徐钱等：分级气体成分对燃气辐射管热过程影响的数值模拟及研究 ·103· 加，这是由于支管处通入的燃气燃烧产生的高温烟气 一部分气体通过烟气出口排出 再次进入主管参与循环燃烧，同时部分高温烟气从烟 气出口排除，造成热量损失：整个辐射管的热效率由 0.080 64.19%降低到59.19%，降低了5%.由此可以看出， 0.075 增加支管处的燃气量在一定程度上可以提高辐射管壁 0.070 面温度的均匀性，但是会引起热效率的降低 3.2空燃气分级的研究 0.065 在燃烧过程中，将所有的空气和燃气按同一空燃 0.060 比分配通人主管和两个支管，部分空燃气在主管处发 0.055 生燃烧，释放部分热量，支管处空燃气再次通入辐射管 进行燃烧，保证辐射管燃烧功率不变，将提高支管和回 0.050 90.50.581:17:1.5:1.562:252.5:2.543333.53.5 流管的气体温度，从而提高辐射管整体的气体温度均 空燃气分配比 匀性. 图15质量流量分布曲线 本节研究了空气和燃气按相同空燃比进行分级情 Fig.15 Mass flow distribution curve 况下，主管与两个支管处空气和燃气分配比分别为9： 3.2.2温度场分析 0.5:0.5、8:1:1、7:1.5:1.5、6:2:2、5:2.5:2.5、4:3:3和 图16给出的是主管和两支管通入空燃气量变化 3:3.5:3.5时的分布状况.下面对辐射管内气体流动、 时，辐射管对称面气体温度分布云图.从图中可以看 温度场和壁面传热量进行了具体分析 出，当主管通入空燃气量减小时，主管处燃烧高温区逐 3.2.1流场分析 渐减小，主管后半部分和三通管处的气体温度范围减 图14给出的是主管与两支管处空气和燃气分配 小，支管和回流管处气体温度提高，整个辐射管内气体 比变化时，辐射管对称面上气体速度分布图.从图中 温度分布越来越均匀.支管通入空燃气量为总燃气量 可以看出，随着主管通入空燃气量的减少，整个辐射管 的25%时，整个辐射管内气体温度分布最均匀.支管 内气体流动速度减小，中心管管段的气体流速降低最 空燃气量大于总气体量的25%时，随着支管通入空燃 快.这是因为主管喷出的气体速度大于支管的气体速 气量的增加，支管后半部分和回流管管段的气体温度 度，主管通入气体量的减少使得整个辐射管内高速流 高于中心管和三通管管段，整个辐射管的气体温度均 动气体量减少，支管通入气体速度低，即使气体量增 匀性变差 加，对整个速度场影响也很小 温度K 速度(m·s) 1705 110 1564 99 1424 88 1283 1142 90.505 715:1.5 1002 66 90.50.5 7:1.5:1.5 861 720 579 439 52.52.5 3:3.5:3.5 298 11 52.525 33.535 图16气体温度分布云图 图14气体速度分布云图 Fig.16 Gas temperature distribution diagram Fig.14 Gas velocity distribution diagram 图17给出的是辐射管对称面气体最高温度随空 图15给出的是主管和两支管通入空燃气量变化 燃气分配比变化的关系.从图中可以看出，随着支管 时，主管截面通过气体的质量流量变化图.从图中可 通入空燃气量的增加，辐射管内气体最高温度先升高 以看出，随着主管通入空燃气量的减少，辐射管的气体 后稍有降低，支管通入空燃气量占总气体量的5%时， 循环量逐渐减小，支管通入空燃气量为总气体量的 燃烧最高温度为1642K,支管通入空燃气量占总气体 5%时，主管截面通过气体的质量流量为0.079kg·s. 量的25%时，燃烧最高温度为1705K,升高了63℃. 支管通入空燃气量为总气体量的35%时，主管截面通 燃烧温度最高点出现在支管附近，这是由于支管处通 过气体的质量流量为0.054kg·s,降低了32%，说明 入的空燃气遇到高温空气，理论燃烧温度升高，随着支 支管通入空燃气量增加不利于烟气回流到主管参与再 管通入空燃气量的增加，燃烧释放出的热量增加，燃烧 循环燃烧.