蓄热式加热炉流场的数值模拟

D0I:10.13374/j.issn1001053x.2003.02.009 第25卷第2期 北京科技大学学报 Vol.25 No.2 2003年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2003 蓄热式加热炉流场的数值模拟 杨湘”程素森”郭汉杰)吴光亮)李士琦)朱荣) 1)北京科技大学治金学院，北京1000832)北京科大国泰能源环保工程技术有限公司，北京100083 摘要利用大型软件C℉X建立了蓄热式加热炉炉内速度场的数学模型，采用k-ε模型数值 模拟炉内的湍流流动，分析喷口几何形状及尺寸，喷口的分布位置等对炉内的速度分布的影 响.计算结果为，蓄热式加热炉炉内流场与传统加热炉迥然不同，流场分布有利于燃料和助 燃空气的混合，符合高温低氧燃烧的的流场分布.另外，影响炉内速度场的因素有炉型结构、 喷口几何形状与尺寸及喷口的分布位置等. 关键词蓄热式加热炉；湍流模型：数值模拟：流场 分类号TF062:TG307 高温空气燃烧技术(HTAC)是由日本学者田 烧产物的再循环阿.月前，国内外有关高温低氧燃 中良一在20世纪80年代末提出的，它是一种新 烧采取的主要措施有两种：一种方法是燃气/空 型燃烧技术，具有高效烟气余热回收和高温预热 气多级燃烧及烟气回流：另一种方法是燃气与空 空气助燃以及低NO排放等多重优越性.高温空 气成一角度喷入炉内，使燃气在炉内逐步与空气 气燃烧与传统燃烧过程从热力学动力学到燃烧 混合，达到延缓燃烧、降低NO,的目的[.本文通 室内的传热过程，都有明显的区别.这些特征为 过对某钢厂蓄热式加热炉的流场进行数值模拟 大幅度节能，降低污染物排放，开发新型能源利 研究，对燃气和助燃空气平行及以一定夹角喷入 用途径提供了前所未有的条件.20世纪90年代 炉内的两种情况进行分析，得到符合加热炉实际 以来，在工业化国家的钢铁、冶金、机械、建材等 的流场分布情况，对进一步优化蓄热式加热炉的 工业部门的各种工业炉窑中，HTAC技术的应用 设计具有十分重要的指导意义， 呈现迅猛发展的势头，到1995年底统计，国际上 已有800台窑炉采用了该技术，因而受到了国际 1数学模型 工业界和科学界的广泛关注-刃. 蓄热室加热炉是20世纪末随着高温低氧燃 1.1原始条件 以某钢厂的蓄热式加热炉为研究对象，炉膛 烧技术(HTAC)成功开发而涌现的新一代节能环 保型加热炉，该类加热炉不仅能大幅度节能，降 尺寸为12000mm×12600mm×3800mm(长宽 低投资与生产成本，减少污染物（特别是O)的 高).喷口对称布置在炉子的两侧，几乎沿炉长均 排放量，还能优化工业能源结构，使用低热值燃 匀布置，两侧的喷口交替进行喷气和排烟.喷口 料等多重优点.迄今为止，我国已建成或正在新 分布情况如图1所示，从左到右分别为加热段的 建的蓄热式加热炉已达50余座，并取得了一定 四个喷口和均热段的三个喷口，从上到下分别为 空气喷口、煤气喷口、煤气喷口和空气喷口. 的节能效果，但对NO的排放量没有真正重视. 1.2基本方程 这与我国对蓄热式加热炉的应用基础研究不够 有关.有文献指出，这种燃烧技术的关键是控制 炉内气体流动采用k一ε模型.k-ε模型对紊流 使用涡流粘度假设，连续性方程和动量方程变为： 炉膛内气流流动和混合，使之产生所需热能和燃 8+7-e0=0, 收稿日期2002-07-10杨湘女.24岁，硕+研究生 *国家自然科学基金资助项目No.50144005) d(pUV.(pUxU)-V.(uVU)=-p'+ ∂t

第 2 5 卷 第 2 期 2 0 0 3 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n iv e rs iyt 0 f S c i e n e e a n d eT e b n 0 I 0 yg B e ij i n g V b】 . 2 5 N o . 2 A p r. 20 03 蓄热式加 热炉流场 的数值模拟 杨 湘 ` , 程 素森 ” 郭 汉 杰 ” 吴 光 亮 ” 李士 琦 ” 朱 荣 ” l) 北 京科 技大 学冶金 学 院 , 北京 10 0 0 8 3 2 )北 京科 大 国泰能源 环 保工 程技 术有 限 公司 , 北 京 10 0 0 8 3 摘 要 利用 大 型软 件 C F X 建 立 了蓄 热式 加热 炉炉 内速度 场 的数 学模 型 . 采用 k一 : 模 型数 值 模拟 炉 内的湍 流 流动 , 分析 喷 口 几 何形状 及 尺寸 , 喷 口 的分布 位 置等 对炉 内 的速度 分 布 的影 响 . 