步进式加热炉内流动与传热过程的数值模拟

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2005.03.008 第27卷第3期 北京科技大学学报 VoL.27 No.3 2005年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2005 步进式加热炉内流动与传热过程的数值模拟 刘向军”杜冰雁”潘小兵) 1)北京科技大学热能系，北京1000832)北京风厘工业炉有限公司，北京102600 摘要建立了步进式加热炉内流动、燃烧和传热的数学模型.湍流模型采用kε双方程模 型，辐射换热计算采用六通量法，气相燃烧采用修正EBU模型，流场计算采用Simpler算法， 采用上述模型与算法得到了炉内详细合理的温度、速度和浓度分布， 关键词加热炉：流动：传热：数值模拟 分类号TF062 步进式加热已成为新建轧钢加热炉的首选 1研究对象 炉型.步进式炉具有推钢式加热炉无法比拟的优 点：氧化烧损小、脱碳少；加热质量好，钢温比较 图1所示为一典型三段式平顶步进式加热炉 均匀；加热操作灵活，易于与轧制节奏匹配；能够 的主视图，炉膛内长44.2m,宽11.7m,均热段与 比较精确计算和控制坯料在炉内的加热速度和 加热段高4.1m,预热段高3.5m.加热的钢坯是 加热时间，有利于实现整个加热过程自动化等”， 10m×1.4m×0.23m的低碳钢.钢坯入炉温度为 采用步进式加热炉加热钢坯，要有效地控制炉内 20℃，产量为300th.所用燃料为混合煤气，热值 的温度制度，高效地达到钢坯的加热要求，需对 为8782.2k/m,燃料消耗量为4.8×10m3h,空燃 炉膛内的流动与传热过程进行详细的分析了解. 比取1.05.煤气预热温度为290℃，空气预热至 本文采用数值模拟的方法，以三段式平顶步进式 450℃.混合煤气的组成为：C0,18.5%:C02,8.0%: 加热炉为例，建立了炉内流动与传热的数学模 H,23.7%;CL,10.0%;CH,0.8%;02,0.3%:N2, 型，进而求解，得到了炉内详细合理的速度、温度 36.5%:H,0,2.31%. 和浓度分布，为步进式加热炉的优化设计、优化 烧嘴布置如图1所示，加热段有30个顶部平 操作与控制提供了详实的依据 焰烧嘴（单烧嘴负荷为0.192m/s以、10个侧墙烧嘴 顶部烧嘴 侧墙烧嘴 固定梁 烟道 均热段 加热段 预热段 图1加热炉主视图 Fig.I Schematic diagram of a reheating furnace (单烧嘴负荷为0.346ms),4个端头烧嘴（单烧嘴2数学模型及计算方法 负荷为0.578ms):均热段有12个顶部平焰烧嘴 (单烧嘴负荷为0.140ms以、2个端头烧嘴（单烧嘴 对于上述研究对象，湍流模型采用k一ε双方 负荷为0.093m3s). 程模型，燃烧室内辐射换热计算采用六通量 法，气相燃烧采用修正EBU模型，具体控制方程 收稿日期：2004-01-03修回日期：200404-15 作者简介：刘向军(169一，女，副教授，博士 如下以：

第 卷 第 期 年 ‘ 月 北 京 科 技 大 学 学 报 功公 加 ” 应 洲 加 工 七 加 口 。 步进式加热炉 内流动与传热过程的数值模拟 刘 向军 ” 杜冰雁 ” 潘 小 兵 ， 北京科技大学热能系 ， 北京 北 京凤凰 工 业炉有 限 公 司 ， 北京 摘 要 建立 了步进式加 热炉 内流动 、 燃烧和 传 热 的数 学模型 湍流 模型 采用 路铭双 方程模 型 ， 辐 射换热 计算采用六 通 量法 ， 气 相燃烧采用 修 正 模型 ， 流场计算采用 算法 采用 上 述模型 与算法 得到 了炉 内详 细合 理 的温度 、 速 度和 浓 度分布 关键词 加热炉 流 动 传热 数值模拟 分 类号 步 进 式 加 热 己成 为新 建 轧钢 加 热 炉 的 首选 炉 型 步进 式炉具有推钢 式加热 炉 无法 比拟 的优 点 氧 化烧 损 小 、 脱 碳 少 加 热质 量好 ， 钢温 比较 均 