·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