徐钱等：分区分级双P型辐射管喷口结构位置特性 ·757· 目前使用最多的辐射管有U型、W型燃气辐射 支管喷口 管5刃，主要发现的问题有：排烟温度较高：燃烧产物 中CO2、NO,的含量较大；此外，管体沿长度方向温度分 空气管道 >回流管 布不均导致的热应力，以及较高的局部温度亦会导致 燃气管道 管壁内表面的灼烧、氧化，从而严重影响管体结构特 主管 半径289. 性，导致燃烧器的损坏，缩短辐射管寿命[8-].为解决 1400 支管喷口 辐射管温度均匀性及NO,排放量较高的问题，科研人 员进一步研发了带烟气循环的P型、双a型辐射 图1分区分级燃气辐射管结构简图（单位：mm) 管0-]，同时为了提高辐射管热效率开发了相应的高 Fig.I Zoning classification of gas radiation tube structure (unit: mm) 效换热器以及蓄热式辐射管.近年来，一些学者还研 发了辐射管的分级燃烧器、辐射管的新型材料以及不 网格划分.由于模型为对称结构，故采用1/2模型建 同结构的辐射管内插件用以提高辐射管的综合性 模，并将分区分级燃气辐射管分区，对于结构较为复杂 能2-].在之前的研究中，已经对双P型辐射管及分 的烧嘴喷口处，进行局部网格细化，采用结构化网格， 区分级燃气辐射管的流场、气体温度场、壁面温度场和 为了保证三维模型的网格具有独立性，将网格数量从 传热特性进行深入研究[4-]，经计算分析发现分区 1000000逐渐增加至3500000，计算显示燃烧气体温度 分级双P型燃气辐射管在温度均匀性方面具有显著地 变化处于5%以下，本文计算选取网格单元长度为 优势.本文在前人的基础上，重点对分区分级燃气辐 6mm,网格总数为3507816个，并且97%的网格扭曲 射管的结构特性进行研究与分析，探究主管和支管喷 度(equisize skew)在0.5以下，辐射管整体及烧嘴处网 口结构特性对气体温度和壁面温度的影响，对分区分 格如图2所示[20]. 级双P型燃气辐射管进行结构优化 2求解及验证 1分区分级双P型燃气辐射管的模型建立 2.1假设条件 1.1物理模型建立 辐射管内的热过程是一个复杂的热过程，其中包 本文针对双P型辐射管的流动和传热特性[-町， 括气体流动、燃料燃烧的化学反应以及传热过程，为了 在双P型辐射管的三通管尾部增加次级分级装置，通 能够比较准确地模拟辐射管管内的热过程，本文对使 过采用分区燃烧原理将辐射管的空气或燃气进行双端 用的模型进行了以下假设： 分级，使燃气分区燃烧，但总体空气与燃气保持完全燃 (1)假设流体为不可压缩流体，流动和燃烧状态 烧的正常化学当量比.先使全部的空气与一次燃气在 稳定； 辐射管烧嘴端进行一区燃烧，由于燃料不足造成贫燃 (2)燃气为天然气，辐射气体为C0,和H,0,且气 料燃烧，此时燃料量少，释放出来的热量相对要少，可 体的辐射系数不受组分特性的影响： 降低烧嘴端的温度，减少烧嘴壁面局部高温区的产生 (3)辐射管管内各组分气体的比热容为基于全部 没有参与燃烧反应的空气遇到在辐射管三通管尾部通 组分质量分数加权平均的混合比热容，而且是温度的 入的二次燃气再次燃烧，直至燃气燃烧完全，形成二区 单值函数 燃烧，此时二区燃烧可以提高下游气体温度，从而提升 2.2数学模型选取 双P型辐射管的整体的温度分布均匀性，减少壁面温 研究中选取的数学模型有连续性方程、N-S方程、 差.分区分级燃气辐射管结构如图1所示 标准k-ε湍流模型、能量守恒方程、组分传输模型以及 1.2网格划分 离散坐标辐射模型(D0模型)[2]，此外还用到非预混 运用Gambit对所研究的辐射管进行三维建模和 燃烧模型(PDF模型).PDF模型可用于模拟快速反应 局部放大 图2分区分级燃气镉射管整体网格划分示意图及局部放大图[0] Fig.2 Schematie diagram of the entire grid division of the partition,the grade gas radiant tube,and an enlarged portion of the drawing]徐 钱等: 分区分级双 P 型辐射管喷口结构位置特性 目前使用最多的辐射管有 U 型、W 型燃气辐射 管[5鄄鄄7] ,主要发现的问题有:排烟温度较高;燃烧产物 中 CO2 、NOx的含量较大;此外,管体沿长度方向温度分 布不均导致的热应力,以及较高的局部温度亦会导致 管壁内表面的灼烧、氧化,从而严重影响管体结构特 性,导致燃烧器的损坏,缩短辐射管寿命[8鄄鄄9] . 