匀 加 热 操 作灵 活 ， 易 于 与 轧 制 节奏 匹配 能够 比较 精确 计 算和 控 制 坯 料在 炉 内的加 热 速 度 和 加 热 时 间 ， 有利 于 实现 整 个加 热 过 程 自动 化 等‘ 采用 步进 式加 热炉 加 热钢 坯 ， 要 有效地 控 制炉 内 的温 度 制度 ， 高效地 达 到 钢 坯 的加 热要 求 ， 需对 炉膛 内的流动 与传 热过程 进 行详细 的分 析 了解 本文采用数值模拟 的方法 ， 以三 段 式平 顶 步进 式 加 热 炉 为例 ， 建 立 了炉 内流 动 与传 热 的 数 学模 型 ， 进 而求 解 ， 得 到 了炉 内详细 合 理 的速度 、 温度 和 浓 度 分 布 ， 为步进 式加 热 炉 的优 化 设 计 、 优 化 操 作 与控 制 提供 了详 实 的依据 研 究对 象 图 所 示 为一 典型三 段 式平 顶 步进式加 热 炉 的主 视 图 ， 炉 膛 内长 ， 宽 ， 均 热段 与 加 热 段 高 ， 预热 段 高 加 热 的钢 坯 是 、 的 低 碳 钢 钢 坯 入 炉 温 度 为 ℃ ， 产 量 为 比 所用燃料 为混 合煤气 ， 热值 为 ， 燃 料 消耗量 为 少 爪 ， 空燃 比 取 煤 气 预 热温度 为 ℃ ， 空气 预 热至 ℃ 混合煤气 的组 成 为 ， ， 玩 ， 凡 ， ，玩 ， 认 ， 从 ， 凡 ， 烧 嘴布 置如 图 所 示 ， 加热 段 有 个 顶 部平 焰烧 嘴 单烧 嘴 负荷 为 、 个侧 墙烧嘴 顶部烧嘴 烧嘴 侧墙烧嘴 固定梁 烟道 圈 加热炉主视圈 加 门 传卜 恋加， 单烧 嘴 负荷 为 ， 个端 头烧 嘴 单烧嘴 负荷 为 均 热 段 有 个 顶 部平 焰烧 嘴 单烧 嘴 负荷 为 、 个端 头烧 嘴 单烧 嘴 负荷为 收稿 日期 今刁 刁 修 回 日期 刁 作者 简介 刘 向军 华一 ， 女 ， 副教授 ， 博士 数 学模 型 及 计 算方法 对 于 上 述研究对 象 ， 湍 流模型采 用卜一￡双 方 程 模 型 ， 燃 烧 室 内辐 射 换 热 计 算 采 用 六 通 量 法 ， 气 相 燃烧 采用 修正 模 型 ， 具 体控 制方程 如下冈 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2005．03．008

●288· 北京科技大学学报 2005年第3期 2.1气相控制方程 e=0.5k儿，特征尺寸1取为喷口的当量直径. (1)组分方程. 在出口处：假定出口速度、温度和组分为充 7p,w=7·pD| 分发展段状态，即 DSc.H.=utpk D.=M Viou,jou,kom)=Wiom,jon,kou-1), e· Tiou jou,kou)=Tio jout,ko), 其中，p,V分别为气体的密度和速度，P,w,分别为 Y.(iom,jou,=Y(iou jou,ko-1) 气体组分的密度和化学反应速率，4为有效粘性 在固体壁面上：速度取无滑移边界条件为 系数，Sc,为气体组分的传质Schmidt数，4为粘性 4=v=w=0,温度取为定值T=T,加热炉壁温T 系数，k为湍动能，e为耗散率，c为湍动常数， 按各部分的具体情况取为定值， (2)质量守恒方程. 在实际炉膛中，钢坯不断地以一定间隔从入 7(p0=0. 口进入，在炉内经预热段、加热段和均热段加热 (3)动量方程， 至预定温度从出口出钢.对于本文所研究的稳态 V.(V.V--VP+V.r-V[3pt)+F. 问题，认为有28个钢坯沿炉长方向均匀布置，有 t=4(V+(Vl. 关钢坯温度的计算参见文献[5].文献[5]中以本 其中，F为气体所受到的质量力，本文仅考虑重 文计算所得炉内各处的温度速度为边界条件计 力的影响：P为气体压力 算钢坯在炉内的升温过程，换算得到本文的28 (4)能量方程. 个钢坯的温度，再作为本文的边界条件计算炉内 V.(pVc,T)=V(TVT)+Ox+o.. 