计算 结 果为 , 蓄热 式加 热 炉炉 内流 场 与传 统加 热炉 迥然 不 同 , 流场 分布 有 利于 燃料 和 助 燃 空气 的混合 , 符合 高温 低氧 燃烧 的的流 场分 布 . 另外 , 影 响炉 内速 度场 的 因素有 炉 型结 构 、 喷 口 几何 形状 与尺 寸及 喷 口 的分布 位 置等 . 关键 词 蓄热 式加 热 炉 ; 湍流 模 型 ; 数值 模拟 ; 流场 分 类 号 T F 0 6 2 : T G 3 0 7 高温 空气 燃烧 技 术 ( H AT C ) 是 由 日本 学者 田 中 良一在 2 0 世 纪 80 年代 末 提 出 的 , 它 是 一种 新 型 燃烧 技术 , 具有 高效 烟 气余 热 回收 和高 温预 热 空 气助 燃 以及低 N认 排放 等 多 重优 越 性 . 高温 空 气 燃烧 与传 统 燃 烧 过 程 从 热 力 学动 力学 到 燃 烧 室 内 的传热 过 程 , 都有 明显 的 区 别 . 这 些特征 为 大 幅度 节 能 , 降低 污染 物 排放 , 开 发 新 型 能源 利 用途 径 提供 了前 所未 有 的 条件 . 2 0 世 纪 90 年 代 以来 , 在 工业 化 国家 的钢 铁 、 冶 金 、 机 械 、 建 材等 工业 部 门 的各 种 工业 炉 窑 中 , H AT C 技术 的应用 呈现 迅猛 发 展 的势 头 , 到 19 95 年 底 统计 , 国际上 已 有 8 0 0 台窑 炉采用 了该技 术 , 因而 受 到 了国 际 工 业 界和 科 学 界 的广泛 关注 【1一 3] . 蓄 热 室加 热 炉 是 20 世 纪末 随着 高温低 氧 燃 烧 技术 ( H TA C ) 成功 开 发而 涌现 的新 一代 节 能环 保 型加 热 炉 . 该类 加 热炉 不 仅 能大 幅 度 节 能 , 降 低投 资 与 生产 成 本 , 减 少 污染 物 ( 特 别 是 N q ) 的 排放 量 , 还 能优 化 工业 能 源 结构 , 使 用低 热 值燃 料等 多重 优 点` 41 . 迄 今为 止 , 我 国 已 建成 或 正在新 建 的蓄 热式 加 热炉 已 达 50 余座 , 并取 得 了一定 的节 能 效果 , 但 对 N Ox 的排 放 量 没 有真 正 重视 . 这 与 我 国 对 蓄热 式 加 热 炉 的 应 用基 础 研 究 不 够 有 关 . 有 文 献 指 出 , 这种 燃 烧 技 术 的关 键 是控 制 炉膛 内气流 流 动和 混合 , 使之 产 生所 需热 能和 燃 烧产 物 的再 循环 协, . 目前 , 国 内外 有 关高温 低 氧燃 烧 采 取 的主要 措 施 有 两种 : 一 种 方 法 是燃 气 / 空 气 多级燃 烧 及烟 气 回流 ; 另一 种 方法 是燃 气 与 空 气 成 一角 度 喷入 炉 内 , 使燃 气 在炉 内逐步 与 空气 混合 , 达 到 延 缓燃 烧 、 降低 N q 的 目的〔6〕 . 本文 通 过 对 某 钢 厂 蓄 热 式 加 热 炉 的流 场 进 行 数 值 模 拟 研 究 , 对 燃气 和 助燃 空气 平 行 及 以一 定夹 角喷 入 炉 内的两 种情 况 进行 分 析 , 得 到符 合加 热 炉 实际 的流场 分布情 况 , 对进 一 步优 化 蓄热 式 加热 炉 的 设 计 具有 十 分 重 要 的指 导 意义 . 1 数 学模 型 L l 原 始 条 件 以某 钢 厂 的蓄 热式 加 热 炉 为研 究对 象 , 炉膛 尺 寸 为 12 0 0 0 m m x l 2 6 0 0 m x 3 8 0 0 m ( 长 宽 高 ) . 喷 口 对 称 布置 在炉 子 的两 侧 , 几 乎沿 炉 长均 匀 布 置 , 两 侧 的喷 口 交替 进 行 喷气 和 排烟 . 喷 口 分 布情 况 如 图 1 所 示 . 从左 到 右分 别 为 加热 段 的 四个喷 口 和 均 热段 的三个 喷 口 , 从 上到 下 分别 为 空气 喷 口 、 煤气 喷 口 、 煤 气 喷 口 和 空气 喷 口 . L Z 基 本 方程 炉 内气 体流 动 采用 k 一 : 模 型 . k 一 。 模 型对 紊流 使用 涡流 粘度 假 设 ,连 续 性方 程和 动 量方 程变 为 : 争 甲 · 勿功 - 收稿 日期 2 0 02 刁-7 10 杨湘 女 , 24 岁 , 硕十 研 究生 * 国家 自然 科学 基金 资助项 目(N .0 5 01 4 0 5) 旦黔 , · 切xU 功 一 ? · 畅甲 功 一 护十 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2003. 02. 009

