（热能工程专业论文）台车式热处理炉炉膛内流场和温度场的数值模拟.pdf

蓥 j j _ _ _ _ _ _ _ 一 am a s t e r st h e s i si nt h e r m a le n g i n e e r i n g t h en um e r i c a ls i m u l a t i o no ff l o wa n d t e m p e r a t u r e f i e l di nt h ec a rb o t t o m t y p e h e a tt r e a t m e n tf ur na c e b yz h a n g j i e s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r c h e nh a i g e n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 8 r i 一隐h ，1吖一 0 书 一 一一 一 k r f 独创性l 声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研 究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成 果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 舀易 日 期：抄艿7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的 规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： l t 也，ol0一1如，。叫叫_ 叠矿lj ? 搭 东北大学硕士论文摘要 台车式热处理炉炉膛内流场和温度场的数值模拟 摘要 针对我国热处理炉目前存在着质量差、能耗高等问题，本文分析了国内外热处理炉炉 型结构和热工操作现状，并对常规燃烧控制系统的发展情况及常规燃烧控制系统的特点， 和新型热处理炉控制方法及新型控制方法的发展趋势进行了分析。论述了脉冲燃烧的基本 原理及其控制方法，和脉冲燃烧与常规燃烧方式相比所带来的优点。论述了高速调温自控 烧嘴的基本原理以及高速烧嘴在台车式热处理炉上使用所带来的优势。 对炉膛内气体流动进行分析，通过数值传热学理论，建立炉内气流的湍流数学模型。 由于流体湍流运动机理和规律的复杂性，目前尚未找到对各种流动情况都十分有效的模型。 工程上应用最广泛的是k 一占双方程模型。应用k g 双方程模型通过对炉内湍流稳态气流流 动的模拟并与理论分析比较，再结合在壁面附近区域采用有效的壁面函数法，建立了可用 的炉内气流数学模型。 本文利用c f d 计算软件f l u e n t 对某台车式热处理炉炉内气流进行模拟。建立了一个 三维几何模型，选用k 一占湍流模型，r o s s e l a n d 辐射传热模型，获得炉内稳态条件下的气体 流动、流速和温度的分布规律。还模拟了热处理炉在改变高速烧嘴热气流出口速度之后， 炉内气流速度场和温度场，得到了在不同工况下这些场的分布规律。 通过不同工况下的流场和温度场分布规律的比较，得出了提高工件热处理质量和降低 能耗的建议性方法。 这些研究对进一步了解台车式热处理炉的工作情况，以及在此基础上的台车炉优化设 计具有十分重要的意义。 关键词：台车式热处理炉高速烧嘴脉冲燃烧湍流数学模型 i i _ 划 ； -0j 东北大学硕士论文 a b s t r a c t t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ff l o wa n dt e m p e r a t u r ef i e l di nt h ec a rb o t t o mt y p eh e a t t r e a t m e n tf u m a c e a b s t r a c t i no r d e rt or e s o l v et h ep r o b l e m so fp o o rq u a l i t ya n dh i g he n e r g yc o n s u m p t i o ni nh e a t t r e a t m e n t t h r o u g ht h ea n a l y s i so fh e a tt r e a t i n gf u r n a c es t r u c t u r e sa n do p e r a t i o n so v e rh o m ea n d a b r o a d i ti sa d v a n c e dt h a ts t u d yt h eo p t i m u mt e m p e r a t u r ec o n d i t i o ns c h e d u l eo ff u r n a c e o p e r a t i o na c c o r