温度与速度，两套计算耦合多次直到收敛， 其中，c为气体的比热，T为扩散系数，为辐射 2.4控制方程的求解 换热率，本文中利用六通量法计算出辐射换热率 流场计算采用Simpler算法，网格的划分采用 2,,2为气体燃料的化学反应方程 200×40×20非均匀网格，壁面及喷口处网格较密， (5)k-e方程. 其他部分均匀分布.对流项的离散化采用上风格 .o闭=-pk.mr7m7-台}-pe, 式，扩散项的离散化采用中心差分格式.源项线 7oe)=-(号c-cev4vge 性化.代数方程的求解采用Gauss--Seidel迭代法. S[Cr.Vv-C:pe], 3计算结果与分析 =uCpk 3.1流场分布 其中，，c,C,C2,C为k一e方程湍流模型常数， 图2所示为计算所得沿炉宽方向的中心截面 有关其取值详见文献[2]. 上的速度分布，图3所示为钢坯所在水平截面上 2.2燃烧反应的确定 的速度分布.由此两图可看出：混合煤气和空气 步进式加热炉内温度很高，大量燃料在炉膛 从布置在均热段和加热段顶部及侧墙的烧咀喷 内进行着剧烈的燃烧反应化学，反应与气体湍流 入炉内燃烧，在炉内流动经预热段到烟道流出， 之间相互作用.考虑温度和湍流对燃烧速率的影 均热段气流速度较低，炉膛上部及钢坯附近速度 响，本文取气相燃料组分(CO,H,CH,CH)的燃 基本在1~2m/s左右；但在均热段下部靠近钢坯 烧速率为叫： 出口处，受到侧墙的影响，气流较少在此流过，形 w,兰一minw.r,wJ. 成一个流动死角，此处流速很低，在0.2m/s以下. 其中，w.r=-Cipgie/k,C=3为EBU模型常数，g 进入加热段后，速度开始逐渐提高，在加热段中 为燃料浓度Y(Y,=pp)脉动的均方值，取g=c. 部(-17m)处，炉膛上部及钢坯附近速度提高到 wA=-AP3 TM.C.C.exp[-12200/T,]:P为压力， 5m/s左右：到加热段的尾部，炉膛下部及钢坯表 Pa;T,为气体温度，K:M为挥发分相对分子质 面附近的炉气速率约为9/s.烟气进入预热段 量：C,C为然料组分、氧的摩尔浓度，kmol/m. 后，由于没有燃料供热及钢坯的吸热，上部流速 23边界条件的确定 有所降低，但下部及钢坯附近流速仍较高，基本 在入口处：在各燃烧器喷口处，按烧嘴负 上在10m/s以上，到出口处速度最大达21m/s. 荷及预热温度给定，，w,T及Y,k=0.01(+)

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 气 相 控 制方 程 组 分 方 程 · 切的 甲 · ， 一绘‘ 户 产 。 二 产 其 中 ， ， 分 别 为气 体 的密度 和 速 度 ，八 ， 分 别 为 气 体 组 分 的密度 和 化 学 反应 速 率 ， 产 。 为有 效粘 性 系 数 ， ，为气 体组 分 的传质 数 ， 声为粘性 系数 ， 为湍 动 能 ， 。 为耗 散 率 ， 几 为湍动 常数 质 量 守恒 方程 勺 · 勿岭 动 量 方 程 。 一仆 一 静刁， 一 。 甲的 ，的 ‘ 其 中 ， 为气 体所 受 到 的质 量 力 ， 本 文 仅 考虑 重 力 的影 响 尸为气 体 压 力 能量 方 程 甲 · 勿氏乃 甲 口力 其 中 ， ‘ 为气 体 的 比热 ， 几 为扩 散 系数 ， 认为辐 射 换 热率 ，本文 中利用 六 通 量 法 计算 出辐射 换热 率 么 口， 为气 体 燃 料 的化 学 反 应 方程 几一￡方 程 图晗 · 。 ，一知。 · · 十甲 · 习 一，一 甲 ’ 伽阵， 队小 一 欲 ， 卜 甲 价 小 。 一 ， 特 征 尺 寸 取 为喷 口 的 当量 直 径 在 出 口 处 假定 出 口 速 度 、 温度 和 组 分 为充 分 发展 段状态 ， 即 以 ，痴 ， 二 拭临 。 ， 硫 一 ， ， 双 ，痴 ， 标 双益 ， ’ 。 ， 硫 一 ， 编 ，知 ， 硫 ， ， 硫 一 、 在 固体 壁 面 上 速 度 取 无 滑 移边 界 条 件 为 ， 温 度 取 为定值 ， 加 热 炉壁 温 按各 部分 的具 体情 况取 为 定值 在 实际炉膛 中 ， 钢 坯 不 断地 以一 定 间隔从 入 口 进 入 ， 在炉 内经 预 热段 、 加热段 和 均热段 加热 至 预 定温度 从 出 口 出钢 对 于本文所研 究 的稳 态 问题 ， 认 为有 个钢 坯 沿 炉 长 方 向均匀布 置 ， 有 关钢 坯温度 的计算 参 见文 献 文 献 中 以本 文 计 算所 得 炉 内各 处 的温 度 速 度 为边 界 条件 计 算钢 坯 在 炉 内的升温过 程 ， 换 算得 到 本 文 的 个钢坯 的温度 ， 再作为本文 的边 界条件计 算炉 内 温度与速度 ， 两 套 计 算祸 合 多次直 到收敛 控 制方 程 的求解 流场 计算采用 如 算法 ， 网格 的划 分采用 非均匀 网格 ， 壁面 及 喷 口 处 网格较 密 ， 其 他 部分均匀分 布 对 流项 的离散化采用 上风格 式 ， 扩散项 的离散化采用 中心 差分 格 式 源 项 线 性 化 代 数 方程 的求 解采 用 一 迭代 法 备〔 二 · 卜。 ， 热 一“ 其 中 ， 氏 ， 民 ， ，， ， 竿为无一召 方 程 湍 流 模 型 常 数 ， 有 关其 取值 详 见 文 献 燃 烧反 应 的确 定 步进 式 加 热炉 内温度 很 高 ， 大 量燃 料在 炉膛 内进 行着剧 烈 的燃烧 反应 化 学 ， 反应 与气体湍流 之 间相 互 作用 考 虑温度和 湍流对 燃烧速 率 的影 响 ， 本 文 取 气 相 燃 料 组 分 ， 凡 ， 凡 ， 玩 的燃 烧 速 率 为邝， 。 一 运 、 ， 。 〕 · 其 中 ， ’ 一 ￡ 无 ， 为 模 型 常 数 ， 为燃料浓度 甄 ， 动脉动 的均方值 ， 取 ‘ 玲 ’ ‘ 一 尸 ，兀从 〔一 兀 ’ 尸 为 压 力 ， 几为气 体温 度 ， 为挥 发 分 相 对 分 子 质 量 ， 为燃料组 分 、 氧 的摩 尔浓 度 加 边 界 条件 的确 定 在 入 口 处 在 各 燃 烧 器 喷 口 处 ， 按烧 嘴 负 荷 及 预 热温 度给 定 ， ， ， 及 玖 ， 夕 护 ， 计 算结 果 与分 析 流场 分布 图 所 示 为计算所得沿炉 宽方 向的中心截面 上 的速度分 布 ， 图 所示 为钢 坯 所在 水平截 面 上 的速 度 分 布 由此 两 图可 看 出 混 合 煤气 和 空气 从 布 置 在 均 热 段 和 加 热 段 顶 部 及 侧 墙 的烧 咀 喷 入 炉 内燃烧 ， 在 炉 内流动 经预 热段 到烟 道 流 出 ， 均热段气流速度较低 ， 炉 膛 上部 及钢 坯 附近速度 基 本在 灯 左 右 但 在均热 段 下 部靠近钢 坯 出 口 处 ， 受 到侧墙 的影 响 ， 气流 较少在此 流过 ， 形 成 一个流 动死 角 ， 此 处流速 很低 ， 在 耐 以下 进入 加热 段 后 ， 速度 开始逐 渐提 高 ， 在 加 热段 中 部 卜 处 ， 炉 膛上 部及 钢 坯 附近 速 度提 高到 灯 左 右 到加热 段 的尾 部 ， 炉 膛 下 部及 钢 坯 表 面 附近 的炉气 速 率约 为 岁 烟气 进 入 预热 段 后 ， 由于 没 有燃 料供 热及钢 坯 的吸热 ， 上 部流速 有所 降低 ， 但 下 部及 钢 坯 附近 流 速 仍较高 ， 基 本 上 在 耐 以上 ， 到 出 口 处速 度 最 大达 公

Vol.27 No.3 刘向军等：步进式加热炉内流动与传热过程的数值模拟 ·289· 2535 2305 2076 1847 1818 138 0 9307 7015 图2炉宽方向中心搬面上的速度分布 Fig.2 Velocity vector in the central XZ section 图3带钢还的水平截面上速度分布 Fig.3 Velocity vector in the Xsection with a billet 图4所示为A-A截面上(=14.5m)的速度分 热段布置有多个烧咀，燃烧反应剧烈，此两段温 布，此截面处于加热段靠近均热段处，气体流速 度梯度很大，有多个局部高温、低温区，进入预热 较低，钢坯附近速度基本在1~2ms左右.