·136 北京科技大学学报 2003年第2期 2.4设置求解问题的数学模型、参数和边界条件， 00 0口口口 流体的物理属性及求解策略 口口 口 口口▣口 (1)数学模型及相关参数的设定.采用湍流方 程模拟流体流动，参数普朗特长度为：面积(2× 周长)，湍流消耗系数为0.037. 口 口口口口白 口 ▣0口00口 ▣ 仅考虑流体的速度场时，根据马赫数<03可 假定流体为不可压缩流体. (2)边界条件的设定，不少文献强调在端流计 图1蓄热式加热炉的喷口分布情况 算中边界条件的设定非常重要，Sturgess认为流 Fig.1 Injector nozzles'distribution of the regenerator re- 动的数值模拟对边界条件的设定很敏感？，网格 heating furnace 的选择也很重要，二者决定了流场的整体正确 性.边界条件的设定主要包括：(a)气体入口.计 7-[4,dVU)门+B. 算区域在喷口处作了适当的延长以便在入口喷 式中，p和U是主流的密度和速度；4m是有效粘 口能获得充分发展的速度场，入口处速度设为30 度，定义4m=4+,为紊流粘度；B是体积力. m/s.(b)炉气出口.在炉气出口处采用质量边界条 在-6模型中，假设：，=C,p仁，解素流动能 件.（©）炉墙的处理，炉子内侧墙为流场的固定壁 k和紊流耗散速率ε的传输方程为： 面边界.采用固体壁面无滑移条件限定壁面上流 (kV.(pUk)-V.[+V=P+G-Pe. 体各方向速度，由于壁面的作用，靠近壁面处的 0 流动将不是完全的湍流，其附近各变量会有快速 4-6国7* Ot 的变化，这样就避免靠近墙附近更细的网格划 C,是P+Cmax(G,o]-Cp{ 分，并且它们的所有行为将由壁面函数决定， 相应地，P为剪切生成项， (3)流体的物理属性.流体的物性参数分别为 P-paVU-[VU+(VU)-3V.UV.U+p. 密度0.329kg/m'和粘度4.43×105.物性参数均参 照温度1000℃选定. G为体积生成项，G=G+Go+Ga,G,Got,Ge分 (4)求解.计算经过4000次迭代直到收敛，得 别代表浮力、旋转力和阻力的生成项可， 到炉内一系列流场结果. 2模型求解 3计算结果及分析 2.1几何建模 根据蓄热式加热炉的物理模型，利用软件 3.1炉内气体流动基本情况 CFX的BUILD模块构造流体的流动区域的几何 图2分别给出了计算的炉内X-Y平面，X-Z 模型，为物理空间的离散化作准备. 平面和Y一Z平面的流场分布.总的来说，炉内流 2.2设定边界位置 场是与传统加热炉的流场截然不同的.从炉墙一 将蓄热式加热炉一侧的喷口定义为入口.按 侧喷口喷入的28股射流向三个方向—特别是 照从入钢口到出钢口，从炉子上部到炉子下部的 Y方向（炉宽方向）一快速扩散，并且相互间发 顺序依次定义为NLET1,NLET2,,NLET28.由 生强烈混合.气流在炉气入口附近形成大量小漩 于软件本身的局限性，将蓄热式加热炉另一侧所 涡，沿气流速度主方向（炉宽方向）逐渐合并行成 有的喷口汇集作成一个出口，并定义为OUTLET.. 一些大旋涡，卷吸炉内的烟气，有利于形成燃烧 这样能很好地避免多出口时流体质量分配问题. 的低氧气氛，使得加热炉上高温低氧技术的应用 23画出流动区域的网格，生成几何文件 成为可能， 采用固定正交的非均匀网格.在保证喷口处 从图2(a)可以看出，在加热段形成了一个大 有三个网格的前提下，网格大小由靠近炉墙和喷 漩涡是由于炉子长度方向上喷口分布位置不对 口处的60mm渐渐变大为100mm至200mm不 称引起的炉气回流，很明显，这种流动方式延长 等，共生成网格数大约40000个， 了炉气在炉内的停留时间，引起热和燃烧产物的

