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高热旋流燃烧器的实验研究及数值模拟

作　者: 饶映明
导　师: 罗贤成
学　校: 重庆大学
专　业: 供热、供燃气、通风及空调工程
关键词: 高热旋流燃烧器数值模拟回流区热态实验燃烧产物浓度
分类号: TK16
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

燃烧器是工业炉等炉窑的关键性设备，高热旋流燃烧器是一种新型、高效的燃气燃烧器，它具有很高的燃烧火焰温度，很短的火焰长度，很均匀的炉内温度，很稳定的点火源，尾气中很低的NO_x浓度。当前，一次能源结构的变化、“煤改气”政策的扩大和环境污染的严重都促使着新的优质、高效、清洁能源的开发和利用，由此，开发高效节能低污染燃气燃烧器有非常重要的意义。旋流燃烧能够有效强化高温燃烧产物和未燃烧燃料在回流区的混合过程，并形成稳定的点火源，从而使火焰稳定，其燃烧火焰温度可高达1200-1800℃。旋流燃烧也是降低NO_x排放的有效手段之一,能满足一些工件特殊加热工艺的需要。它具有燃烧室结构紧凑，可以控制火焰的形状，改变火焰的扩张角和射程。燃烧火焰稳定性好，节能、高效、低污染，燃烧器负荷调节比大，火焰动量可调节等明显优势，可以广泛地应用于现代工业轧钢、轧制炉，锻造炉，热处理加热工艺炉和窑业加热炉等加热设备和加工工艺中。本文首先分析旋流燃烧技术发展状况，阐述了旋流燃烧的基本理论及应用前景，其次结合相关知识设计了一个实验用工业燃气燃烧器。最后对加工试制的高热旋流盘焰燃烧器样机进行了5种不同工况下的热态燃烧实验，主要研究不同热负荷和过剩空气系数α对燃烧特性、回流区、温度均匀性以及NO_x浓度的影响。其结果表明：1)该高热旋流燃烧器在不同热负荷的各工况下均能稳定地燃烧，燃烧器负荷调节比较大；2)随着热负荷的增加，相对应的燃烧火焰测点温度都上升；在热负荷一定时，过剩空气系数偏大，燃烧火焰体积小，火焰短，相反过剩空气系数小，火焰体积大，燃烧空间更大、更长，故可以调整控制热负荷和过剩空气系数来控制火焰温度和火焰长度，满足不同工艺的需要；3)在热负荷一定时，烟气中的NO和NO_x的浓度都是过剩空气系数α偏大的工况下就小，偏小的工况下就大，与总体上燃烧火焰温度的变化曲线相似；烟气中的O₂的浓度变化则是过剩空气系数α偏大的工况下大，偏小的工况下小。在实验的基础上，利用数值模拟软件FLUENT，采用雷诺平均法中的标准k-双方程模型结合简化的PDF燃烧模型对选定的工况下的非预混燃烧进行了数值模拟。通过模拟计算流场、温度场和NO_x浓度场，并与热态实验做比较，发现实验结果和模拟结果的大体趋势是一致的，说明数值模拟在对旋流燃烧具有一定的指导作用，这对后面继续研究旋流燃烧有很重要的意义。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-9
1 绪论  9-17
  1.1 课题研究背景及意义  9-10
  1.2 旋流燃烧器的研究现状  10-15
    1.2.1 国外旋流燃烧器研究现状  11-12
    1.2.2 国内旋流燃烧器研究现状  12-15
  1.3 课题主要研究内容与方法  15-17
    1.3.1 课题主要研究内容  15-16
    1.3.2 课题研究方法  16-17
2 旋流燃烧基本理论及其应用前景分析  17-29
  2.1 旋转射流  17-21
    2.1.1 引言  17-18
    2.1.2 旋流数  18-21
  2.2 相交气流  21-22
  2.3 旋流燃烧  22-24
    2.3.1 旋流强化燃烧  22-23
    2.3.2 燃烧对旋流的影响  23-24
  2.4 低 NO_x 燃烧技术  24-27
    2.4.1 概述低 NO_x 燃烧技术  24
    2.4.2 NO_x 的生成机理及控制方法  24-26
    2.4.3 低 NO_x 燃烧技术措施  26-27
  2.5 旋流盘焰燃烧器的应用前景  27-28
    2.5.1 轧钢加热炉上的应用  27
    2.5.2 锻造炉上的应用  27-28
    2.5.3 热处理炉上的应用  28
  2.6 本章小结  28-29
3 实验用旋流燃烧器的设计  29-37
  3.1 燃气的燃烧计算原理  29-31
    3.1.1 燃气高低热值的计算  29
    3.1.2 燃气燃烧所需理论空气量的计算  29
    3.1.3 完全燃烧烟气量的计算  29-30
    3.1.4 燃气的理论燃烧温度的计算  30-31
  3.2 旋流盘焰燃烧器的参数计算  31-34
    3.2.1 空气系统的设计计算（应用蜗壳式旋流器）  31-32
    3.2.2 燃气系统的设计计算  32-34
    3.2.3 盘型火道结构尺寸设计  34
  3.3 自制燃烧器结构尺寸示意图  34-36
  3.4 本章小结  36-37
4 旋流盘焰燃烧器热工性能实验设计及研究  37-65
  4.1 实验测试装置设计与组成  37-38
  4.2 实验仪器与设备  38
  4.3 实验测试内容  38-41
  4.4 实验工况及实验方法  41-44
    4.4.1 实验工况数据  41-43
    4.4.2 实验方法与步骤  43-44
  4.5 实验测试结果及分析  44-62
    4.5.1 燃气燃烧火焰特性分析  44-49
    4.5.2 燃气燃烧火焰温度分析  49-60
    4.5.3 各参数对燃气燃烧产物成分的影响  60-62
  4.6 不同火道的旋流火焰形态  62-63
  4.7 本章小结  63-65
5 旋流盘焰燃烧器燃烧状况的数值模拟  65-83
  5.1 Fluent 软件简介  65-66
  5.2 燃烧过程的数值模拟分析基本理论  66-69
    5.2.1 基本控制方程  66-67
    5.2.2 数学模型的选取  67-69
  5.3 数值计算模型的建立  69-71
    5.3.1 网格的划分  70
    5.3.2 边界条件的确定  70-71
  5.4 求解方法  71
  5.5 数值模拟结果  71-79
    5.5.1 旋流盘焰燃烧器流场模拟结果及分析  71-74
    5.5.2 旋流盘焰燃烧器温度场模拟结果及分析  74-77
    5.5.3 NO_x浓度结果分析  77-79
  5.6 数值模拟结果与实验结果的比较分析  79-82
  5.7 本章小结  82-83
6 结论与展望  83-87
  6.1 本文主要结论  83-84
  6.2 展望  84-87
致谢  87-89
参考文献  89-93
附录  93-101
  附录 A. 作者在攻读硕士学位论文期间发表的论文  93-94
  附录 B. 实验数据  94-99
  附录 C. 实验装置  99-101

高热旋流燃烧器的实验研究及数值模拟

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