由于顶 段，没有燃烧热源，故此段温度梯度较小，没有局 部两排平焰烧嘴和端头4个烧嘴，在炉膛上部和 部高温、低温区，温度均匀地从高温降到低温，这 下部对称出现2个和4个速度较高区，最大处速 一计算结果是合理，与实际情况相符的.图6所 度为15ms,A-A截面上速度基本左右对称分布， 示为A-A截面上(=14.5m)的温度分布，此截面 说明所得结果是合理的， 处于加热段靠近均热段处，整体温度较高，同时 32温度分布 由于左侧上方有平焰烧咀，左下端有4个端头烧 咀，这些烧咀喷出的燃料到A-A截面处部分燃 烧：相应地，截面上部有2个高温区，2个低温区， 下部对称出现4个高温区，4个低温区，最高处局 部温度达1700℃，低温区局部最低仅800℃，整个 截面上温度梯度很大 图4A-A剖面速度分布 3.3C0,体积分数（干烟气）分布 Fig.4 Velocity vector in the A-A section 图7为计算得到的沿炉宽方向的中心截面上 图S所示为计算所得沿炉宽方向的中心截面 的C02体积分数分布，与图5炉内烟气温度分布 上的温度分布，与炉内烟气速度相对应，均热段 相对应，加热段、均热段由于布置有多个烧咀，此 上部的温度很高，最高达1650℃：而在下部的流 两段CO2体积分数梯度较大，有多个局部高CO2 动死角区，温度较低.进入加热段，由于下部侧墙 及低CO2区，但由于此截面上没有布置燃烧器， 烧咀和端头烧嘴喷出的燃料的燃烧，加热段下部 在y方向前后离顶端平焰烧咀都有3m的距离， 温度升高，该段烟气温度高于其他部位.接近预 燃料已基本燃烬，只是燃烧产物尚未与周围气体 热段后，由于热源的减少，温度开始降低，从 混合均匀，故仍有较大的体积分数梯度.另外，离 1450℃降低到1350℃.而进入预热段后，烟气温 截面y方向前后1.2m出有两个端头烧咀，端头烧 度逐渐减小，在出口处，烟气温度最低，约880℃. 咀附近出现高C02区，局部体积分数最高达60%. 另外，由图5的温度分布可看出，由于加热段、均 图8所示为A-A截面上(=14.5m)的C02体 110 111 图5炉宽方向中心戴面上的温度分布（℃） Fig.5 Temperation distribution in the central XZ section (C)

匕 刘 向军 等 步进式 加 热炉 内流 动 与传热过 程 的数值模拟 图 炉宽方 向中心截面上 的速度 分布 加 卜 丫 … …〔…… 习 卜二碱卜 ‘ 二 创 图 带钢坯 的 水平 截面上 速 度分 布 叭 加 卜 司飞 ， 初 妞 图 所 示 为 一 截 面 上 沪 的速 度 分 热 段 布 置 有 多个烧 咀 ， 燃烧 反应 剧 烈 ， 此 两 段 温 布 此 截 面 处 于 加 热 段 靠近 均 热 段 处 ， 气 体 流速 度梯度 很 大 ， 有 多个 局 部 高温 、 低温 区 ， 进 入预热 较低 ， 钢 坯 附近速度 基 本 在 一 耐 左 右 ， 由于 顶 段 ， 没 有燃 烧 热源 ， 故此 段温度梯度 较 小 ， 没有局 部两 排平 焰烧 嘴和 端 头 个烧 嘴 ， 在 炉 膛 上 部和 部 高温 、 低温 区 ， 温度均匀地 从 高温 降到低温 ， 这 下 部对 称 出现 个 和 个速 度 较 高 区 ， 最 大 处速 一 计 算 结 果 是 合 理 ， 与 实 际情 况 相符 的 图 所 度 为 毗 ， 截 面上速度 基 本左 右对 称 分 布 ， 示 为 魂 截面 上 的温 度 分布 此 截 面 说 明所 得 结 果 是 合 理 的 处 于加 热 段 靠 近 均 热 段 处 ， 整 体温 度 较 高 ， 同时 温 度 分 布 由于左 侧 上 方 有平 焰烧 咀 ， 左 下端 有 个 端 头烧 二 三 王 生 牛 争 争 尹 争 犷 性 洲 爹 奢 州 护晚 ， ，于 ， 七 犷 生 行 己 习片 李 耸二幸 李 华 三 一 矛 乡 牙 】 ， … …… …… 刃 ‘ 手 于 一 … 东 ， 定 图 剖面速 度分布 、飞 一 图 所 示 为计 算所得沿 炉 宽方 向的 