一 136 - 北 京 科 技 大 学 学 报 2003 年 第 2 期 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口口 口口 认 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口口 口口 图 1 蓄热式 加 热炉 的喷 口分 布情 况 F gi · 1 Inj 耽to r n oz lz e s , dis t r ib u t io n o f t h e r 昭e n e r a ot r er · h e a 如9 fu r n a c e 甲 · 叻 。武甲 功 T 〕+B . 式 中 , p 和 U 是 主流 的 密度 和 速度 ; 阵 f 是有 效 粘 度 , 定义热 。 = 召切 T , 召T 为紊 流粘度 ; B 是 体 积 力 . 一 , . ~ 一 , _ , , 、 。 一 护 一 ~ 、 , _ . ~ 在 k一 “ 模 型 中 , 假 设 : 脚一 几户弋 一 , 解 紊流 动 能 k和 紊 流耗 散速 率 。 的传 输方程 为 : 黔争 甲 · 勿价) 一 甲 · 甲 · 切跳) 一 甲 · !卜喇叫 一 +P G 一凡 !卜喇叫 - ~ ￡ 。 。 . ~ , ~ 八 、 , 。 扩 L `下尹 ` , m ax t认u )」一 L 沪下 · 相 应地 , P 为 剪切 生 成 项 , _ 一 _ , 。 ~ _ , . , 一 _ * , 2 一 , 、 ~ , , . p 一“ , , U · [, +U (v 研 一 含甲 · 外 ` 甲 · +UP k) ] , ` 为体 积 生 成项 , G = 6 b助, + 疏 + 6 同 , G 加叮 , 硫 , 砚 。 分 别 代表 浮 力 、 旋转 力 和 阻力 的生 成 项’ 71 . .2 4 设 兰求 解 问题 的 数学模 型 、 参 数和边 界条 件 , 流体 的物理 属 性 及求 解策 略 ( 1) 数学 模型 及相 关参 数 的设 定 . 采 用湍 流 方 程 模拟 流体 流 动 , 参 数普 朗特 长度 为 : 面积 (/ x2 周长 ) , 湍 流 消耗 系 数 为 .0 0 37 . 仅考 虑流 体 的速 度 场 时 , 根 据 马赫 数 < .0 3 可 假 定 流 体 为不 可压 缩 流体 . (2 )边 界条件 的设定 . 不少 文献 强 调在 湍流 计 算中边 界 条件 的 设定 非 常重 要 , s trU g e s s 认 为流 动 的数 值模拟 对边 界 条件 的设 定很 敏 感 门 , 网格 的 选 择 也 很 重 要 , 二 者 决 定 了流 场 的 整 体 正 确 性 . 边 界条 件 的设 定 主要 包 括 : (a) 气 体 入 口 . 计 算 区 域在 喷 口 处 作 了适 当 的延 长 以便在 入 口 喷 口 能获 得充 分发 展 的速度场 , 入 口 处速度 设 为 30 耐 5 . b( )炉 气 出 口 . 在 炉气 出 口 处采 用质 量边 界条 件 . c( ) 炉 墙 的处 理 . 炉子 内侧 墙 为 流场 的固 定壁 面 边界 . 采用 固体壁 面 无滑 移条 件 限定壁 面 上流 体 各 方 向速 度 . 由于壁 面 的 作用 , 靠近 壁 面 处 的 流 动将不 是完全 的湍 流 , 其 附近 各 变量 会有 快速 的变 化 , 这样就 避 免 靠近 墙 附近 更 细 的 网 格划 分 , 并 且它 们 的所 有行 为将 由壁 面 函数 决定 . (3 )流 体 的物 理属 性 . 流 体 的物 性参 数分 别 为 密度 .0 329 k创in 3 和粘 度 .4 4 3 ` 10 “ . 物 性参 数均参 照温 度 1 0 0 ℃ 选 定 . (4 )求解 . 计 算经 过 4 0 0 次迭 代 直到 收敛 , 得 到炉 内一 系列 流场 结 果〔幻 . 2 模型 求解 .2 1 几何 建 模 根 据 蓄 热 式 加 热 炉 的物 理 模 型 , 利用 软件 C FX 的 B U I L D 模 块构 造 流体 的流动 区 域 的几 何 模型 , 为物 理 空 间 的离 散化 作准备 . .2 2 设 定边 界位置 将蓄 热式加 热炉 一 侧 的喷 口 定 义 为入 口 . 按 照 从入钢 口 到 出钢 口 , 从炉 子上 部到炉子 下部 的 顺序 依 次 定义 为 刀又L E T I , NI L E T Z , …周呵L ET 28 . 由 于 软件本 身 的局 限性 , 将蓄 热式加 热炉 另一侧 所 有 的喷 口 汇 集 作成 一 个 出 口 , 并 定义 为 O U T L E.T 这 样能 很好 地避 免多 出 口 时流体 质量 分配 问题 . .2 3 画 出流 动 区域 的 网格 , 生成 几何文件 采用 固定 正交的 非均 匀 网格 . 在 保证 喷 口 处 有 三个 网格 的前 提下 , 网格 大 小 由靠近 炉墙 和喷 口 处 的 6 0 r n 幻n 渐 渐 变 大 为 10 0 r n r n 至 2 0 r n r n 不 等 , 共生 成 网格 数 大 约 40 0 0 个 . 