热风炉冷风分布计算机模拟

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1995.s1.007 第17卷增刊 北京科技大学学报 Vol.17 1995年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.1995 热风炉冷风分布计算机模拟 张捷宇 陈义胜》那树人》贺友多 汪大宏2》周焕威2》 刘培生》王劲宇) 1)包头钢铁学院2)包钢公司炼铁厂 摘要应用紊流三维数学模型模拟内燃式热风炉内冷风在格子砖柱中的分布，讨论了加设不同宽 度不同布置的导流板对气流分布的影响，寻求改善其分布的途径. 关键词热风炉，气流分布，计算机模拟 Computer Simulation of the Cold Air Distribution in Hot Blast Furnace Chang Jieyu Chen Yisheng Na Shuren He Youduo Wang Dahong Zhou Huanwei ABSTRACT Based on 3D heat transfer program,air flow field distribution in a hot blast furnace is discussed with or without guide. KEY WORDS hot blast furnace,air distribution,computer simulation 1数学模拟基本数据 数学模拟的依据是现有包钢1#高炉内燃式热风炉.基本数据见表1. 表1基本数据 热风全高/m 外径/m 支柱高/m 支柱直径/mm 支柱数/根 43.905 7.992 1.7 340 30 冷风流量/m3·h-t 拎风压力/MPa 冷风温度/℃ 入口风速m/s 燃烧室直径/mm 2840 0.365 100 14.00 3914 2模拟研究方法简介 采用贺友多教授开发的三维流动软件.通过计算机模拟给出热风炉支柱空腔内的冷风流 ·1995-10-06收稿

第 卷 增刊 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 反 热风炉冷风分布计算机模拟 张捷 宇 ‘ ， 陈义 胜 ‘ ， 那树 人 贺友多 ‘ ， 汪 大宏 “ ， 周 焕威 刘培 生 ， 王 劲 宇 ， 包头钢铁学 院 包钢公 司炼铁厂 摘要 应用 紊 流三维数学模 型模拟 内燃式热风炉 内冷风在格子砖柱 中的分布 ， 讨论 了加设不 同宽 度不 同布置 的导 流板对气流分布的影 响 ， 寻 求改善其分布 的途径 关锐词 热风炉 ， 气流分布 ， 计算机模拟 压 口 ， ， ， 数学模拟基本数据 数学模拟 的依据是现 有包钢 高 炉 内燃式热 风炉 基本数据 见表 表 墓本橄据 热 风全高 外径 支柱高 支柱直径 支柱数 根 冷风流量 · 一 ’ 冷 风 压 力 冷 风温 度 ‘ 入 口 风速 燃烧室直径 模拟研究方法 简介 采用 贺友 多教授开发 的三维 流 动 软件 通过 计算机模拟 给 出热 风 炉 支柱 空腔 内的冷 风 流 辛 一 一 收稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1995．s1．007

张捷宇等：热风炉冷风分布计算机模拟 ·35· 动状况和冷风进入每一个格孔之流速；再通过调整支柱孔腔内的流场使冷风进入每一个格孔 的流速尽可能达到均匀，从而提高热风炉蓄热室的利用率. 2.1数学模型 通用方程 景+品，)-品r品o)+s a 各控制方程对应的参变量如下： 方程 防 r S 连续方程 1 0 0 X方向动量方程w Y方向动量方程 -ap + au)一 AOu, Ox 20x -puv Z方向动量方程 w p k方程 k u/o 0u) (Du Ou -PE e方程 Qu: μ/o。 a十x, E/kC ax. -C2PE] 通用差方程 aPpr=aE中E十wpw十awpw十5ps+as$+as4a+b 2.2边界条件 固体边界中=0.0；对称边界中（梯度）=0.0；固体边界附近采用壁面函数处理. 16 14 12 10 8 101214161820222426 2830323436 图1模拟计算网格图

