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卡鲁金热风炉流场及混合特性的实验研究和数值模拟

杨成  
【摘要】: 热风炉是高炉炼铁生产过程中的重要辅助设备,其性能的优劣直接影响到自身和高炉的正常运行、利用效率以及使用寿命。近年来,由于新型结构的顶燃式热风炉具有燃烧强度大、火焰距离短、结构相对简单等优点,得到了长足的发展和广泛的应用。其中,以带预燃室的卡鲁金顶燃式热风炉最有优势、发展最快。但它进入我国的时间较晚,对其理论研究尚少,其流场和混合特性也缺乏系统的研究,就其结构特点和技术优势上有许多值得学习和借鉴的地方。 本文在相似理论的指导下,针对2000m3高炉用热风炉建立了与原型相似比为1:10的卡鲁金顶燃式热风炉实验模型。在冷态实验的基础上,对卡鲁金热风炉模型的流场及混合特性进行了研究,重点测试了燃烧器喷口气流的均匀性、预燃室空、煤气的混合特性以及喉口至燃烧室出口之间气流速度和浓度分布的均匀性,考察了蓄热室格子砖的阻力特性对流场分布的影响,同时测定并计算了燃烧器的阻力损失系数。结果表明,卡鲁金热风炉喷口气流的均匀性较好,空气喷口和煤气喷口气流的均匀度分别达到了92.67%和89.18%,燃烧室中心有较大的回流流场产生,出口断面上的速度分布均匀、对称,以及由良好的混合而产生的浓度分布较为均匀。 在实验研究的同时,本文使用商用软件Fluent建立了与冷态模型相对应的三维热风炉模型,选择适合模拟顶燃式热风炉内气体流动的控制方程与标准的κ?ε湍流模型,按冷态实验100%工况给定速度入口的边界条件下,对卡鲁金热风炉的流场及混合特性进行了冷态模拟。根据模拟结果,对炉内气流的速度分布、浓度分布和压力分布以及速度、浓度和压力沿轴向的变化情况进行了分析。从实验结果和数值模拟结果对比来看,二者所得结论能够较好的吻合,从而相互验证了热风炉内流场结构和空、煤气混合特性的真实性和可靠性,深化并丰富了对卡鲁金热风炉流场及混合特性的认识。


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