为解决 辐射管温度均匀性及 NOx排放量较高的问题,科研人 员进一 步 研 发 了 带 烟 气 循 环 的 P 型、双 a 型 辐 射 管[10鄄鄄11] ,同时为了提高辐射管热效率开发了相应的高 效换热器以及蓄热式辐射管. 近年来,一些学者还研 发了辐射管的分级燃烧器、辐射管的新型材料以及不 同结构的辐射管内插件用以提高辐射管的综合性 能[12鄄鄄13] . 在之前的研究中,已经对双 P 型辐射管及分 区分级燃气辐射管的流场、气体温度场、壁面温度场和 传热特性进行深入研究[14鄄鄄18] ,经计算分析发现,分区 分级双 P 型燃气辐射管在温度均匀性方面具有显著地 优势. 本文在前人的基础上,重点对分区分级燃气辐 射管的结构特性进行研究与分析,探究主管和支管喷 口结构特性对气体温度和壁面温度的影响,对分区分 级双 P 型燃气辐射管进行结构优化. 1 分区分级双 P 型燃气辐射管的模型建立 图 2 分区分级燃气辐射管整体网格划分示意图及局部放大图[20] Fig. 2 Schematic diagram of the entire grid division of the partition, the grade gas radiant tube, and an enlarged portion of the drawing [20] 1郾 1 物理模型建立 本文针对双 P 型辐射管的流动和传热特性[18鄄鄄19] , 在双 P 型辐射管的三通管尾部增加次级分级装置,通 过采用分区燃烧原理将辐射管的空气或燃气进行双端 分级,使燃气分区燃烧,但总体空气与燃气保持完全燃 烧的正常化学当量比. 先使全部的空气与一次燃气在 辐射管烧嘴端进行一区燃烧,由于燃料不足造成贫燃 料燃烧,此时燃料量少,释放出来的热量相对要少,可 降低烧嘴端的温度,减少烧嘴壁面局部高温区的产生. 没有参与燃烧反应的空气遇到在辐射管三通管尾部通 入的二次燃气再次燃烧,直至燃气燃烧完全,形成二区 燃烧,此时二区燃烧可以提高下游气体温度,从而提升 双 P 型辐射管的整体的温度分布均匀性,减少壁面温 差. 分区分级燃气辐射管结构如图 1 所示. 1郾 2 网格划分 运用 Gambit 对所研究的辐射管进行三维建模和 图 1 分区分级燃气辐射管结构简图(单位:mm) Fig. 1 Zoning classification of gas radiation tube structure ( unit: mm) 网格划分. 由于模型为对称结构,故采用 1 / 2 模型建 模,并将分区分级燃气辐射管分区,对于结构较为复杂 的烧嘴喷口处,进行局部网格细化,采用结构化网格, 为了保证三维模型的网格具有独立性,将网格数量从 1000000 逐渐增加至 3500000,计算显示燃烧气体温度 变化处于 5% 以下,本文计算选取网格单元长度为 6 mm,网格总数为 3507816 个,并且 97% 的网格扭曲 度(equisize skew)在 0郾 5 以下,辐射管整体及烧嘴处网 格如图 2 所示[20] . 2 求解及验证 2郾 1 假设条件 辐射管内的热过程是一个复杂的热过程,其中包 括气体流动、燃料燃烧的化学反应以及传热过程,为了 能够比较准确地模拟辐射管管内的热过程,本文对使 用的模型进行了以下假设: (1)假设流体为不可压缩流体,流动和燃烧状态 稳定; (2)燃气为天然气,辐射气体为 CO2和 H2O,且气 体的辐射系数不受组分特性的影响; (3)辐射管管内各组分气体的比热容为基于全部 组分质量分数加权平均的混合比热容,而且是温度的 单值函数. 2郾 2 数学模型选取 研究中选取的数学模型有连续性方程、N鄄鄄S 方程、 标准 k鄄鄄着 湍流模型、能量守恒方程、组分传输模型以及 离散坐标辐射模型(DO 模型) [20] ,此外还用到非预混 燃烧模型(PDF 模型). PDF 模型可用于模拟快速反应 ·757·