3 计 算结果 及 分 析 .3 1 炉 内气 体流 动 基本 情况 图 2 分 别给 出 了计算 的炉 内尤` Y平 面 , 尤` Z 平 面和 卜 Z 平面 的流 场 分 布 . 总 的来说 , 炉 内流 场 是与传 统 加热 炉 的流场 截然 不 同的 . 从炉墙 一 侧 喷 口 喷 入 的 28 股 射流 向三 个 方 向 — 特 别是 Y方 向 ( 炉 宽方 向 ) — 快速 扩 散 , 并 且相 互 间发 生 强烈 混合 . 气 流在 炉 气入 口 附近形成 大量 小漩 涡 , 沿 气 流速度 主方 向 ( 炉 宽方 向) 逐渐 合 并行成 一些 大漩涡 , 卷 吸炉 内的烟 气 , 有 利 于 形成 燃烧 的低氧 气 氛 , 使得 加热 炉 上高温 低氧 技 术 的应用 成 为 可 能 . 从 图 2 (a) 可 以看出 , 在 加 热段 形 成 了一个 大 漩 涡是 由于 炉 子长 度 方 向上 喷 口 分布 位置 不 对 称 引起 的炉 气 回流 . 很 明显 , 这种 流 动 方式 延 长 了炉气 在 炉 内的停 留时间 , 引起热 和 燃烧 产物 的

VoL.25 杨湘等：蓄热式加热炉流场的数值模拟 137· (a)喷口处(X-Y平面) b)钢坯附近(X-Y平面) (c)离喷口处2mX-Z平面) (d)炉子中部(X-Z平面) (©)均热段第二组喷口处(Y-Z平面)()均热段第三组喷口处(Y-Z平面) 图2蓄热式加热炉炉内速度场变化矢量图 Fig.2 Velocity fields for the regenerator reheating furnace 再循环，这也是满足高温低氧燃烧技术的需要。 布置上使喷口与炉墙成一定的角度.图3给出了 在炉中部加热钢坯的附近地方，气流速度很小， 计算的炉内X-Y平面和Y-Z平面的流场分布. 有效的防止炉气对钢坯的冲刷和腐蚀. 从图3中可以看出，燃料和助燃空气在喷口 但是在Z方向上，由于燃气和助燃空气是平 附近两喷口之间相遇，进行了强烈的混合.炉子 行喷入炉内，特别是炉子的均热段，炉气只沿着 上下两部分之间，炉气Z方向的分速度均有增加， 其主流速度方向流动，燃气和助燃空气没有得到 形成大小不一的旋祸.特别是钢坯放置位置的附 很好的混合.根据快速化学反应模型的假设，在 近，整个速度场分割成三个相互衔接的大旋涡， 同一点只有燃料和氧化剂共存时才能在某一瞬 这使得炉气在炉内循环流动，大大延长炉气在炉 间发生反应并产生燃烧产物.所以这种流动方式 内的停留时间.这为刚喷入炉内没有来得及较好 对于燃气和助燃空气的混合和炉内的燃烧十分 混合或没有发生燃烧反应的燃料和助燃空气提 不利，因此十分有必要改善这种流动方式，强化 供了二次燃烧的机会，保证了燃料的充分利用. 燃气和助燃空气的混合， 3.2喷口几何尺寸和喷口间夹角的影响 4结论 适当的改变各喷口的几何尺寸，并在喷口的 (1)蓄热式加热炉能获得很好的流场来满足 (a)均热段第二组喷口处(Y-Z平面) (b)均热段第三组喷口处(Y-Z平面) (c)钢坯放置位置附近(X-Y平面) 图3改造后的蓄热式加热炉炉内速度场变化矢量图 Fig.3 Velocity fields for the new regenerator reheating furnace (d)空气喷口和煤气喷口之间X-Y平面)

l V b 一 2 杨 湘 等 5 : 蓄热 式加 热 炉流 场 的数 值模 拟 川é | ,卜卜七 刃J 犷 卞+卜奋书蕊; 一 é 谁考 盯貌一 去佗 , 寺l 、 卢子尸沙J : 下 梢丁 丫 { 厂 1 1 丁 a( )喷 口 处(万` r 平 面 ) 下 万 ! } 下 ” 下 { 万 丁 } b( ) 钢坯 附近 咪二 r 平面) c( ) 离喷 口 处 Z m (万` Z 平 面) d( ) 炉子 中 部伏` Z 平 面) e( )均 热段 第 二 组 喷 口 处 (-Y Z 平 面) (O均 热段 第 三组 喷 口 处 (-Y Z 平 面 ) 图 2 蓄 热式 加 热炉 炉 内速度 场 变 化矢 量 图 F ig · 2 Ve l o e i yt fi e ld s fo r t h e er g e n e r a ot r r e h e a t i n g fu r n a e e 再循 环 , 这 也 是 满 足 高温 低 氧 燃烧 技 术 的需要 . 在 炉 中部 加 热 钢 坯 的 附近 地 方 , 气流 速 度 很 小 , 有 效 的 防止 炉 气 对钢 坯 的冲 刷 和腐 蚀 . 