d i n gt ot h et e c h n i c a lc u r v eo fh e a tt r e a t i n gi sn e c e s s a r y 1 nt h i sp a p e ra n a l y s i st h e d e v e l o p m e n to fc o n v e n t i o n a lc o m b u s t i o nc o n t r o ls y s t e ma n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o n v e n t i o n a l c o m b u s t i o nc o n t r o ls y s t e m a n di n t r o d u c et h eb a s i cp r i n c i p l eo fp u l s ec o m b u s t i o na n dc o n t r o l m e t h o d o l o g y a n dt h ep u l s ec o m b u s t i o na d v a n t a g e sc o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lc o m b u s t i o n i n t r o d u c et h eb a s i cp r i n c i p l eo f h i 曲s p e e db u r n e r ，a n dt h ea d v a n t a g e so fu s i n gt oc a rb o t t o mt y p e h e a tt r e a t m e n tf u m a c e am a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ef l o w i n gf i e l do fh e a te v e n s e c t i o nf o rc a rb o t t o mt y p eh e a t t r e a t m e n tf u r n a c ei se s t a b l i s h e dw i t ht h ec o m m e r c i a l c a l c u l a t i o ns o f i w a r e u s i n gt h ek 一占 m o d e ls t u d i e st u r b u l e n c ea n da c h i e v e st h ea i rf l o w i n ga n dv e l o c i t y d i s t r i b u t i n gr u l eu n d e rc o l d c o n d i t i o ni n s i d ef u r n a c e t u r b u l e n c em o d e ii sc u r r e n t l ya v a i l a b l et h a ti sv a l i df o ra 1 1t y p e so ff l o w sd u et ot h e c o m p l e x i t yo ft h em e c h a n i c so ft h ef l u i dt u r b u l e n tf l o w b u tk 一占t w o e q u a t i o nm o d e l sa p p l i e d m o s tw i d e l yi ne n g i n e e r i n g t h i sa r t i c l em a i n l ys i m u l a t e st h es t e a d y t u r b u l e n tf l o wo ft h e f u r n a c ea n dc o m p a r e st h er e s u l t st ot h e o r y ，m o r e o v e r ， s a t i s f y i n gr e s u l t sc a nb eo b t a i n e db y a d o p t i n gt h ea p p r o p r i a t ew a l lf u i n c t i o nm e t h o dn e a rt h ew a l lr e g i o n i n t h i sa r t i c l e s i m u l a t i n gw a st a k e n o na r e g e n e r a t i v ew a l k i n g b e a mr e h e a tf u m a c e i nac e r t a i ns t e e lp l a n tb yt h ea p p l i c a t i o no ff l u e n t ， o