第5期 杨竞等：大型光亮退火马弗炉加热段温度场模拟 ·669· 马弗管采用等强度设计为变截面的圆锥管，按 表1不同加热段热流密度 实际尺寸建模.喷嘴和排气口用圆柱体，与马弗管 Table 1 Heat flux in different heating areas 的相对位置见图2.炉外保温层由陶瓷纤维、石棉 加热区 l/mm △t/(Ks-1) g/(Wm-2) 板和金属外壳组成，因保温层内部温度变化不是本 1 5440 400 -14902 2 4325 220 -10308 文分析重点，为了减少计算时间，保温层简化成一 3 4325 210 -9840 壁面 4325 130 6091 如图2所示，所建模型Y方向尺寸较大，X 5 4325 90 -4217 和Z方向尺寸较小.各部分尺寸相差较大，为了减 6 4260 40 -1903 少单元数量又不影响计算精度，尽量采用六面体单 马弗管材料性质根据实际马弗管使用材料设 元和局部细化的方法8-).对马弗管、炉膛、喷嘴 置，马弗管外壁为自动耦合壁面.不同加热区段喷 和排气口分别采用不同的单元尺寸.马弗管采用六 嘴边界条件根据实际现场使用情况定义各区喷嘴入 面体单元，厚度方向布置六个单元，圆周方向布置 口的速度、温度和组分的质量分数（丁烷和氧气）. 100个单元，长度方向设定单元尺寸为50mm,并 排气口边界设定为压力出口边界，相对于大气压力 根据每段加热区长度把马弗管切分成六段，方便设 为600Pa.马弗炉壁面保温层由陶瓷纤维、石棉板 定不同区段边界条件.炉膛内部与马弗管接近的区 和金属外壳组成！，根据其热损失近似热流量为 域由于温度梯度较大，采用六面体单元，单元尺寸 993Wm-2. 大小从里向外逐渐增大.炉膛外层区域，与喷嘴和 1.3 数学模型和计算方法 排气口相连，采用四面体单元，单元尺寸为50mm. 数学模型主要包括湍流模型、燃烧模型和辐射 喷嘴和排气口都采用四面体单元，单元大小分别是 模型12). 20mm和50mm,总单元数量为210万. 标准k一ε双方程模型是最简单的完整湍流模 1.2边界条件 型，该模型在工程上它以对流动和热传递模拟的经 采用热流密度表征马弗管内保护气体和带钢 济准确而得到了广泛应用3-14，因而本文湍流模 的换热，带钢从入口到加热段出口的加热过程升 型选择标准k-ε双方程模型，其中湍流动能k方 温所吸收的热量可等效为马弗管内壁向外散失的热 程为 量，因此马弗管内壁采用等效的热流密度边界条件 -(puik)= 来近似.根据马弗炉退火工艺过程带钢的工艺热处 (pk)+ a 理速度和带钢升温曲线10，可计算每个加热段内带 u+）8k7 +0k0x] +Gk+Gb-pE-YM+Sk,(3) 钢所吸收的热量，近似为马弗管内壁的热流密度： 湍流耗散率ε方程为 Q S'upQ' (1) πdl （pue)= 式中：q为每个加热段马弗管内壁热流密度， Wm2:Q为带钢单位时间内带走的热量，Js-1；S Cte E(Gx+CaGb)-Cap+5 (4) 为每个加热段马弗管内壁表面积，m2；S为带钢截 面面积，m2;v为带钢运动速度，ms-1；p是带钢 式中：t为湍流黏度；G是由于平均流速梯度引 的密度，kgm3:Q为带钢单位时间单位质量吸收 起的湍流动能的产生项：G是由于浮力引起的湍 的热量，Jkg1s1:d为马弗管内径，m:1为每个 动能k的产生项；YM代表可压湍流中的脉动扩张 加热段马弗管长度，m. 的贡献：Sk和S。为用户自定义的源项：C1e、C2E 带钢单位时间单位质量吸收的热量Q'为： 和C4是经验常数：σk和oe是k和ε的湍流普朗 特常数.本模拟计算取值分别为C1e=1.44,C2:= Q'=C△t (2)1.92,C4=0.09,7k=1.0,e=1.3. 燃料为混合液化气（丁烷和空气），进入喷嘴前 式中：C为带钢比热容，Jkg1K-1；△t为带钢温 燃料先混合，在燃烧室中才有燃烧，因此采用组分 度变化率，Ks-1.每个加热段长度和带钢温度变化 传输模型.