张捷宇等 热风炉 冷风分 布计算机模拟 动状况 和 冷风进入 每一个格孔之 流速 再通过调整支柱孔 腔 内的流场使冷 风进入每一个 格孔 的 流速尽 可能达到 均 匀 ， 从而提高热 风炉 蓄热 室 的利 用 率 数学模型 通用 方程 县砂 具 户 一 具 具 。 、 以 口工少 少 口 少 各控 制方程对应 的参变量如下 方 程 必 了 一产 连 续方程 一通“ 方 障 方程 方 向动量方程 方 向动量方程 方 程 产 。 方程 ￡ 产 氏 寻 最、 舞 舞 ，一 鲁 一 ， ，月 风 舞 爵 ，舞 一 夕 · · ‘ 仁 ， ‘髦 爵髦 一 ，· 〕 通 用 差方程 外卉 一 气人 听卉 勺人 六 卉 如 边界条件 固体边界 笋一 对 称边 界 笋 梯度 一 固体边 界 附近 采用 壁 面 函 数处理 叮， 日 门门 门门门因月冈口 门【 〕 刁曰用日 目目团日四月日「一门 门 「 日 门日曰门门门日曰日门门 门曰门门日日曰 门 日日 门日门门门川日曰门日川 门门日日日日曰 月 目卜 一目卜 一佗口一 司口曰 、 一州卜州目卜 闷日卜州二州日吮州日卜 叫川卜目州川卜一州日 曰 门卜弋到门匕到门匕州日卜一叫日卜州川卜 州日 曰卜 ， 叫卜 ，州日月州川卜州日州日 以 剑川色竺曰日卜叫曰明 曰曰 日 川日国川日川目目目日川川川目目川日州卜州 日川旧目川目目 曰比 日 川冈目川目川川目目日川目川目日曰日一匕到一州 田目出日川 目 川 才川目目目 目目日日日目 日 日日日日曰 目目 日 夕声 目目 日目目日日日日 日 日 目曰 」曰日目目一 沪 声洲‘ 日 日 日 日日 州日曰六六日 ， 州卜 卜‘ 卜十 洲卜 目日 日 卜 曰 一一刊目 曰曰曰曰 目 川 日 曰 日 阳 日 日 日 曰 日 曰 日 曰曰卜 日 目 目 川 日 目 一书 日 目 日 用目目 日日 目 日 目曰卜州 日目曰目目二卜 目卜 团 日出日出日日日日出日出 一 目 士日田日囚日 曰 龙、六 目 目目 日日日目目日卜日日日 日目日日 日 又 一 不 日勺 下日气 下目 ， ，‘ 尸一 ， 洲日 日卜 日目片 乃、 、 、 一一「一 目日士 土目川 目目目 二 日 日 目 日 ‘ 茸一 刃 日日目日日 一召卜 ，日臼一卜 一 一 曰曰曰卜 一一占一日日件斗目 卜 目 目 图 模拟计算网格图

·36· 北京科技大学学报 2.3求解方法 网格划分见图1.采用SIMPLE算法，在IBM一PC386机执行，运行时间2.5h左右. 模拟方案：a.采用加设竖直导流板并且调整导流板高度来控制气流.b.采用加设水平导 流板并且调整导流板长度和布置方式来控制气流.©.采用水平导流板和竖直导流板混合使用 来控制气流的分布. 3模拟结果与讨论 (1)调整冷风在格子砖柱内的分布状况见图2.从图2可见气流沿着冷风入口轴线方向直 冲对墙，在对墙和主气流冲击的第一根支柱上形成较大的出口流速、在靠近燃烧室的三角形 区域(i=2~9j=2~10)形成一个弱流区.整个蓄热室格子砖柱中冷风入口处气量分布 极不均匀， (2)加竖直导流板后冷风在格子砖柱内的分布状况见图3.图3为K=5~6的高度上加 设导流板的情况。从图可见，支柱空腔内加设竖直导流板可心抑制主流股正对前方和边缘气 流，竖直导流板位置靠下，边缘气流减弱，中心气流加强；竖直导流板位置靠上，边缘气流 加强，中心气流卷吸加强。 (3)加水平导流板后冷风在格子砖柱内的分布状况见图4~图5.图4为加设一块水平导 流板；图5为风段加设两块水平导流板。从图可见，加设水平导流板使格子砖柱水平截面上 气量分布相对均匀，但原三角形弱流区进一步加重.同时水平导流板分段设置（见图5）比整 体设置（见图4）气流分布相对均匀，弱流区卷吸也相对小. (4)水平导流板和竖直导流板混合使用后冷风在格子砖柱内的分布使格子砖柱水平截面 上气量分布相对均匀，三角形弱流区明显改善。 图2未加导热板时格子砖柱 图3K=3~5高度上加设竖直导板时格子砖柱 冷风人▣气量图 冷风人口气量图