n eo fc f ds o f t w a r e at h r e e - d i m e n s i o n g e o m e t r i c a lm o d e lw a sc r e a t e d ，u s i n gk 一占t u r b u l e n t m o d e l ，r o s s e l a n dr a d i a t i o nm o d e l ， o b t a i n e dv a r i o u sd a t aa b o u tt h ep o s i t i o n so ff l o wf i e l d ，a n dt e m p e r a t u r ef i e l d i nr e h e a t f u m a c ea sw e l ia sc a l e f a c t i v ec u r v ea n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fs l a b t h e ns i m u l a t e t h e s ed a t aa g a i nu n d e rt h ec o n d i t i o n so fv a r i a t i o n si nt h et y p e so fi n l e t s p e e do fh i g hs p e e d b u r n e r t h e s ef i e l d s d i s t r i b u t i o nr u l e su n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sh a v eb e e no b t a i n e d a tt h es a m et i m e ，c o m p a r i s o nw o u l db em a d eo nt h e s ed a t a ， f r o md i f f e r e n tc o n d i t i o n ， a c q u i r e dt h em e t h o d st h a ti m p r o v et h eq u a li t ya n dd e g r a d et h ee n e r g yc o n s u m p t i o n a 1 1o ft h e s e sr e s e a r c h e s h o p e f u l l y ，c o u l db eh e l p f u lt ot h eu n d e r s t a n d i n g so fc a rb o a o m “p eh e a t t r e a t m e n tf u r n a c e sw o r k i n gp r o c e s s ，a sw e lla s f u r t h e rf u m a c eo p t i m i z a t i o n k e vw o r d s ：c a rb o t t o mt y p eh e a tt r e a t m e n tf u r n a c e ；h i g hs p e e db u r n e r ；p u l s e c o m b u s t i o n ；t u r b u l e n c em o d e l 一1 叫00r-。j， 东北大学硕士论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 热处理炉的发展状况1 1 2 高速烧嘴在热处理炉上的应用2 1 2 1 热处理炉的燃烧系统2 1 2 2 高速烧嘴的特点3 1 3 脉冲式燃烧4 1 4 提高热处理炉技术等级的途径6 1 5 热处理炉数值模拟8 第二章湍流数学模型1 1 2 1 湍流及其数值模拟方法概论1 1 2 1 1 湍流流动的雷诺时均方程1 1 2 1 2 普朗特混合长度理论1 3 2 1 3k 一占双方程模型1 5 2 1 4 炉内辐射数学模型1 9 2 2 湍流流动的近壁处理2 0 第三章c f d 技术及其计算软件2 3 3 1 计算流体动力学概论2 3 3 2c f d 的求解过程2 4 3 3c f d 计算软件介绍2 6 第四耄热处理炉数值模拟2 9 4 1 热处理炉概况2 9 4 2 数学模型的建立2 9 东北大学硕士论文 目录 4 2 1 合理的假设与简化3 0 4 2 2 炉内热过程数学模型的建立3 0 4 2 3 数学模型的求解3 1 4 3 计算结果及分析3 4 4 3 1 炉内气体流动基本情况3 4 4 3 2 炉膛内温度场分布3 8 4 4 改变工况后的计算4 3 4 4 1 炉内气体流动基本情况4 4 4 4 2 炉膛内温度场分布4 8 第五章结论5 3 参考文献5 5 致谢5 7 东北大学硕士论文 第一章绪论 1 1 热处理炉的发展状况 第一章绪论 热处理是提高钢材和工件质量的重要工序，是组织生产的重要环节。