建模时燃烧假设为完全燃烧，燃烧反应 率如表1所示，由此可计算出每个加热段的内壁热 式为 流密度， 2C4H10+1302一8C02+10H20 (5)第 期 杨 竞等 大型光亮退火马弗炉加热段温度场模拟 · · 马弗管采用等强度设计为变截面的圆锥管, 按 实际尺寸建模 喷嘴和排气 口用 圆柱体 , 与马弗管 的相对位置见图 炉外保温层由陶瓷纤维 、石棉 板和金属外壳组成, 因保温层内部温度变化不是本 文分析重点, 为 了减少计算时间 , 保温层简化成一 壁面 如 图 所示, 所建模型 方 向尺寸较大, 和 方 向尺寸较小 各部分尺寸相差较大, 为了减 少单元数量又不影响计算精度 , 尽量采用六面体单 元和局部细化的方法 一例 对马弗管 、炉膛 、喷嘴 和排气 口分别采用不同的单元尺寸 马弗管采用六 面体单元 , 厚度方向布置六个单元 , 圆周方 向布置 个单元 , 长度方向设定单元尺寸为 , 并 根据每段加热区长度把马弗管切分成六段 , 方便设 定不 同区段边界条件 炉膛 内部与马弗管接近的区 域 由于温度梯度较大, 采用六面体单元 , 单元尺寸 大小从里 向外逐渐增大 炉膛外层区域, 与喷嘴和 排气 口相连 , 采用四面体单元, 单元尺寸为 喷嘴和排气 口都采用四面体单元 , 单元大小分别是 , 和 , 总单元数量为 万 边界条件 采用热流密度 表征马弗管内保护气 体和带钢 的换热 , 带钢从入 口到加热段 出口的加热过程升 温所吸收的热量可等效为马弗管 内壁向外散失的热 量 , 因此马弗管 内壁采用等效的热流密度边界条件 来近似 根据马弗炉退火工艺过程带钢的工艺热处 理速度和带钢升温曲线 , 可计算每个加热段内带 钢所吸收的热量 , 近似为马弗管内壁的热流密度 表 不 同加热段热流密度 玉 加热区 么 ·一 · 一 一 一 一 一 一 一 ,︸峨门︸门 马弗管材料性质根据 实际马弗管使用材料设 置, 马弗管外壁为 自动祸合壁面 不 同加热区段喷 嘴边界条件根据实际现场使用情况定义各区喷嘴入 口的速度 、 温度 和组分 的质量 分数 丁烷和氧气 排气 口边界设定为压力出口边界, 相对于大气压力 为 一 马弗炉壁面保温层 由陶瓷纤维 、石棉板 和金属外壳组成 '`, 根据其热损失近似热流量为 一 一 数学模型和计算方法 数学模型主要包括湍流模型 、燃烧模型和辐射 模型 `“ 标准 一 双方程模型是最简单 的完整湍流模 型, 该模型在工程上它 以对流动和热传递模拟的经 济准确而得到 了广泛应用 `”一' , 因而本文湍流模 型选择标准 一 双方程模型, 其中湍流动能 方 程为 口 、 口 不不 戈凡 下丁一又廿, 大 其 乙。、目 纠 、 一、一、十、 , 人 工, 湍流耗散率 方程为 一 一 一 一一兀刃一闷 式 中 为每个 加热段 马弗管 内壁 热流密度 , · 一“ 为带钢单位时间内带走 的热量 , 一` 为每个加热段马弗管内壁表面积 , “ 夕 为带钢截 面面积 , “ 为带钢运动速度, 一` 是带钢 的密度 , 一“ 穿 为带钢单位时间单位质量吸收 的热量, , 一`·一` 为马弗管 内径, 为每个 加热段马弗管长度, 带钢单位时间单位质量吸收的热量 ' 为 口 、 , 、 口 「 拼八 拢 灰匹 四月一而 又拜十贡少瓦 」十 。 、 几 一仇 于 凡 凡 一九` 侧 ■ 式中 为带钢 比热容, 火 一' 一` ■。为带钢温 度变化率, 一工每个加热段长度和带钢温度变化 率如表 所示, 由此可计算出每个加热段的内壁热 流密度 式中 拼、为湍流豁度 、 是 由于平均流速梯度引 起的湍流动能的产生项 是 由于浮力引起 的湍 动能 的产生项 玩 代表可压湍流中的脉动扩张 的贡献 、和 又 为用户 自定义的源项 、姚 。 和 吼 是经验常数 。、 和 是 和 的湍流普 朗 特常数 本模拟计算取值分别为 , 姚 , , · , 二、 , , ` 燃料为混合液化气 丁烷和空气 , 进入喷嘴前 燃料先混合, 在燃烧室 中才有燃烧 , 因此采用组分 传输模型 建模 时燃烧假设为完全燃烧 , 燃烧 反应 式为 。 一