但 是 在 Z 方 向上 , 由于燃 气 和 助燃 空 气 是平 行 喷 入炉 内 , 特 别 是 炉 子 的均 热 段 , 炉 气 只 沿着 其 主流 速 度 方 向流动 , 燃 气和 助燃 空 气 没有 得 到 很 好 的混 合 . 根 据 快速 化 学 反 应 模 型 的假 设 , 在 同一 点 只 有 燃 料 和 氧 化 剂 共 存 时 才 能 在 某一 瞬 间 发生 反 应 并产 生燃 烧 产物 . 所 以这 种流 动 方式 对 于 燃 气 和 助 燃 空 气 的 混 合 和 炉 内的燃 烧 十 分 不 利 . 因此 十 分 有 必要 改善 这种 流动 方 式 , 强化 燃气 和 助 燃 空 气 的混 合 . .3 2 喷 口 几 何尺 寸 和 喷 口 间夹 角 的影 响 适 当 的 改变 各 喷 口 的几 何尺 寸 , 并在 喷 口 的 布 置 上使 喷 口 与 炉墙 成 一 定 的 角度 . 图 3 给 出 了 计 算 的炉 内刃` r 平面 和 卜 Z 平 面 的流 场 分 布 . 从 图 3 中可 以看 出 , 燃 料 和 助 燃 空气 在 喷 口 附近 两 喷 口 之 间相 遇 , 进 行 了强 烈 的 混合 . 炉 子 上 下 两部 分之 间 , 炉 气 Z方 向的分 速度 均 有增 加 , 形 成 大小 不一 的旋 涡 . 特 别是 钢坯 放 置位 置 的 附 近 , 整个 速 度 场 分 割成 三 个 相 互 衔接 的大 旋 涡 . 这 使得 炉气 在 炉 内循 环 流动 , 大 大延 长炉 气 在 炉 内的停 留时 间 . 这 为刚 喷入 炉 内没有 来 得及 较 好 混 合 或 没 有 发 生燃 烧 反 应 的 燃 料 和 助燃 空 气 提 供 了二 次燃 烧 的机 会 , 保 证 了燃 料 的充 分 利用 . 4 结 论 ( l) 蓄热 式 加 热 炉 能获 得 很 好 的流 场 来 满 足 a( ) 均 热段 第 二组 喷 口 处 (卜 Z 平 面 ) b( ) 均 热 段第 三 组喷 口 处 (-Y Z 平面 ) c( ) 钢 坯 放置 位 置 附近 伏- r 平面 ) 图 3 改造 后 的蓄热 式 加热 炉 炉 内速度 场 变化 矢 量 图 F ig · 3 Ve l o c iyt ife ld s fo r th e n ew er g e n e r a t o r r e h e a t i n g fu r n a c e d( ) 空气 喷 口 和 煤气 喷 口 之 间伏- 犷平面 )

138 北京科技大学学报 2003年第2期 工作需要， 2 Tanaka R.High Temperature Air Combustion-Advanced (2)喷口的布置、大小和喷口的倾角是决定 Strategic Technology Originated in Japan,Technical 炉内流场的重要因素，适度的改变喷口的倾角可 Note900420 [R].Japan,1996 以十分有效地改进炉内流场的形式 3 Yasuda T.Dissemination Project of high performance in- (③)采用蓄热室的新型加热炉炉气形成与传 dustrial furnace with using high temperature air combus- tion technology [A].Interational Symposium on High 统加热炉截然不同的流场，流动的主流方向由原 Air Combustion and Gasification [C].1999 来的沿炉长方向变成炉宽方向，更好地保证了每 4萧泽强.高温低氧空气燃烧过程的实验研究和数值 根钢坯长度方向上温度的均匀性，提高钢坯的加 模拟[A].高温空气燃烧新技术国际研讨会论文集 热质量， [C].北京，1999.116 5刘赵淼，马重芳，王亲猛，等，逆向式高温蓄热空气 参考文献 燃烧过程的数值研究[J.工业炉，2002,24(2)：1 1 Hasegaw T,Tanaka R,Niioka T.High temperature air 6长谷川敏明.高温空气燃烧技术应用于工业炉节能 combustion contributing to energy saving and pollutant 和降低污染物排放[A】.高温空气燃烧新技术国际研 reduction in industrial furnace [A].Proceeding of High 讨会论文集C]北京，1999.101 Temperature Air Combustion Symposium [C].Beijing, 7英国ATE公司.CFX4.3技术手册MW.2000 1999.102 8贺有多.