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1、第28卷第4期北京科技大学学报Vol.28No.42006年4月JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijingApr.2006考贝式热风炉拱顶空间烟气分布的数值模拟胡日君 程素森北京科技大学冶金与生态工程学院,北京100083摘 要 应用大型商用计算流体力学软件CFX413,选用k-ε湍流模型和SIMPLE算法对新钢31200m高炉考贝式热风炉拱顶空间内烟气分布进行了数值模拟计算.模拟结果表明:悬链线形拱顶比半球形拱顶的烟气分布均匀;在一定范围内,随着悬链线形拱顶高度的增加,在蓄热室横截面上的烟气分布趋于一定程度的均匀.关键词 考
2、贝式热风炉;烟气分布;数值模拟;k-ε双方程;SIMPLE算法分类号 TF77711高炉冶炼热风设备考贝式热风炉目前在生产(2)动量守恒方程中存在的主要问题是由燃烧室出来的高温烟气在5(ρuiuj)5P55ui5uj=-+μeff+(2)蓄热室格子砖中分布不均匀,使格子砖热交换表5xj5xi5xj5xj5xi[12]式中,ρ为流体密度,kg·m-3;u面积没有充分利用.大量的研究工作表明,通i,uj为i和j方向-1过模型实验的方法可以研究几种典型的热风炉气的平均速度,i,j=1,2,3,m·s;μeff为有效粘度-1流分布状况,但是其精度和使用范围难以令人满系数,Pa·s;P为压
3、力,Pa.意.模型实验采用的实验仪器精度对实验结果的(3)湍动能方程精度有很大影响,并且模型实验存在着投资大、周5μeff5kρujk-=Gk-ρε(3)期长、优化设计困难等问题.随着计算机的发展5xjσk5xj和数值计算技术的不断成熟,利用计算机对实际(4)湍动能耗散方程过程进行数值模拟的“数值实验”迅速发展起来.μ(CεG-C2)5eff5ε1k2ρερuεj-=(4)相对而言,数值模拟的方法灵活度大,投资小,更5xjσε5xjk2-1加易于实现.如果在热风炉系统设计过程中,能其中,k为湍流动能,m·s;ε为湍流动能耗散2-1够运用数值模拟方法对热风炉系统的气流分布进率,m·
4、s;σk,σε为k,ε方程中的常数;C1,C2行科学的模拟,预测其气流分布情况,将会对设计为耗散方程中的常数;Gk为湍流动能制造项,kg·和生产有重要的指导意义.本文针对新钢1200-1-15ui5ui5ujm·s;Gk=μt+;μeff=μ1+μt;m3高炉考贝式热风炉拱顶的烟气分布进行了数5xj5xj5xi2值模拟.μ-1;μ=ρCk;μ为层t为湍流粘度系数,Pa·stμε1-11 数学模型的建立流粘度系数,Pa·s;Cμ为k,ε方程中的常数.方程中的常数值采用Launder和Spalding的采用湍流模型,包括流体流动的连续性方程、[3]推荐值:C1=1143,C2=119
5、3,Cμ=0109,σk=[3]动量方程、湍动能方程k和湍动能耗散方程ε.110,σε=113.以上建立了拱顶内烟气流动的数对于三维稳态粘性不可压缩流动,其微分方学模型,其通用形式为:程有:div(ρuΦ-ΓΦgradΦ)=SΦ(5)(1)连续性方程式中,Φ表示因变量,SΦ和ΓΦ分别表示对应于Φ5ρuj=0(1)的源项和交换项,方程是由对流项、扩散项和源项5xj[4]组成,对流项采用上风方式处理.收稿日期:20050118修回日期:20050526基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.60471095)2 模拟对象及边界条件作者简介:胡日君(1978—),男,硕士研究生;程素
6、森(1964—),模拟对象为考贝式热风炉拱顶空间内的烟男,教授,博士©1994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.netVol.28No.4胡日君等:考贝式热风炉拱顶空间烟气分布的数值模拟·339·气.图1是考贝式热风炉示意图,图2是经过简化处理的悬链线拱顶模型示意图,其中XOY平面在拱顶底面上,Z轴为高度方向.考贝式热风炉基本参数见表1.计算的边界条件如下.(1)高温烟气为粘性流体,这里给定烟气温度为1450℃.根据边界层无滑移条件,在壁面上u,
7、v,w(即u1,u2,u3)均为零,湍动能和湍动能[45]耗散也为零.具体为:u=0,v=0,w=0,k=0,ε=0.(2)对壁面附近粘性底层中的流体,采用壁[6]面函数法计算.(3)设进入拱顶的烟气速度为已知值(3m·图1 考贝式热风炉示意图-1s),同时假定烟气在入口断面上的速度均匀分Fig.1Internalcombustionhotstove布[6].入口的k,ε由下式粗略估计:图2 考贝式热风炉拱顶Fig.2Domeoftheinternalcombustionhots