· · 北 京 科 技 大 学 学 报 求解方法 网格 划分 见 图 采 用 算法 ， 在 一 机执行 ， 运 行 时 间 左右 模 拟 方案 采 用 加设 竖 直 导 流板 并且调 整导 流板 高度 来控制 气流 采 用 加设 水平导 流板并且调 整导 流板 长 度 和 布置方式 来控 制气 流 采用水平导 流板 和 竖 直导 流 板 混 合使 用 来 控 制气 流 的分布 模拟结果与讨论 调 整 冷 风 在 格 子 砖柱 内的分 布状况 见 图 从 图 可 见气 流沿 着 冷 风 入 口 轴 线 方 向直 冲对墙 ， 在 对墙 和 主 气 流 冲击 的 第一 根 支 柱上 形 成较大 的 出 口 流速 ， 在 靠近燃烧室 的三 角形 区 域 一 一 一 一 形 成 一 个弱 流 区 整 个蓄热 室格 子 砖柱 中冷 风入 口 处 气 量分布 极 不均 匀 加 竖 直 导 流 板 后 冷 风 在格 子 砖柱 内的分 布状 况 见图 图 为 一 一 的高 度 上加 设 导 流 板 的情 况 从 图可 见 ， 支柱 空腔 内加设 竖直导 流板 可心抑制 主 流股正 对 前 方 和 边 缘 气 流 ， 竖 直 导 流 板 位置 靠 下 ， 边 缘 气 流减 弱 ， 中心 气 流 加强 竖直导 流 板 位置 靠上 ， 边 缘 气 流 加强 ， 中心 气 流 卷 吸 加 强 加 水 平 导 流 板 后 冷 风 在 格子砖 柱 内的分布状况 见 图 一 图 图 为 加设 一块水平导 流板 图 为风段 加设 两块 水 平 导 流 板 从 图可 见 ， 加设 水平导 流板 使格子砖柱 水平截 面上 气量 分 布 相对均 匀 ， 但原三 角形 弱 流 区进 一步 加重 同时水 平导 流板分段设 置 见 图 比整 体设置 见 图 气 流分布 相对均 匀 ， 弱 流 区 卷 吸也相对 小 水平导 流板 和 竖 直 导 流板混 合使用后冷 风 在 格子 砖柱 内的分 布使 格子 砖柱 水 平 截面 上气量 分 布相 对均 匀 ， 三 角形 弱 流 区 明显 改 善 了 图 未加导热板时格子砖柱 冷风人 口 气 图 图 一 一 高度 上 加设竖 直导板 时格子砖柱 冷 风 人 口 气 量 图

张捷宇等：热风炉冷风分布计算机模拟 ·37· 图4加设1块水平导流板时 图5分段加设两块水平导流时 格子砖柱冷风人口气量图 格子砖柱冷风人口气量图 4结论 (1)通过支柱空腔内加设竖直导流板可以抑制主流股正对前方的边缘气流，竖直导流板 位置向下，边缘气流减弱，中心气流加强；竖直导流板位置向上，边缘气流加强，中心气流 卷吸加强.通过支柱空腔内加设水平导流板使出口气流均匀，但造成了较大的死区.(2)单 独用竖直导流板或水平导流板不可能很好地实现冷风在格子砖柱内的均匀分布，采用竖直导 流和水平导流板相结合的手段，可使气流合理分配，从而提高热风炉送风温度. 参考文献 1冶金部武汉冶金建筑研究院。带气流疏导装置的热风炉鼓风室.专利审定号(CN一1017627B,1992 2 Patankar S V.Numerical Heat Transfer and Fluid Flow.USA:McGraw HILL Book Company,1990

张捷宇等 热风炉 冷 风分 布计算机模拟 图 加设 块水平导流板时 图 分 段 加设两块水 平导流时 格子砖柱冷风人 口 气 量图 格子砖柱冷风 人 口 气量 图 结论 通 过 支柱 空腔 内加设 竖直导 流 板 可 以 抑 制 主 流 股 正 对 前 方 的边缘气 流 ， 竖 直 导 流板 位置 向下 ， 边缘气流减弱 ， 中心气 流 加强 竖 直导 流 板 位置 向上 ， 边 缘气 流 加 强 ， 中心气 流 卷 吸加强 通 过支柱 空腔 内加设 水 平 导 流板 使 出 口 气 流均 匀 ， 但造 成 了较大 的死 区 单 独 用 竖直导 流板或水平 导流板 不 可 能很 好 地 实 现 冷 风 在 格 子 砖 柱 内的均 匀 分 布 ， 采 用竖直导 流和 水平导 流板相 结 合的手段 ， 可 使 气 流 合理 分 配 ， 从 而 提高 热 风炉 送风 温 度 参考文献 冶 金部武汉 冶金建筑研究院 带 气流疏 导装 置 的 热 风炉 鼓 风 室 专利 审 定号 一 ， 、 一 一 一 洲〕