湘潭大学本科毕业论文
第四章 热风炉模拟结果及分析
通过对热风炉的数值模拟可以得到热风炉任意剖面的速度场、浓度场、温度场，能清晰地观察热风炉内燃烧空气和天然气的流动状态和燃烧状况。
4.1 温度场
模拟计算得到热风炉水平截面的温度场如图4-1所示:
图4-1 旋流热风炉水平截面温度场
从图4-1可知，燃气从燃烧器出来后，用点火器点燃，燃烧火焰在水平截面图上呈现为Y形，表明燃气在进行旋流燃烧，形成了旋流火焰。旋流火焰的长度不是很长，这是因为旋转气流增加了紊流脉动，使混合过程得到强化。此外，火焰的温度达到了1780?C，能与实际情况较好的相符合。
图4-2是没有使用旋流器热风炉的水平截面温度场，从图中我们可以看出，在没有旋流的作用下，热风炉的火焰长很多，这是因为普通热风炉没有旋流器来增加气流的紊流脉动，使混合过程得不到强化，因此火焰变长。此外，没有旋流的热风炉的火焰中心在炉膛中，远离了燃烧器，容易产生脱火的危险。而加了旋流器的热风炉的火焰中心在燃烧器出口处，可以看出，旋流器能够稳定燃烧。通过比较普通热风炉和本文所设计的旋流热风炉，可以得出加了旋流器的热风炉炉膛还可以设计得短一点，这样不仅火焰得到了稳定和强化，而且还可以节约材料，减少炉子的占地面积。
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图4-2 无旋流热风炉水平截面温度场
再来看看图4-1热风炉的混合区，温度有明显的分层现象，从中心往两边依次降低，中心温度最高，达到了300?C，壁面温度最低，为100?C。这表明烟气和空气并没有完全混合。为了更好的研究出口烟气的温度情况，我们来观察混合区出口处温度的云图4-3和曲线图4-4。
图4-3和4-4清楚的表示了出口烟气温度的分层现象，云图中心温度最高，并依次向外递减。温度的曲线图也呈现出抛物线的形式。
图4-3 混合区出口处烟气温度云图
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图4-4 水平截面混合区出口处温度变化曲线图
造成烟气和空气混合不均匀的原因是混合区的长度不够长，混合的气流速度也不大，进入混合区时，冲量不够大，在与烟气相遇时没有造成很大的扰动。因此，在设计时，可以加长热风炉的混合区长度，延长空气与烟气混合的时间。并且在炉膛的出口处安装蜂窝陶瓷。蜂窝陶瓷不仅可以为热风炉炉内的烟气设置一道屏障，防止炉内的压强过低，而且将出口的烟气分成了多股细流，能加强烟气和混合空气的混合。
通过FLUENT软件，我们可以计算出在混合区出口烟气的加权平均温度为199?C，温度范围符合设计的目标在150?C-250?C之间。所设计的热风炉符合要求。
下面我们再来看看沿Z轴方向炉膛内壁的温度情况。
图4-5 炉膛壁面温度云图
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图4-6 沿Z轴方向炉膛壁面温度变化散点图
图4-5的炉膛温度云图显示出了温度在水平方向呈递减趋势，在远离火焰区的炉膛壁面温度最低的只有500?C。在火焰燃烧区，炉膛的壁面温度达到了877?C。与设计计算时估计的炉膛内壁温度1000?C相比，相对误差为123?C，绝对误差为12.3%。
图4-7 热风炉外壁面温度云图
图4-7为热风炉外壁面温度云图，从图中我们可以看出，外壁面的温度为15?C，满足壁面温度不超过70?C[13]
的要求。
4.2 速度场
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图4-8 旋流热风炉水平截面速度场
通过观察图4-8，我们可知，速度最大处为燃气和燃烧空气入口处，在20m/s-30m/s之间，满足速度区间15m/s-30m/s。混合空气圆环处的速度为4.81m/s，与设计时选取的速度5m/s符合得很好。但混合空气圆环处也有少数速度为3.22m/s，这是因为壁面是粗糙的，空气流动时会遇到阻力，近壁区的速度会减小。且在燃烧室内，边缘速度大于中心速度。在燃烧器出口处出现了回流区。
图4-9 无旋流热风炉水平截面速度场
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