各种不同的热处 理工艺的基本要求是尽量使炉内温度分布均匀，炉子升温及冷却制度准确，工件不变形或 少变形，表面不氧化脱碳或少脱碳。因些，其加热设备性能的优劣就显得至关重要，热处 理燃料炉由于其火焰流动场变化的瞬时性和不可重复性，给热工组织的确定带来网难。由 于受历史上重冷轻热观念的网扰，使得很多企业的决策者无暇在提高这些设备的技术等级 方面投入太多的人力、物力，造成热处理炉整体装备水平较低，大部分仍停留在2 0 世纪5 0 、 6 0 年代水平。在炉型结构、燃烧系统、筑炉材料与炉衬结构、余热回收、热工检测与控制、 产品质量、能源利用、环境保护、经济效益等方面跟不上时代的要求。 热处理炉是工业炉中对设备性能要求较高的一类炉子。台车式热处理炉用来热处理大 工件，随着工业技术的发展，大工件的尺寸、重量越来越大。相应的大台车式热处理炉也 越来越大，现在大的台车式热处理炉的台车宽达m ，台车面积有1 0 0 多平方米。大台车式 热处理炉造价高，大件数量少，大台车式热处理炉用来处理小件很不方便，也不合算，利 用率很低，大工件用台车式热处理炉热处理的费用很高。随着工业炉技术的发展，使用高 速烧嘴供热与耐火纤维材料隔热，为大工件热处理开辟了方便而便宜的方法，不必再为数 量很少的大工件热处理，建造昂贵的大台车式热处理炉。如大型球罐压力容器焊接后的热 处理，利用容器本身作炉膛，外包耐火纤维隔热，配上高速烧嘴与检测温度用热电偶及显 示仪表，就地完成热处理，这已是常用的方法。文献报道：用6 支高速烧嘴供热，外罩 耐火纤维隔热，用3 0 支热电偶检测温度，完成了直径7 o l m ，高8 2 3 m ，重1 5 5 t 的纯氧顶吹 炼钢炉壳焊接后的热处理。热处理工艺要求：上部保温温度6 7 7 ，下部保温温度6 2 1 ， 保温时温差不超过2 8 。这样的热处理措施费用，比用台车式热处理炉省很多。同样保证 了热处理质量，降低了热处理成本。 东北大学硕士论文 第一章绪论 1 2 高速烧嘴在热处理炉上的应用 1 2 1 热处理炉的燃烧系统 在某些炉温均匀性要求比较严格的工业炉中，为了使炉温均匀，防止工件局部过热， 长期以来一直采用在炉内设置循环风机或依靠烧嘴布置使炉气强制对流和均匀分布的办法 来解决。从5 0 年代开始，为了改进大型热处理炉的加热质量，开始研究试制一种燃烧产物 喷出速度比较高的烧嘴，叫做高速烧嘴。它的基本特点是燃料在燃烧室或燃烧坑道的前半 部分即基本达到燃烧，由于燃烧室是密闭的，并保持主够高的压力，使高温燃烧产物以1 0 0 3 0 0m s 喷出，因而强化了炉气循环，并可强化炉内对流换热。此外，如果在燃烧室出口 或燃烧坑道的后半部分供给可以调节的二次空气，就可以实现烟气温度的调节。 燃烧系统是热处理燃料炉的“心脏”，要求它高效、节能和高性能，这是提高加热质量、 保证工件合格的关键 2 1 。其主要部件是燃烧器( 亦称烧嘴) ，就热处理炉而言，所选用的燃 烧器除高效节能外，同时要求高性能，能满足各种热处理工况的要求。首先是满足炉温均 匀性达到工艺要求。为此，在热处理燃料炉中高速调温自动控制烧嘴被广泛采用，这对保 证加热质量非常重要。其主要优点表现在： ( 1 ) 高速气流强化了炉内气体循环，提高了炉温的均匀性。经测量高速烧嘴在出口速度 为9 0m s 时，气流张角为1 9 0 1 2 ，在距离烧嘴长度8m 、宽度2 8m 范围内，气流速度仍具有 8 2m 8 的流速，它所控制的温度场比一般普通烧嘴大5 7 i 倍，也就使得炉内温度更均匀。 ( 2 ) 高速气流强化了炉内对流传热。采用高速烧嘴的炉子，除了工件升温快以外，明显 的不同是保温后期的工件温度与炉膛温度也趋于一致，其原因是炉内对流热交换占了主导 地位，约占3 5 - - 8 5 。 ( 3 ) 可实现自控供热。烧嘴本身配有自动点火、火焰保护和自动调节等装置。针对高速 烧嘴的特性高速气流强制循环，控制上可采用脉冲控制方法，根据热处理工艺在各温 度控制范围内的供热需求量，控制各个烧嘴大、小火交替变化频率，既保持了高速气流强 制循环效果，又保证了控温精度。 ( 4 ) 可使炉内结构简单化，根据高速烧嘴气流特性，烧嘴布置间距可达3 0 0 0m m ( 一般 普通烧嘴布置间距不宜 l5 0 0m m ) ，这样就减少了烧嘴数量，而不影响炉内温度均匀性， 东北大学硕士论文第一章绪论 高速气流充满了炉内各处，排烟口对炉内温度场影响很小，设计中可把排烟口设置在炉体 结构允许的任何一处，且可以用大排烟孔替代数量众多的小排烟孔，从而使炉体结构简单 化。高速烧嘴燃烧完全和强化对流传热可提高炉子热效率，平均节能达8 1 2 。 1 2 2 高速烧嘴的特点 现在台车式热处理炉多使用高速烧嘴供热，一台炉子有几个、十几个高速烧嘴，高速 烧嘴多装在侧墙底部。高速喷出燃烧牛成高温气体，它能带动炉内气体循环流动，图1 给出 了高速烧嘴喷出气流速度与引射气体的倍数关系【3 】。 