传输过程数值方法M).北京：冶金工业出 版社，1991 Numerical Simulation on the Flow field of a Regenerate Reheating Furnace YANG Xiang",CHENG Susen",GUO Hanjie,WU Guangliang,LI Shiqi,ZHU Rong 1)Metallurgy School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Beijing Keda Guotai Energy&Environmental Protection Company,Beijing 100083,China ABSTRACT A mathematical model of the velocity field for a regenerate reheating fumnace was established with the commercial software CFX.Using the k-e turbulent model,the influence of nozzles'shape,size and distribution on the velocity field was studied.The results show that the flow pattern in the furnace is greatly different from that of a traditional fumnace and is advantageous to the mixing of fuel and air.The shape of the furnace and especially the size and the site of nozzles influence the flow pattern to some extent. KEY WORDS regenerate reheating furnace;turbulent model;numerical simulation;flow field

一 13 8 . 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 3 年 第 z 期 工 作需要 . 2( ) 喷 口 的 布置 、 大 小和 喷 口 的倾 角是 决 定 炉 内流 场 的重 要 因素 . 适度 的改变 喷 口 的倾 角可 以十 分 有效 地 改进 炉 内流 场 的形式 . (3 )采 用 蓄 热室 的 新 型加 热炉 炉气 形成 与传 统加 热炉 截然 不 同的流场 , 流 动 的主流 方 向 由原 来 的沿炉长方 向变 成 炉宽 方 向 , 更 好地 保证 了每 根 钢坯 长度 方 向上 温度 的 均匀 性 , 提高 钢坯 的加 热质 量 . 参 考 文 献 1 H a s e g a w T, aT n ak a 民 N ii o ak T . Hi hg et m P e r a tu r e iar e om b u s tion e o n itr b u int g ot en 飞 y s via n g an d P o ll u ant t r e d u e ti o n i n i n du s tr i a l fu nr ac e [A ] . P or e e e din g o f Hi hg 介 m P e r a it l r e A i r C o m b u s ti o n S ym P o s ium [C I . B e ij i n g , 19 9 9 . 10 2 2 1乞n ak a R . H ihg eT m P e r at ur e A i r C om b u s it o n 一vd anc e d Str a te g i e eT c hn o l o gy Or i g i n a t e d i n J aP an , eT e hn i e al N o et 9 004 2 0 扭1 . J a Pan , 19 9 6 3 aY s u da 工 D i s s e m in at i o n P r oj e c t o f ih gh P e fOr mr an c e i n - d u s itr ia fu m a e e iw ht u s ign hi gh t e m P e r a tU r e ia r e o m b u s - t ion et e hn o l o gy [A ] . ntI em a t i aon l Sy m P o s ium o n H igh A ir C o m b u st i o n an d G as iif e at i o n c[ 1 . 