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得F空?16666.667mm2。
混合空气的通道为圆环形，求出热风炉总截面积，使用面积公式便可得出混合空气壁的结构尺寸。总截面计算公式为：
F总??R12?F空 （2-24） 式中：?R12为炉膛和隔热层的总截面积，mm3 得F总=111733.31mm2，则炉膛混合空气壁半径R2?空气壁半径取整得R2?190mm。
将炉膛混合F总/?=188.63mm，
2.4 热风炉的阻力损失
2.4.1 风机的选型 （1）鼓风机的选型
燃烧空气的风量为43.7m3/h，估计风机需提供的压强为900Pa左右，因此选择风机的型号为Tx-220-50，它的最大风量为178.8m3/h，最大静压为917.79Pa。 （2）引风机的选型
最终获得烟气的流量为347m3/h，风机需提供的压强为150Pa，因此选择风机的型号为HL-125-44，它的最大风量为534.5m3/h，最大静压为520Pa。 2.4.2 阻力损失的计算
气体是一种粘性流体，它在管内流动时，与管壁间必定存在切向应力，形成阻力。要克服阻力，维持黏性流体的流动，就要消耗机械能，消耗掉的这部分机械能将不可逆地转化成热能。为了选出合适的鼓风机来提供流体流动所需的机械能，我们就要计算出热风炉的能量损失。管内流动的能量损失分为两类，一是沿程能量损失，一是局部能量损失。
（1） 沿程阻力损失
简称沿程损失，是发生在缓变流整个流程中的能量损失，是由流体的黏滞 力造成的损失。这种损失的大小与流体的流动状态，即是层流还是紊流有着密切的联系。我们使用达西-魏斯巴赫公式来计算： hf??lw鼓d2g2 （2-24）
式中： ?为沿程损失系数，查莫迪图得?=0.048； l为管道长度为0.6m；
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d为管道内径，m；
2 w鼓/2g为单位重量流体的速度水头，m。
由式2-26可以得到弯管中的流速 w鼓=B鼓3600?r管2 （2-25）
式中：B鼓为鼓风机的流量178.8m3/h，。 得w鼓=6.33m/s。 则hf?1.44m。 （2） 局部阻力损失
简称局部损失，是发生在流动状态急剧变化的急变流中的能量损失，是在管件附近的局部范围内主要由流体微团的碰撞、流体中产生的漩涡等造成的损失。几种常用管件的局部损失有管道截面突然扩大、管道截面突然缩小、弯管三种。此外，在阀门、分支管道处也会产生局部能量损失。局部阻力损失用下式表示： hf??w鼓2g2 （2-26）
式中：?为局部损失系数，是一个无量纲系数，由试验确定。 下面我们对热风炉的各种局部阻力损失一一进行计算。 A. 弯管
流体在弯管中流动的损失由三部分组成，一部分是由切向应力产生的沿程损失，特别是在流动方向改变、流速变化中产生的这种损失；另一部分是形成漩涡所产生的损失；第三部分是由二次流形成的双螺旋流动所产生的损失。
所设计的热风炉有一处弯管。 设计D??为57?3的弯管，此时径为100mm。
查资料[15]得
dR?0.5时，?0.5?0.145 ，其中?0.5为d/R?0.5dR?0.5，式中
d为弯管的内径，R为弯管的弯曲半
时的局部损失系数。
则弯管处的局部损失hj??0.51w鼓2g2?0.3m
B. 阀门
安装阀门后，也会产生局部损失，通过调节阀门的开度可以调节气体流量的大小，但同时也产生了阻力。
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选择蝶阀，取阀门的开度为0.3，此时?0.3?26，其中?0.5为阀门开度为0.3时的局部损失系数。
则弯管处的局部损失hj??0.32w鼓2g2?53m
C. 截面突扩
当气体从小的截面积进入大的截面积时，由于气体有惯性，它不可能突然扩大，而是离开小截面积后逐渐扩大，因此，在截面的拐角处会形成漩涡，要消耗能量，产生了能量损失。在所设计的热风炉中，有两处截面突扩之处。
1）燃烧的空气从管道进入旋流器前的圆筒时，截面突扩，产生了局部损失。 管道截面A1和进入圆筒时的截面A2之比
w鼓2g2A1A2?1，则 ?1?0
?截面突扩局部损失hj3??1?0m
2）燃烧的空气从旋流器进入炉膛内燃烧时，截面突扩，产生了局部损失。 旋流器截面A3和炉膛截面A4之比