k 墨 j | 旨l 蓍 督 在距喷廿1 5 2m 处引射气体雌倍数 图1 1 高速烧嘴高速度气流的引射作用 f i 9 1 1a i rf l o we j e c t e do fh i g hs p e e db u r n e r ( 烧嘴功率1 4 7 k w ，炉温1 0 9 3 ) 高速烧嘴喷出气流速度越高，引射流动气体的量越大，炉膛内气体循环流动越强烈。 强烈的炉气循环流动，使工件所在有效加热区温度均匀，有很好的保温精度，由于对有效 加热区与保温精度规定了确切的定义，而且规定了检测方法。炉温及炉温均匀含义不清楚， 检测方法不明确。为了高质量的热处理，高速烧嘴的高温高速气流从底部穿越台车面，消 除了台车底部中心的低温区。这是其它类型烧嘴做不到的。这对大的台车式热处理炉特别 有好处。高速气流穿越台车后，继续向前会冲击到对面炉墙，冲击速度过大，持续时间稍 长，会在冲击炉墙处生成局部高温区，这在热处理炉上是不允许的。由于高速烧嘴的喷出 速度过大，曾在一台车宽5 8 m 的台车式热处理炉上发牛过这样的局部高温区。在降低喷出 东北大学硕士论文 第一章绪论 速度后，局部高温区也就消失了。所以高速烧嘴的喷出速度要适当。 使用高速烧嘴会强化炉膛内气体循环流动，会加强对工件的对流传热，在1 8m 宽， 5 2m 长的锻造加热炉用高速烧嘴代替旧烧嘴，炉子温度由原来的1 4 2 7 降到1 2 2 7 ，炉 子的生产率仍保持不变。图2 给出了高速烧嘴与长辉焰烧嘴对炉底热流密度实测对比曲线 4 , 5 1 。 从图2 中可以看到实测高速烧嘴对炉底热流密度在整个炉底宽度内都比长辉焰烧嘴大。 这是高速烧嘴强化对工件对流传热的结果，说明在使用高速烧嘴的台车式热处理炉内加热 工件可以缩短加热、保温的时间，提高炉子的生产率。但热处理工艺是根据过去的经验制 订的，工件加热、保温时内部温度、时间是不能随意变更的。必须做专门的实测，测定工 件内部升温达到规定温度必需的时间，由于使用高速烧嘴的台车式热处理炉内加热必需的 时间，比同样工件在老炉子里的时间缩短了。因而得到热处理工艺人员的认同和采用。工 作温度越低，对流传热的份额越大，可缩短的时间越多1 6 , 7 , 8 。在使用高速烧嘴的台车式热 处理炉加热直径6 0 0m m 的工件，比过去老炉子9 5 0 保温时间缩短5h ，7 9 0 保温时间缩 短8h 。 图1 2 高速烧嘴与长辉焰烧嘴对炉底热流密度实测对比曲线 f i 9 1 2b o t t o mh e a t f l u xo fh i g hs p e e db u r n e ra n dl o n g - f l a m eb u r n e r 1 3 脉冲式燃烧 热量的传递方式是传导、对流和辐射，火焰炉内炉气的热量主要是通过对流和辐射的 方式向热处理工件传递的。当炉温在9 0 0 以上时，辐射传热占主导地位，加热炉和一些 高温热处理炉是属于这种情况，但大多数热处理工艺是在9 0 0 以下，对流传热随着炉温 东北大学硕士论文第一章绪论 的降低成为炉内的主要传热方式。由于摩擦阻力的存在，在工件表面存在不流动的气体附 着层，附着层内的热量是依靠传导方式传向工件表面，传热效率很低。炉气与工件间的相 对速度越大，工件表面附着层越薄，传热效率越高，升温速度越快，热效率越高。同时由 于炉气流速加快，在炉气流动方向上的温差变小，炉温均匀性提高p l0 1 。 传统的烧嘴空气和燃料是在烧嘴内混合或预混，在炉内燃烧。而高速烧嘴是在烧嘴内 完成混合和燃烧，燃烧产生的高温烟气通过烧嘴的喷口高速喷出，速度可达1 0 0m s 以上。 高速流动的炉气引射周围的气体，使炉内的气体循环量大为增加，般可达原来的流量的 1 0 倍以上，对炉内气体的搅拌作用十分强烈，使炉内的温差缩小，炉温分布十分均匀。并 且由于炉气和工件间相对速度增加，使传热速度提高，燃耗降低。所以保证高速烧嘴喷出 的气流的流速是保证炉温均匀性、提高热效率的重要于段。 般当炉子的温度完成升温阶段，开始保温时，炉内工件不再吸热，供入的热量主要 是补偿炉体散热和烟气带走的热量，需要的燃料量急剧缩小，保温期的燃料量一般是加热 期的i 5 i 2 0 。所以当炉子进入保温期后，传统的控制方式是逐渐减小供入炉内的燃料 量，从而使烧嘴喷口流出的气体流速下降，同时对炉内气体的引射作用减弱，炉温不均匀 性增加。而如果采用脉冲燃烧方式就可避免这个问题的出现。 脉冲燃烧就是根据炉温的变化周期性向炉内供入燃料，使烧嘴在工作时总是满负荷， 以保证无论是升温期和保温期烧嘴喷出烟气的速度，保证炉内温度均匀性。为了保证在烧 嘴工作时喷出烟气的速度，同时又要减小因供热量的周期性波动而造成炉温的波动幅度， 采用自动控制和合理的控制策略是关键。连续式脉冲式燃烧示意图如图3 ( a ) 、( b ) 所 示： ， ， 裂豳差 ( a ) 烧嘴连续控制示意图 东北大学硕士论文 第一章绪论 ( b ) 烧嘴脉冲控制示意图 图1 3 连续式脉冲式燃烧示意图 f i 9 1 3c o n t i n u o u s p u l s ec o m b u s t i o n 在脉冲燃烧系统中，调节是通过调节各个烧嘴燃烧周期大小来实现工艺加热曲线要求 的。