·1184· 工程科学学报，第38卷，第8期 是f)+)=(0F）+ 偶，用于检测炉膛内气体温度，双P型辐射管的壁面焊 接有16根热电偶，用于检测辐射管壁面温度，热电偶 Cm(vp -Co (3) 的型号为K型铠装热电偶，烟气出口处安装烟气成分 分析仪.实验中双P型辐射管的额定功率为120kW, 式中：=∫-f∫表示运动黏性系数：n,表示湍流黏性 采用天然气作为燃料进行燃烧，通入的天然气流量标 系数：k表示湍动能：ε表示湍动能耗散率；模型常数 准状况下为11m3.h-,空气流量在110~114m3.h-1 o,、C和C4分别取0.85、2.86和2.0：Sm表示燃料质 之间. 量转变为气相的质量源项：S为用户自定义源项，此 处取为0. (2)D0辐射模型.将沿s方向传播的辐射方程 视为一个场，在位置？处沿着方向s的辐射传递方 程为 d(r,+(a+b)I(r,s）= ds an2T+21,sΦ，sdn: (4) T4πJ。 式中，I为辐射强度，”为位置向量，s为方向向量，s为 散射方向向量，s为辐射热流沿程长度，为吸收系数， 图3现场实验设备图 n为折射系数，b为散射系数，K为斯蒂芬-玻耳兹曼常 Fig.3 Field experimental equipment 数，T为当地温度，中为凝聚相散射相函数，2为空 为尽量减小测量带来的误差，采用多次测量取平 间角. 均值的方法得到辐射管表面温度，实验数据可靠.利 2.3边界条件 用开发的模型对双P型辐射管在与实验相同的工况下 本文中，燃料选用天然气，燃气入口温度298K,空 进行数值模拟，将模拟的结果与实验数据进行了对比， 气入口温度873K,组分含量见表1. 具体结果见图4和表2.除出口N0,体积分数外其他 表1气体组分的体积分数 项目数值计算与实验结果误差在1%以内，说明开发 Table 1 Volume fraction of the gas component 的模型符合实际 CH C2 Hs C3Hs C4Ho N2 1280 92.7 5.5 1 0.4 0.4 一模拟值 1270 。一实脸值 入口条件：天然气和空气入口均采用质量流量入 1260 口，计算得额定功率为160kW时天然气质量流量为 1250 3.21×10-3kg°s1,空气质量流量为6.06×10-2kg· s,空气过剩系数取1.1.空气预热温度为500℃，天 1240 然气不经预热，温度为25℃. 1230 出口条件：压力出口条件，设为-500Pa 1220 辐射管壁面条件：管壁为无滑移壁面，在壁面附近 1000 20003000 4000 的黏性层中的流动与换热采用壁面函数法进行处理. 拓射管内气体流动离mm 辐射管壁面与环境之间的换热过程，主要有对流与辐 图4辐射管表面温度分布 射两部分，忽略辐射管管壁的传导热阻，简化辐射管外 Fig.4 Surface temperature distribution of the radiant tube 环境为温度1223K的稳态温度场.辐射管材料选取抗 表2辐射管实验和模拟结果对比 碳化和氧化性能较强的601合金钢，其发射率为E= Table 2 Comparison between simulation and experimental results of the 0.85. radiant tube 2.4模型验证 出口02出口C,H,出口C0出口N0, 某公司为研究双P型辐射管搭建了一个小型的试 结果 壁面平均 温度/℃ 体积分数/体积分数/体积分数/体积分数/ % 验台，试验台包括一个小型实验炉、控制监测系统和排 10-6 10-6 实验 981.3 1.6 0 烟管道，实验设备图如图3所示.其中，双P型辐射管 6 226 安装在小型实验炉内，炉膛一侧安装有4支S型热电 数值模拟976.1 1.8 0 9.1 250.9工程科学学报，第 38 卷，第 8 期  t ( ρ f'2 ) + Δ ( ρ v·f'2 ) = ( Δ ηt σt Δ f' ) 2 + Cgηt ( 2 Δ f) － Cd ρ ε k f'2 + Suser ． ( 3) 式中: f' = f － f; ν 表示运动黏性系数; ηt 表示湍流黏性 系数; k 表示湍动能; ε 表示湍动能耗散率; 模型常数 σt、Cg 和 Cd 分别取 0. 