数u*?f(y?)。对于许多的湍流流动，要确定标准壁面函数的具体的形式是很难的，这时就需要一些理论模型和试验数

据了。通常认为湍流为充分发展流，在粘性底层速度分布认为是线性分布u??y?。在

y?30?60区域，平均速度满足对数分布u?Cln(y)。

???对于所设计的热风炉，在固体壁面处本文设置为默认的无滑移速度边界条件，且采用壁面函数法。

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第四章 热风炉模拟结果及分析

通过对热风炉的数值模拟可以得到热风炉任意剖面的速度场、浓度场、温度场，能清晰地观察热风炉内燃烧空气和天然气的流动状态和燃烧状况。

4.1 温度场

模拟计算得到热风炉水平截面的温度场如图4-1所示:

图4-1 旋流热风炉水平截面温度场

从图4-1可知，燃气从燃烧器出来后，用点火器点燃，燃烧火焰在水平截面图上呈现为Y形，表明燃气在进行旋流燃烧，形成了旋流火焰。旋流火焰的长度不是很长，这是因为旋转气流增加了紊流脉动，使混合过程得到强化。此外，火焰的温度达到了1780?C，能与实际情况较好的相符合。

图4-2是没有使用旋流器热风炉的水平截面温度场，从图中我们可以看出，在没有旋流的作用下，热风炉的火焰长很多，这是因为普通热风炉没有旋流器来增加气流的紊流脉动，使混合过程得不到强化，因此火焰变长。此外，没有旋流的热风炉的火焰中心在炉膛中，远离了燃烧器，容易产生脱火的危险。而加了旋流器的热风炉的火焰中心在燃烧器出口处，可以看出，旋流器能够稳定燃烧。通过比较普通热风炉和本文所设计的旋流热风炉，可以得出加了旋流器的热风炉炉膛还可以设计得短一点，这样不仅火焰得到了稳定和强化，而且还可以节约材料，减少炉子的占地面积。

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图4-2 无旋流热风炉水平截面温度场

再来看看图4-1热风炉的混合区，温度有明显的分层现象，从中心往两边依次降低，中心温度最高，达到了300?C，壁面温度最低，为100?C。这表明烟气和空气并没有完全混合。为了更好的研究出口烟气的温度情况，我们来观察混合区出口处温度的云图4-3和曲线图4-4。

图4-3和4-4清楚的表示了出口烟气温度的分层现象，云图中心温度最高，并依次向外递减。温度的曲线图也呈现出抛物线的形式。

图4-3 混合区出口处烟气温度云图

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图4-4 水平截面混合区出口处温度变化曲线图

造成烟气和空气混合不均匀的原因是混合区的长度不够长，混合的气流速度也不大，进入混合区时，冲量不够大，在与烟气相遇时没有造成很大的扰动。因此，在设计时，可以加长热风炉的混合区长度，延长空气与烟气混合的时间。并且在炉膛的出口处安装蜂窝陶瓷。蜂窝陶瓷不仅可以为热风炉炉内的烟气设置一道屏障，防止炉内的压强过低，而且将出口的烟气分成了多股细流，能加强烟气和混合空气的混合。

通过FLUENT软件，我们可以计算出在混合区出口烟气的加权平均温度为199?C，温度范围符合设计的目标在150?C-250?C之间。所设计的热风炉符合要求。

下面我们再来看看沿Z轴方向炉膛内壁的温度情况。

图4-5 炉膛壁面温度云图

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图4-6 沿Z轴方向炉膛壁面温度变化散点图

图4-5的炉膛温度云图显示出了温度在水平方向呈递减趋势，在远离火焰区的炉膛壁面温度最低的只有500?C。在火焰燃烧区，炉膛的壁面温度达到了877?C。与设计计算时估计的炉膛内壁温度1000?C相比，相对误差为123?C，绝对误差为12.3%。

图4-7 热风炉外壁面温度云图

图4-7为热风炉外壁面温度云图，从图中我们可以看出，外壁面的温度为15?C，满足壁面温度不超过70?C[13]

的要求。

4.2 速度场

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图4-8 旋流热风炉水平截面速度场

通过观察图4-8，我们可知，速度最大处为燃气和燃烧空气入口处，在20m/s-30m/s之间，满足速度区间15m/s-30m/s。混合空气圆环处的速度为4.81m/s，与设计时选取的速度5m/s符合得很好。但混合空气圆环处也有少数速度为3.22m/s，这是因为壁面是粗糙的，空气流动时会遇到阻力，近壁区的速度会减小。且在燃烧室内，边缘速度大于中心速度。在燃烧器出口处出现了回流区。

图4-9 无旋流热风炉水平截面速度场

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/jphg.html