这是因为大量的气体偏向支管外侧流动， 温度升高，支管通入空燃气量为总气体量的25%时温徐 钱等: 分级气体成分对燃气辐射管热过程影响的数值模拟及研究 加,这是由于支管处通入的燃气燃烧产生的高温烟气 再次进入主管参与循环燃烧,同时部分高温烟气从烟 气出口排除,造成热量损失;整个辐射管的热效率由 64郾 19% 降低到 59郾 19% ,降低了 5% . 由此可以看出, 增加支管处的燃气量在一定程度上可以提高辐射管壁 面温度的均匀性,但是会引起热效率的降低. 3郾 2 空燃气分级的研究 在燃烧过程中,将所有的空气和燃气按同一空燃 比分配通入主管和两个支管,部分空燃气在主管处发 生燃烧,释放部分热量,支管处空燃气再次通入辐射管 进行燃烧,保证辐射管燃烧功率不变,将提高支管和回 流管的气体温度,从而提高辐射管整体的气体温度均 匀性. 本节研究了空气和燃气按相同空燃比进行分级情 况下,主管与两个支管处空气和燃气分配比分别为 9颐 0郾 5颐 0郾 5、8颐 1颐 1、7颐 1郾 5颐 1郾 5、6颐 2颐 2、5颐 2郾 5颐 2郾 5、4颐 3颐 3和 3颐 3郾 5颐 3郾 5 时的分布状况. 下面对辐射管内气体流动、 温度场和壁面传热量进行了具体分析. 3郾 2郾 1 流场分析 图 14 给出的是主管与两支管处空气和燃气分配 比变化时,辐射管对称面上气体速度分布图. 从图中 可以看出,随着主管通入空燃气量的减少,整个辐射管 内气体流动速度减小,中心管管段的气体流速降低最 快. 这是因为主管喷出的气体速度大于支管的气体速 度,主管通入气体量的减少使得整个辐射管内高速流 动气体量减少,支管通入气体速度低,即使气体量增 加,对整个速度场影响也很小. 图 14 气体速度分布云图 Fig. 14 Gas velocity distribution diagram 图 15 给出的是主管和两支管通入空燃气量变化 时,主管截面通过气体的质量流量变化图. 从图中可 以看出,随着主管通入空燃气量的减少,辐射管的气体 循环量逐渐减小,支管通入空燃气量为总气体量的 5% 时,主管截面通过气体的质量流量为 0郾 079 kg·s - 1 . 支管通入空燃气量为总气体量的 35% 时,主管截面通 过气体的质量流量为 0郾 054 kg·s - 1 ,降低了 32% ,说明 支管通入空燃气量增加不利于烟气回流到主管参与再 循环燃烧. 这是因为大量的气体偏向支管外侧流动, 一部分气体通过烟气出口排出. 图 15 质量流量分布曲线 Fig. 15 Mass flow distribution curve 3郾 2郾 2 温度场分析 图 16 给出的是主管和两支管通入空燃气量变化 时,辐射管对称面气体温度分布云图. 从图中可以看 出,当主管通入空燃气量减小时,主管处燃烧高温区逐 渐减小,主管后半部分和三通管处的气体温度范围减 小,支管和回流管处气体温度提高,整个辐射管内气体 温度分布越来越均匀. 支管通入空燃气量为总燃气量 的 25% 时,整个辐射管内气体温度分布最均匀. 支管 空燃气量大于总气体量的 25% 时,随着支管通入空燃 气量的增加,支管后半部分和回流管管段的气体温度 高于中心管和三通管管段,整个辐射管的气体温度均 匀性变差. 图 16 气体温度分布云图 Fig. 16 Gas temperature distribution diagram 图 17 给出的是辐射管对称面气体最高温度随空 燃气分配比变化的关系. 从图中可以看出,随着支管 通入空燃气量的增加,辐射管内气体最高温度先升高 后稍有降低,支管通入空燃气量占总气体量的 5% 时, 燃烧最高温度为 1642 K,支管通入空燃气量占总气体 量的 25% 时,燃烧最高温度为 1705 K,升高了 63 益 . 燃烧温度最高点出现在支管附近,这是由于支管处通 入的空燃气遇到高温空气,理论燃烧温度升高,随着支 管通入空燃气量的增加,燃烧释放出的热量增加,燃烧 温度升高,支管通入空燃气量为总气体量的 25% 时温 ·103·