脉冲燃烧是将传统的连续调节方式改变为通断式调节，即烧嘴工作状态只有两种：一 是在预先选定的最佳燃烧状态最大计算热负荷下工作：二是烧嘴以能维持自身不灭的 小火执勤常明。脉冲燃烧技术基于调节周期( 大小火变换一次的时间) 、占空比( 大火时间与 全周期的时间比值) ，使炉温在最大或最小单位燃料消耗时均能保证均匀。 在采用连续控制时，烧嘴的供热量连续可调，如以箭头线表示热气流。从图3 ( a ) 中可 以看出，采用该控制方式，烧嘴喷出的烟气速度低，热量积聚在炉顶，烟气在炉内滞留的 时间短，炉内的温差大，一般炉内上下温差在3 0 左右，影响退火产品的质量，加热效率 也不高。而采用脉冲控制时，如图3 ( b ) 所示，相对的一对烧嘴工作状态正好相反，一侧主 烧嘴全负荷工作，另一侧主烧嘴关闭，从烧嘴喷出的高速气流在炉膛内围绕着工件旋转前 进，并带动附近的炉气流动，使炉内温差缩小，同时烟气在炉内滞留的相对时间增加，烟 气与工件的传热效率提高，加热效率也大为提高u 1 1 。 采用了脉冲燃烧，高速调温烧嘴产生的高速气流带动了炉内气体的循环运动，强化了 炉气和工件的对流传热，使炉膛温度均匀性得到了较好的改善。从应用效果上看，无论是 升温还是保温和降温，较强的炉气循环流动使炉内温差达到了控温精度。 1 4 提高热处理炉技术等级的途径 当前除了采用高速烧嘴之外，为提高热处理炉技术，还应考虑以下因素1 1 2 ： 1 炉型结构 炉型结构是根本，如果没有一个合理的结构设计，再好的技术，要想提高炉子的热工 东北大学硕士论文第一章绪论 性能也是非常困难的，甚至无能为力。因此，要运用牛产和热测数据寻求炉子热工性能的 规律性，以便定量给出各种参数对炉子热工性能的影响，为改进炉子结构设计提供依据。 2 全纤维轻质炉衬 炉子热平衡表明，间歇式砖体热处理炉的蓄散热损失占总供热的2 0 3 0 ，而炉体 的蓄散热与炉衬的重量及导热系数成正比关系。耐火纤维不仅导热系数低，而且容重轻，纤 维炉衬重量仅为砖体炉衬的1 2 5 - 1 3 0 。因此，纤维炉衬能大幅度地降低炉子的蓄散热损 失，节能效果显著。并且纤维炉衬具有优异的抗热震性能和安装施工简便、周期短等优点， 在对耐火纤维材质选择正确的前提下，燃料炉的耐火砖炉衬完全可由耐火纤维代替，在合 理的炉衬结构下，热效率可以提高到3 0 4 0 。由于炉衬轻，作平顶时无拱项侧推力， 故炉子骨架负荷大为减少，可减少钢材的使用量，对于新建的炉子可简化炉体基础。由于 炉衬轻、热容量小、炉子升温快，操作周期短，炉子作业率和热效率提高，使炉子同时获得 节能、增产的效果。全纤维炉衬能充分显示纤维制品的优良特性，实现高效率、低能耗、轻 型化的炉体结构。 3 余热回收装置与利用 在燃料热处理炉中，烟气带走的热量占总供热量的3 0 5 0 ，充分回收这部分热量 并加以利用是降低炉子能耗、提高炉子系统热效率的重要措施。利用烟气的热量直接优先 加热供燃烧用的助燃空气为最合理，它与炉了构成了能量支出与回收的闭合循环，是一种 有效的节能措施。 4 提高炉子加热质量、稳定炉子工况的技术 ( 1 ) 炉压控制技术 一般地说，当燃料消耗量增大时，炉内压力会增大，当烟道抽力增大时，炉内压力会 减小；反之，炉压会反向变化。在运行中稳定炉压并控制在合理的范围内对保证加热质量、 降低消耗、延长使用寿命是至关重要的。实现炉压控制的方法是在炉内合适的位置设置取 压元件。其一，可以通过微差压变送器，将压力信号转换成电信号，指挥执行机构动作， 改变烟阀开度，把炉内压力调整到设定值，经以上回路形成炉压的自动调节系统，可有效、 准确地控制炉内压力变化。其二，通过压力显示装置，人工操作改变烟阀开度，以达到调 节炉压的目的。 ( 2 ) 密封技术 东北大学硕士论文 第一章绪论 炉子的密封问题是炉子设计和改造中非常重要的环节，密封性能的优劣，直接影响炉 内温度的均匀性、相关部件的使用寿命、燃料消耗及工作的热处理质量。在炉子整体结构 中，密封装置处于相对高温区，工作环境较为恶劣。因此，采用性能可靠、结构简单、寿 命长、便于维修的密封方案是非常必要的。 ( 3 ) 自动控制 在炉子本体改造的同时亦可以实现对炉子运行的自动化控制。目前较为流行且控制精 度高、性能稳定的方式是采用集散式控制，即由上位计算机集中管理和下位智能仪表分散 控制。可将工艺曲线输入计算机，根据要求将工艺某时刻的温度理论值与炉子反馈的实测 值相比较，若理论值高于实测值，系统减少能量供应，反之亦然。通过这样的控制系统，炉 子的运行非常稳定、可靠，控温精度高。 1 5 热处理炉数值模拟 数学模型是对物理过程的数学描述，在建模中体现了建模者对物理过程的抽象理解， 同时兼顾研究的目的性和实效性。加热炉数学模型是对炉内热过程的基本规律和热状态的 数学描述，确定炉内热过程参数间的定量关系。数学模型用于炉予热工理论研究、炉子优 化设计和炉子热工过程计算机控制。 热处理工艺多是产品的最后处理工序，直接影响产品质量。因此，对热处理炉的基本 要求就是根据热处理工艺曲线，提供准确的升温、保温和降温操作，同时保证炉内各处的 温度均匀。