中心截面 上 的温 度 分布 与 炉 内烟气 速 度 相对 应 ， 均 热 段 上 部 的温 度 很 高 ， 最 高达 ℃ 而 在 下 部 的流 动 死 角 区 ， 温度 较低 进 入 加 热段 ， 由于下 部侧墙 烧 咀 和 端 头烧 嘴 喷 出的燃料 的燃烧 ， 加 热 段 下 部 温 度 升 高 ， 该 段 烟 气温度 高于其他 部位 接近 预 热 段 后 ， 由于 热 源 的减 少 ， 温 度 开 始 降低 ， 从 ℃ 降低 到 ℃ 而 进 入 预 热段 后 ， 烟 气 温 度 逐 渐减 小 ， 在 出 口 处 ， 烟气 温 度最低 ， 约 ℃ 另外 ， 由 图 的温 度 分 布 可 看 出 ， 由于加 热 段 、 均 咀 ， 这 些烧 咀 喷 出 的燃 料 到 气 截面 处 部 分 燃 烧 相应 地 ， 截 面上 部有 个 高温 区 ， 个 低温 区 ， 下 部对 称 出现 个 高温 区 ， 个低 温 区 ， 最 高处 局 部温度 达 ℃ ， 低 温 区 局 部 最低 仅 ℃ ， 整个 截 面 上温度 梯 度很 大 体 积 分数 干 烟 气 分 布 图 为计 算得 到 的沿 炉 宽方 向的 中心截面上 的 体 积 分 数 分 布 与 图 炉 内烟 气温度分 布 相 对应 ， 加 热 段 、 均热段 由于 布 置有多个烧 咀 ， 此 两 段 体 积 分数 梯 度 较 大 ， 有 多个 局 部 高 及 低 区 但 由于 此截 面 上 没 有布 置燃烧 器 ， 在 方 向前 后 离顶 端 平 焰烧 咀 都 有 的距 离 ， 燃 料 己基 本燃烬 ， 只 是燃烧产 物 尚未 与周 围气 体 混 合 均匀 ， 故仍 有较 大 的体积 分数梯度 另外 ， 离 截 面 方 向前 后 出有 两 个 端 头烧 咀 ， 端 头烧 咀 附近 出现 高 区 ， 局 部 体积 分数最 高达 ， 图 所 示 为 ， 截 面 上 。 的 体 图 炉 宽方 向 中心 截面 上 的温 度分 布 ℃ · 丫 ℃

290 北京科技大学学报 2005年第3期 积分数分布，与此截面温度分布相对应，由于此 截面左侧上方有平焰烧咀，左下端有4个端头烧 咀，这些烧咀喷出的燃料到A-A截面处部分燃 烧；相应地，截面上部有两个高CO2区，局部最高 达58%，下部对称出现四个CO,区，整个截面上分 布梯度很大.截面上的CO2的高、低体积分数区 图6A-A剖面温度分布（℃） Fig.6 Temperation distribution in the A-A section (C) 与温度的高温、低温区相对应. 32 32 32 图7炉宽方向中心戴面上的C0体积分数分布 Fig.7 Concentration distribution of CO,in the central XZ section 加热炉的优化设计、优化操作与控制提供了详实 0305 的依据. 参考文献 [】戎宗义，国内外步进梁式炉和热处理炉的现状与节能.工 业炉，1998,202分：8 图8A-A剖面C0,分布 [2)周力行.湍流两相流动与燃烧的数值模拟.北京：清华大 Fig.8 Concentration distribution of CO,in the A-A section 学出版社，1991 [3]范维澄，万跃鹏.流动及燃烧的模型与计算，北京：中国科 4结论 学技术大学出版杜，1992 [4]Boyd R K,Kent J H.Three-dimensional FURNACE domputer 本文以三段式平顶步进式加热炉为例，建立 modeling.In:The 2Ist Symp,(Int)on Combustion.Pittsburgh: The Combustion Institute,1986.265 了炉内流动与传热的数学模型，得到了炉内详细 [5】杜冰雁.步进式加热炉钢坯加热过程的数值模拟：【学位 合理的速度、温度、浓度分布，计算结果表明本文 论文].北京科技大学，2003 所用的模型与算法是正确的.