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包钢轨梁厂蓄热式加热炉数值模拟

摘要
高温空气燃烧技术是燃烧学和热工领域的一项重要技术革新，研究高温空气燃烧过程及其在冶金工业炉窑中的热工特性，对于进一步发展高温空气燃烧技术的理论和应用具有重要意义。
蓄热燃烧技术具有节约燃气的消耗率,提高炉内温度场的均匀性等优点。本文对高温空气燃烧技术的应用及发展、计算流体力学的理论和燃烧过程数值模拟方法的研究进行分析，针对高温空气燃烧的基本特征，采用工业应用现场研究和Fluent数值模拟相结合的方法，研究了高温空气燃烧过程特点及其在蓄热式加热炉内的流体流动、燃烧、传热等过程的模拟。主要研究内容有及特点有：
（1）通过蓄热式加热炉的发展及应用现状，详细地阐述高温空气燃烧技术的基本原理、主要特点、研发现状及存在的问题，及时掌握蓄热式加热炉的发展动向，为优化蓄热式加热炉的研究做参考资料。
（2）通过Ansys软件，建立了具有多入口、多出口的三维非稳态高温空气燃烧过程的数值仿真系统，研究加热炉内流场、温度场的分布情况，并研究预热温度、燃气-空气流量等操作参数对炉内燃烧状况的影响，用试验结果对数值模拟研究进行验证，分析试验结果。
（3）通过对蓄热式加热炉数值模拟的研究和加热炉内HITAC过程与钢坯加热过程进行的模拟，优化包钢轨梁厂3#加热炉的操作运行。利用该系统对钢坯在炉内的加热过程进行模拟分析，并与现场生产记录数据进行对比，证明了模型的研究价值和适用性;在此基础上，分析燃烧组合方式对炉内流场、温度场和浓度场以及钢坯加热效果的影响，研究结果将为蓄热式加热炉在我国的推广与设计提供技术参数和参考模型。
关键词:高温空气燃烧技术，蓄热式加热炉，数值模拟，流场，温度场，加热效果
 
ABSTRACT
High temperature air combustion technology is the combustion and thermal fields is an important technological innovation of high temperature air combustion processes and in the metallurgical industry furnace in thermal properties, high temperature air combustion for the further development of the theory and application of technology is important .
Regenerative combustion technology with saving gas consumption rate, improve the uniformity of furnace temperature field advantages. In this paper, the application of high temperature air combustion technology and the development of computational fluid dynamics theory and numerical simulation of combustion methods of analysis, For the basic features of high temperature air combustion, using field research and industrial applications Fluent method of combining numerical simulation to study the characteristics of high temperature air combustion process and in the regenerative furnace of fluid flow, combustion, heat transfer and other process simulation . Main research content and features:
(1) through the regenerative furnace of the development and application status, detailed description of high temperature air combustion technology, the basic principles, main characteristics, development status and problems, and grasp the development trend of regenerative furnace, to optimize the build hot furnace of doing references.
(2) by Ansys software, set up with multiple entry, multi-dimensional non-steady-state export of high temperature air combustion numerical simulation to study the flow field inside the furnace, temperature distribution, and to study the preheating temperature, gas - air flow and other operating parameters on the impact of combustion conditions, using numerical simulation test results verify the analysis results.
(3) by numerical simulation of regenerative reheating furnace and the furnace in the research process and billet heating HITAC process simulation, optimization package rail beam 3 # heating furnace of the operation to run. Using the system on steel billet in the furnace heating process simulation, and production records and field data comparison proved the value and applicability of the model; On this basis, analysis of composition of the furnace combustion flow field, temperature field and concentration field, as well as billet heating effect, The results for regenerative furnace in China to promote the provision of technical and design parameters and reference model.

KEYWORDS: high temperature air combustion, regenerative furnace, numerical simulation, flow field, temperature field, heating effects.
 
目  录
摘要 I
ABSTRACT II
第一章 论文综述 7
1.1、蓄热式加热炉的发展背景及应用现状 7
1.1.1 课题研究背景 7
1.1.2蓄热燃烧技术的应用现状 7
1.2、蓄热式加热炉在国际及国内的发展 8
1.2.1蓄热式加热炉在国际的发展 8
1.2.2蓄热式加热炉在国内的发展 9
1.2.2.2、蓄热式烧嘴发展 9
1.2.3 数值模拟在蓄热式加热炉的发展现状 9
1.3 课题研究内容 10
1.4 本章小结 11
第二章 蓄热式高温空气燃烧技术及特点 12
2.1 蓄热式高温空气然烧技术的原理及原则 12
2.1.1蓄热燃烧技术原理 12
2.1.2 高温低氧燃烧技术的基本原则 13
2.2 蓄热式高温空气嫩烧技术的关键部件和主要特点 13
2.2.1 蓄热体 14
2.2.2换向装置 14
2.2.3换向时间 14
2.3  高温低氧气氛下燃料的燃烧特征 15
2.3.1 燃烧火焰的结构和特征 15
2.3.2 燃烧温度研究 16
2.3.3  NOx的生成 17
2.4 本章小结 20
第三章 燃烧过程数值模拟分析过程 21
3.1 计算流体力学的发展及应用 21
3.1.1计算流体力学的发展 21
3.1.2 计算流体力学的应用 21
3.2数值模拟在燃烧过程研究中的作用 22
3.3燃烧过程的数值模拟基础分析 23
3.3.1湍流流动的特点. 23
3.3.2湍流流动模型 24
3.3.3湍流气相燃烧模型 28
3.3.4混合燃烧模型 28
3.3.5 辐射换热模型 28
3.3.6  NOx生成模型 31
3.4 高温空气燃烧过程数值计算中数学模型的确定 32
3.5 本章小结 33
第四章 HTAC加热炉数值模拟 34
4.1 数值模拟的对象 34
4.1.1模拟对象的描述： 34
4.1.2 3#加热炉的简化及假设 35
4.2建模操作步骤： 35
4.2.1利用Ansys中的DM软件建立计算区域 35
4.2.2 计算区域的网格划分 36
4.3炉内燃烧模拟计算中物理模型的确定 37
4.4各种边界条件的设定 40
4.5本章小结 42
第五章 数值模拟的后处理及结果 43
5.1 燃烧过程的模拟流程 43
5.2 计算结果及其分析 44
5.2.1加热炉内流场特征 44
5.2.2 加热炉内温度分布特征 46
5.2.3 CO2质量分数分布 47
5.3模拟结果的后处理 48
5.4不同换向组织方式对钢坯加热能力影响的仿真实验 49
5.4.1 全同侧换向控制时的仿真结果与分析 50
5.4.2 交叉换向控制时的仿真结果与分析 52
5.5本章小结 54
第六章 全文总结与后续工作建议 55
6.1 全文总结 55
6.2下一步工作的建议和构想 56
致谢 57
参考文献 58
附录 61