在传统的燃烧控制中，加热一般是通过调节燃料和空气的流量使之充分混合燃 烧来完成的，即燃料和空气的流量是连续变化的。这种连续燃烧控制技术目前在实际生产 中已得到广泛应用。但连续燃烧控制系统的调节范围比较窄，系统稳定性不佳且结构复杂。 由于靠增减供热量大小调节烧嘴，使得烧嘴不能满负荷工作。炉子在中低温时效果不佳， 低负荷时加热不均匀，因此，控制温度的误差是很大的。对热处理炉过程的理论研究可以 通过建立完整的热过程数学模型进行。在连续式加热炉数学模型中，多数文献中炉料被模 拟成一种“物流”，把加热物料假想成一种“连续流动的介质”。针对这种具有“非连续 性加热炉料”即非连续边界条件下连续式加热炉内热过程进行了数值模拟。其中利用建立 加热炉料导热模型处理了炉内非连续边界条件，同时与c f d 软件结合对模型进行了数值计 东北大学硕士论文第一章绪论 算。 在上世纪5 0 年代，由于计算机内存与计算机速度的限制，对于工业炉数学模型的研究 最先使用的是零维模型( z e r o d i m e n s i o n a lm o d e l ) ，即“充分搅拌的炉膛”( w e l l g i b e d f u r n a c e ) t 1 3 。4 1 5 16 1 ，该模型认为炉内的气体( 包括火焰) 温度、组分是均匀的。但这种模型的假 设条件与实际情况相差较大，因此，零维模型的使用受到了一定的限制。随着计算机技术 的发展，为了能够比较真实地描述工业炉的热交换过程，数学模型研究得到了较快的发展。 1 9 5 8 年h o t t e l 和c o h e n t l 7 1 研究了炉内充满吸收性气体的辐射热交换问题，首次提出了求 解辐射换热问题的区域法。1 9 7 2 年c o s t i k t l 8 】应用h o t t e l 和c o h e n 的区域法，对加热炉热过 程二维辐射换热问题进行了较为详细的研究；同年，f i t z g e r a l d 1 9 l 等人对加热炉热过程三 维辐射换热问题进行了研究，并探讨了流动对传热的影响性 2 0 1 ；s a l t e r 和c o s t i k 对于多段 加热炉的二维问题进行了研究，首次引入“假象断面”的概念，使多段加热炉热交换问题的 求解简单化。随着人们对加热炉热过程认识的进一步深化和对工业过程控制技术要求的提 高，加热炉热过程数学模型也越来越逼近加热炉的实际情况瞳1 1 。 气体力学湍流模型、燃烧模型、炉内辐射传热模型作为加热炉热过程数学模型，比较 真实而全面地反映了加热炉热工的全过程，在此基础上应用数值计算的方法去求解火焰温 度场、炉气流场与温度场、炉墙温度场及加热工件的温度场。 本文研究的对象是一座台车式热处理炉，用于处理压力容器。采用脉冲式高速调温自 控烧嘴，烧嘴布置在炉墙底部，采用炉墙侧排烟。通过c f d 计算软件f l u e n t 对该热处理 炉的炉内的温度场，流场和压力场进行数值模拟，得到了一系列符合实际的温度场，流场 和压力场。同时还模拟了热处理炉在改变烧嘴燃烧能力和烧嘴热气流出口速度之后的温度 场，流场和压力场，得到了在不同工况下这些场的分布规律。分析炉内气体流动状况，研 究影响炉内气体流动的因素对温度场的影响。 - l o ， 蝴，0 1 ；0 一 东北大学硕士论文第二章湍流数学模型 第二章湍流数学模型 弟一草? 而流裂罕俣型 2 1 湍流及其数值模拟方法概论 大型热处理炉热过程中的炉膛内炉气流动、对流传热传质与燃烧过程几乎全部都是湍 流过程，因此湍流模型是加热炉热过程数学模型的基础。 湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动。在湍流中流体的各种物理 参数，如速度、压力、温度等都是随时间与空间发生随机的变化。从物理结构上说，可以 把湍流看成是由各种不同尺度的涡旋叠合而成的流动，这些涡旋的大小及旋转轴的方向分 布是随机的。大尺度的涡旋主要是由流动的边界条件所决定，其尺寸可以与流场的大小相 比拟，是引起低频脉动的原因；小尺度的涡旋丰要是由粘力所决定，其尺寸可能只有流场 尺度的千分之一的量级，是引起高频脉动的原因。大尺度的涡旋破裂后形成小尺度的涡旋。 较小尺度的涡旋破裂后形成更小尺度的涡旋。因而在充分发展的紊流区域内，流体涡旋的 尺度可以在相当宽的范围内连续地变化。大尺度的涡旋不断地从丰流获得能量，通过涡旋 间的相互作用，能量逐渐向小尺度的涡旋传递。最后由于流体粘性的作用，小尺度的涡旋 不断消失，机械能就转化( 或称耗散) 为流体的热能。同时，由于边界的作用、扰动及速 度梯度的作用，新的涡旋又不断产生，这就构成了湍流流动。由于流体内不同尺度的涡旋 的随机运动造成了湍流的一个重要的特点物理量的脉动。一般认为，无论湍流运动多 么复杂，非稳态的n a v i e r s t o k e s 方程对于湍流的瞬时运动仍然是适用的【2 2 1 。 2 1 1 湍流流动的雷诺时均方程 若以通用变量缈表示流场中各变量瞬时值。