所得结果为步进式 Numerical simulation of flow and heat transfer process in a reheating furnace LIU Xiangjun",DU Bingyan",PAN Xiaobing 1)Thermal Engineering Department,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China 2)Beijing Phoenix Furnace Co.,Ltd.,Beijing 102600,China ABSTRACT A comprehensive mathematical model for simulating the reacting flow and heat transfer process in a reheating furnace was developed.The model includes the k-e two-equation model for turbulenct flow,the six- flux model for radiative heat transfer and the EBU turbulent gaseous combustion model for gaseous reaction.The governing equations are solved by the SIMPLER algorithm.Detailed and reasonable results of the distributions of velocity,temperature and concentration were obtained KEY WORDS reheating furnace;flow;heat transfer;numerical simulation

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 · 一 、 、 尸一 尹 」言 勺 喊到 、 一叮〕 层玺经升鹦落二蠢夔汰了万、 卿 占别 时一 产洲咭蔺城翻甲肠钾于砰目用晰共肠 广二户气 又 一 一 夕 户一 纂淤毓蘸酱 · 圈 ‘ 剖面温度分 布 ℃ 娘‘ 件 曲州 咖 恤 比 打汕 ℃ 积 分 数分 布 与此 截面 温度 分 布相 对 应 ， 由于 此 截 面左侧 上 方 有平 焰烧 咀 ， 左 下端 有 个端 头烧 咀 ， 这 些烧 咀 喷 出 的燃料 到 气 截面 处 部 分燃 烧 相应地 ， 截面上 部有 两个高 区 ， 局 部最 高 达 ， 下 部对 称 出现 四个 区 ， 整个截面上分 布梯度很 大 截 面 上 的 的高 、 低 体积 分 数 区 与温 度 的高温 、 低温 区 相 对 应 圈 ， 炉宽方 向 中心 截面上的 体积分数分布 乡 扮 七。 山 吐 认 恤 比 伙 扮 丫 肴家忿… 圈 ， 剖面 认 分 布 扮 州 认 比 ， 结论 本 文 以三 段 式平 顶 步进 式加 热 炉为例 ， 建立 了炉 内流 动 与传 热 的数学模型 ， 得 到 了炉 内详 细 合 理 的速度 、 温度 、 浓 度分布 ， 计 算结果表 明本文 所 用 的模 型 与算 法 是 正 确 的 所 得 结果 为步 进 式 加 热炉 的优化 设计 、 优化操作 与控制提供 了详 实 的依据 参 考 文 献 【 戎宗义 国 内外步进 梁式炉和 热处理 炉 的现状 与节 能 工 业 炉 ， ， 周力行 湍流两 相 流动与燃烧 的数值模拟 北京 清华大 学 出版社 ， 范维橙 ， 万跃 鹏 流动及 姗烧 的模型与计算 北 京 中国科 学技术大学 出版社 ， 叮 ， 几 一 吹 吨 ， 吵 ， 杜冰 雁 步进式加热炉钢坯 加热 过程 的数值模拟 【学位 论文 北京科技大 学 ， 口口 洒力 “ ， 功 ，气卢月万刃翻。 扩 ， 七 咖 山七力 呱 阳 留 ， ， 切的 ‘ ， ， ， 五 而 】滋访 一￡ 仁万。 一 娜 】 ， 议 碱 奴叮 。 。 邝 妙 州 ， 切 加