85、2. 86 和 2. 0; Sm 表示燃料质 量转变为气相的质量源项; Suser为用户自定义源项，此 处取为 0． ( 2) DO 辐射模型． 将沿 s 方向传播的辐射方程 视为一个 场，在 位 置 r 处 沿 着 方 向 s 的 辐 射 传 递 方 程为 dI( r，s) ds + ( a + b) I( r，s) = an2 KT4 π + b 4π ∫ 4π 0 I( r，s) Φ( r，s') dΩ'． ( 4) 式中，I 为辐射强度，r 为位置向量，s 为方向向量，s'为 散射方向向量，s 为辐射热流沿程长度，a 为吸收系数， n 为折射系数，b 为散射系数，K 为斯蒂芬!玻耳兹曼常 数，T 为当 地 温 度，Φ 为凝聚相散射相函数，Ω' 为 空 间角． 2. 3 边界条件 本文中，燃料选用天然气，燃气入口温度 298 K，空 气入口温度 873 K，组分含量见表 1． 表 1 气体组分的体积分数 Table 1 Volume fraction of the gas component % CH4 C2H6 C3H8 C4H10 N2 92. 7 5. 5 1 0. 4 0. 4 入口条件: 天然气和空气入口均采用质量流量入 口，计算得额定功率为 160 kW 时天然气质量流量为 3. 21 × 10 － 3 kg·s － 1，空气质量流量为 6. 06 × 10 － 2 kg· s － 1，空气过剩系数取 1. 1． 空气预热温度为 500 ℃，天 然气不经预热，温度为 25 ℃ ． 出口条件: 压力出口条件，设为 － 500 Pa． 辐射管壁面条件: 管壁为无滑移壁面，在壁面附近 的黏性层中的流动与换热采用壁面函数法进行处理． 辐射管壁面与环境之间的换热过程，主要有对流与辐 射两部分，忽略辐射管管壁的传导热阻，简化辐射管外 环境为温度 1223 K 的稳态温度场． 辐射管材料选取抗 碳化和氧化性能较强的 601 合金钢，其发射率为 E = 0. 85． 2. 4 模型验证 某公司为研究双 P 型辐射管搭建了一个小型的试 验台，试验台包括一个小型实验炉、控制监测系统和排 烟管道，实验设备图如图 3 所示． 其中，双 P 型辐射管 安装在小型实验炉内，炉膛一侧安装有 4 支 S 型热电 偶，用于检测炉膛内气体温度，双 P 型辐射管的壁面焊 接有 16 根热电偶，用于检测辐射管壁面温度，热电偶 的型号为 K 型铠装热电偶，烟气出口处安装烟气成分 分析仪． 实验中双 P 型辐射管的额定功率为 120 kW， 采用天然气作为燃料进行燃烧，通入的天然气流量标 准状况下为 11 m3 ·h － 1，空气流量在 110 ～ 114 m3 ·h － 1 之间． 图 3 现场实验设备图 Fig． 3 Field experimental equipment 为尽量减小测量带来的误差，采用多次测量取平 均值的方法得到辐射管表面温度，实验数据可靠． 利 用开发的模型对双 P 型辐射管在与实验相同的工况下 进行数值模拟，将模拟的结果与实验数据进行了对比， 具体结果见图 4 和表 2． 除出口 NOx 体积分数外其他 项目数值计算与实验结果误差在 1% 以内，说明开发 的模型符合实际． 图 4 辐射管表面温度分布 Fig． 4 Surface temperature distribution of the radiant tube 表 2 辐射管实验和模拟结果对比 Table 2 Comparison between simulation and experimental results of the radiant tube 结果 壁面平均 温度/℃ 出口 O2 体积分数/ % 出口 CxHy 体积分数/ % 出口 CO 体积分数/ 10 － 6 出口 NOx 体积分数/ 10 － 6 实验 981. 3 1. 6 0 10 226 数值模拟 976. 1 1. 8 0 9. 1 250. 9 · 4811 ·