19 9 9 4 萧 泽强 . 高 温低 氧空 气燃烧 过 程 的实验 研 究和数 值 模拟 「A] . 高温 空气燃 烧 新技 术 国际研 讨会 论文 集 [ C ] . 北京 , 19 9 9 . 1 1 6 5 刘赵 森 , 马 重芳 , 王亲 猛 , 等 . 逆 向式高 温蓄 热 空气 燃烧 过 程 的数 值研 究 明 . 工业 炉 , 2 002 , 2 4(2) :l 6 长谷 川敏 明 . 高温 空 气燃烧 技 术应 用于 工业 炉节 能 和 降低污染物 排放 [A ] . 高温 空气燃 烧新 技术 国际研 讨会 论 文集 t C ] . 北 京 , 19 9 9 . 10 1 7 英 国 八J E 公司 . C F X 4 . 3 技 术手 册 [M ] . 2 0 0 0 8 贺有 多 . 传 输过 程数 值方 法 IM ] . 北京 : 冶金 工业 出 版 社 , 19 9 1 N um e r i e a l S im u l at i o n o n ht e F l o w if e ld o f a R e g e n e r at e R e h e at in g F um a e e YA N G Xi a n梦 , C H万N G uS s e nl) J G U O aH nj 淤 , 邢U G ua 州ia 喇 , LI hS iq i)z , Z 仔 U R o n罗 l ) M e at ll u 电 y S e ho o l , U n i v e rs ity o f s e i e 即 e an d eT e hn o 1 0 g y B e ij in g , B e ij ing 10 0 0 8 3 , C h ina 2 ) B e ij ing K e d a G u o at i nE e 飞 y & 甄vi r o n 刃n en at l P r o t e ict 朋 C om P an y, B e ij i n g 1 0 00 83 , C h in a A B S T R A C T A m a ht em iat e a l m od e l o f ht e v e l o e ity if e l d of r a r e g en aer t e r e h e a ti n g if lm ac e w a s e s t ab li s h e d w iht ht e e om m er e i a l s o ft w are C F X . U s ign hte k一 。 奴叮b u l e in m o d e l , het i n fl u e n e e o f n o z l e s , s h a P e , s i ez a n d d i s itr b u t ion o n ht e v e l o e iyt fl e ld w a s s ut di e d . hT e r e s u lt s s h o w ht at t h e fl o w P a t e m in het ft lr l l ac e 1 5 g er alt y d i fe er in for m ht a t o f a t r a d lti o n a l fu m a c e an d 1 5 a vd ant ag e o us t o het m i x ign o f fu e l an d .iar hT e s h aP e o f ht e 加m ac e an d e s P e e i al ly ht e s i z e an d ht e s it e o f on z l e s in flu e n e e ht e fl o w Pat e rn ot s o m e ext e nt . K E Y WO R D S r e g e n e r a t e r e h e a tl n g fu m a e e : 加r b u l e in m o d e l; umn e ir e a l s lm u lat ion ; fl ow if e l d