如速度分量“，温度t 。密度p ，组分浓 度r = 肛p 等的瞬时值，则其时均值定理为： 历= ，1 i m 一歹1 r 缈衍 ( 2 - 1 ) 其中t 大大超过脉动周期，同时又大大小于流动宏观变化周期。脉动值定义为 伊= ( a - 历 东北大学硕士论文 第二章湍流数学模型 最一般的情况下，有传热及反应的单相多组分流体瞬时守恒方程组为 2 3 1 ： 连续方程： 等+ 昙( ，) = o 动量方程( n s 方程) ： 昙( 肛小考( 眺= 一瓦a p + 毒 ( 詈+ 考汁詈云( 等 + p & 组分方程： 昙( 必) + 考( 鹏e ) = 毒 d p 筹 - 心 能量方程： 鲁( p 。丁) + 考( ，勺丁) = 毒考) + 比q 考虑到 伊= 矽+ 伊7 ，矽= 伊，伊= 0 ，伊矽= 0 ，缈7 0 则在忽略脉动密度( p 7 = 0 ) 时，将各瞬时量分解为时均值及脉动值( r e y n o l d s ) ， 时间平均，可得到如下的雷诺时均方程绢： 鲁+ 丢( 厉) = o a fa x ? j j ( 2 _ 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 并再取 ( 2 6 ) 昙( 司+ 毒( 厩虿) = 一毒+ 毒 ( 等+ 等 - 毒( p u j , u - i ) 一- 2 j - 丢 ( 雾 + p 蜀c 2 扪 嘉( p 巧) + 考( p 虿f ) = 南( 。p 雾) - 专( p 孺) 一万 c 2 剐 昙( 阼于) + 专( p 孓p 于) = 毒( 力善) 一号( p 形) + 砚一万 c 2 奶 上述雷诺方程组是不封闭的，因为其中表征湍流脉动引起的动量、质量及能量输运的二阶 关联项一p 孺，一历孺，一刀都是未知，它们分别被称为雷诺应力，雷诺物质流和雷 1 2 一 一 ， 东北大学硕士论文第二章湍流数学模型 诺热流。湍流模拟的任务就是通过表达式或输运方程来寻找这些未知关联项，使方程组封 闭。 为了封闭方程，必须对额外项雷诺应力一p “：“：进行模拟。考虑时均流中的剪应力为 巧一p “：。其中第一项是分子粘性应力，可写成时均速度甜的函数： 一五 t q 。p 瓦。 b o u s s i n e s q 建议引入湍流粘度系数( 因为湍流中充满大小旋涡，故亦称为涡粘度系数) ， 假设雷诺应力可表示成与上式类似的式子： 一西i = u 慧。 推广到三维问题，若用笛卡儿张量表示，即有： 一p 弭鸹( 考+ 善 _ 詈肚吮 模型的任务就是给出计算湍流粘性系数，的方法。 2 1 2 普朗特混合长度理论 1 9 2 5 年普朗特提出混合长度理论，做出来了两个假设2 4 】： ( 1 ) 类似于分子的平均自由程，湍流中的流体微团有一个“混合长”，7 。对于某一给定 的点，流体微团由一一，和+ ，各以随机的时间间隔达到点。它们在到达 点之前，保持其原来的时均速度甜h _ ，) 和“( - ) 不变。一旦到达点就与该处原 来的流体微团发生碰撞而产牛动量交换。 ( 2 ) 薯方向和x ，方向上的速度涨落量彰与u ：同量阶。 由此，可得出层流流动与湍流流动的两个类比。第一个是层流粘性与湍流粘性的类比。按 照这一类比可以写出： = 扛人；肛p ( ) 2 乙 东北大学硕士论文 第二章湍流数学模型 其中乙称为混合长度。第二个是时均运动与脉动的量纲对比，即： 脉动速度脉动尺度 时均速度时均尺度 由此得 ( ) 抛忙矧 由以上两个类比，得出混合长度模型的湍流封闭代数表达式 小嬲蚓 或 一p “；材：= 解 这一封闭模型的特点是直接用平均两梯度代数表达式来模拟雷诺时均方程组中未知的应力 或热流、物质流关联项。 混合长度模型无须附加湍流特征的微分方程，因而适用于简单流动，如射流、边界层、 管流、喷管流动等。但对于复杂流动如拐弯或台阶后方有回流的流动，不能为零，乙很 难给出表达式，因此有了局限性。 b o u s s i n e s q 提出湍流粘度系数7 后，许多学者试图给出与流场时均量的关系，根据 所补充偏微分方程数目的不同而称为零方程、一方程和二方程模式。为了扩大混合长理论 的应用范围，很多人对混合长乙假设了不同的取法，分别用于边界中流动或射流等湍流流 动。但是这些模型都有一个共同的缺点，就是湍流粘度系数只取决于当地局部的流动参数， 而与别处的流动无关。由此而产生的一方程或二方程模式，正是为了弥补这一缺点。它们 假设7 正比于一两个参数的某次幂，而这两个参数则由引入附加的偏微分方程在全流场 联立求解，不再由局部的流场性质决定。目前应用较广而效果较好的一种二方程模式即 “后一占模型”。这一模式所引入的两个参数是湍流涨落动能后和湍能耗散率s ，定义为： 1 一 后= 去彰2 甜：2 2 ( 2 1 0 ) 东北大学硕士论文 第二章湍流数学模型 占= y ( 筹) 2 + ( 考 2 + ( 簧 2 + ( 善) 2 + ( 善 2 + ( 鼍 2 + ( 筹) 2 + ( 筹 2 + ( 筹 2 1 式中y 是运动粘度系数。七和s