W2A3A4?0.2，则?0.2?0.64
?截面突扩局部损失hj4??0.22g?13m
D. 截面突缩
当气体从大的截面积流向小的截面积时，气体的流束必定收缩。当流体进入小截面积后，由于流体有惯性，流体将继续收缩直至最小截面积，然后逐渐扩大，直至充满整个小截面积，在这一过程中，缩小的流束附近会产生小漩涡，导致了能量的损失。
燃烧空气进入旋流器时，截面突缩，产生了局部损失。旋流器空气入口截面A3和短节截面A5之比
A3A5?0.1。
查资料[15]得
A3A5?0.1时， ?0.1?0.469
则截面突缩局部损失hj??0.15W222g?9.57m
E. 总能量损失
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总的能力损失h为沿程阻力损失和局部损失之和。
h=hf?hj+hj+hj+hj+hj=77.31m （2-30）
12345则鼓风机需要提供的压力为P??gh?1.205?9.8?77.31?913Pa 因此，所选的风机能够提供所需的风量和要求，符合热风炉的要求。
2.5 小结
通过设计计算，本文将热风炉的基本尺寸，以及它的阻力损失列于表2-2。
表2-2 热风炉的基本参数 基本参数 甲烷量 燃烧空气量 混合空气量 3.06m343.7m3300m3/h/h/h设计尺寸 炉膛直径 隔热层直径 混合空气直径 烧嘴设计尺寸 0.2m 0.37m 0.4m 旋流器旋孔截面积 燃烧管甲烷出口截面积 10?6.1mm?10mm6?2.25mm2 所设计的热风炉工作的过程为：助燃空气经过旋流器旋转进入燃烧室，与甲烷垂直相遇，点火燃烧。这种旋流燃烧是一种强化燃烧和组织火焰的一个有效措施，它在提高火焰稳定性和燃烧强度方面起了很重要的作用。燃料在燃烧室充分燃烧后，产生的高温烟气与一定量的空气混合，获得所需温度的气体。
其结构简图如图2-1所示：
图2-1 热风炉结构简图
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第三章 热风炉的数值模拟
数值模拟是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。通过对本文所设计的热风炉进行数值模拟，可以得到热风炉的各个部分的基本物理量的分布，以及这些物理量随时间的变化情况。
3.1 物理模型
3.1.1 整体计算网格划分
热风炉的工作过程为：燃烧空气经过旋流器，进入炉膛，形成旋转气流。甲烷从燃气管道的管壁圆孔出来，与燃烧空气垂直相遇，加强了空气和甲烷的混合，有利于燃烧。混合冷却空气从最外层圆环进入，在混合区与高温烟气相遇混合，得到所需温度的烟气。
在进行数值模拟前，我们首先要建立好热风炉的几何模型。然后将计算区域离散化，即对空间上连续的计算区域进行划分，把它划分成许多个子区域，并确定每个区域中的节点，从而生成网格。离散化的目的为通过数值的方法把计算区域内优先数量位置（即网格节点）上的因变量当作基本未知量来处理，从而建立一组关于这些未知量的代数方程，然后通过求解代数方程组来得到这些节点值，而计算区域内其他位置上的值则根据节点位置上的值来确定。网格是离散的基础，网格节点是离散化的物理量的存储位置。我们使用有限体积法来使计算区域离散化，使每个网格点周围有一个互不重复的控制体积，将待解的微分方程对每一个控制体积积分，从而得出一组离散方程。
有限体积法的核心体现在区域离散方式上。区域离散化的实质就是用有限个离散点来代替原来的连续空间。区域离散化过程结束后，可以得到以下四种几何要素：
（1） 节点：需要求解的未知物理量的几何位置
（2） 控制体积：应用控制方程或守恒定律的最小几何单位 （3） 界面：它规定了与各节点相对应的控制体积的分界面位置 （4） 网格线：联结相邻两节点而形成的曲线簇。
进行数值模拟时，网格质量的高低和网格数量的多少直接影响到数值模拟计算的精度和速度：网格质量高，计算精度越高，计算时间以及对计算机的要求也相应增加；网格数量小，迭代计算达到收敛所需时间越短，但计算结果的精度往往得不到保证。因此网格对计算区域建模是数值模拟中十分重要的工作。
在三维数值模拟中，网格有四面体，六面体，五面体网格单元，其中五面体网格单元还可分为棱锥形和金字塔型单元。生成网格的过程分为三步：
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