本站小編為你精心準備了大功率雙P型輻射管實驗及仿真探析參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要:通過實驗和仿真研究大功率雙P型輻射管的溫度分布，設計的輻射管功率為200kW，在3.2m×1.2m×2.3m的全纖維內襯實驗爐上進行測試，采用k－ε湍流模型、非預混燃燒模型、DO輻射模型進行仿真，對比實驗值和仿真值。當爐溫為900和1000℃時，各測點管壁溫度的仿真值和實驗值相比，誤差小于5%;空氣預熱溫度為20、400、600℃時，管壁溫度和最大溫差逐漸增加;在燒嘴額定功率的100%、50%、30%、20%時，隨著功率的降低，各測點管壁溫度逐漸降低，最大溫差逐漸減小;隨著熱值的增加，管壁高溫區的溫度越高，管壁最大溫差逐漸增加。

關鍵詞:雙P型輻射管;燒嘴;溫度均勻性

燃氣輻射管被廣泛應用于各種熱處理爐，是熱處理工藝的關鍵設備之一，目前常用的有一字型、U型和W型輻射管。AhanjMD等［1］使用CFD方法研究U型輻射管內的燃燒和傳熱過程，TsioumanisN等［2－3］研究套管型輻射管的流動燃燒過程，伍成波等［4－5］通過實驗和仿真研究了U型輻射管的溫度分布，程淑明等［6］通過實驗研究降低蓄熱式U型輻射管NOx排放的措施。雙P型輻射管是近幾年的研究熱點，陳艷梅等［7］通過數值模擬計算雙P型輻射管的煙氣循環倍率特性，馮俊小等［8］通過CFD研究了雙a型燃氣輻射管的傳熱和溫度分布特性。大功率雙P型燃氣輻射管可提高熱處理的爐溫均勻性、降低設備的投資運行成本，具有廣闊的市場前景。文章以大功率雙P型燃氣輻射管為研究對象，通過實驗和仿真研究其溫度分布特性，為雙P型輻射管的工業化設計及應用提供依據。

1研究內容

文章研究的雙P型輻射管如圖1所示，包含自身預熱式高速燒嘴和雙P型輻射管，燒嘴設計的額定功率為200kW。輻射管實驗爐尺寸為3.2m×1.2m×2.3m，全纖維內襯，管壁上設有17個K型熱電偶溫度測點，熱電偶分布如圖1所示，實驗系統如圖2所示。通過實驗和仿真研究雙P型輻射管的溫度均勻性，用實驗校核仿真模型，再通過仿真計算不同結構和工況下的管壁溫度分布特性。

2計算模型及邊界條件

采用ANSYSFLUENT對雙P型輻射管內的流動、燃燒和傳熱過程進行仿真。采用k－ε湍流模型，k為湍動能，ε為湍動耗散能，控制方程如下:式中:珝U為流體的速度矢量;ρ為流體的密度，kg/m3;η和ηt為流體黏性系數和湍流黏性系數，Pa•s;c1，c2，σk，σε為常數;Gk為剪切產生項，Gk的速度分量，m/s。燃燒模型采用非預混燃燒模型，平均混合分數珋f和平均混合分數均方值f'2的守恒方程如下:式中:f'=f－珋f;σt、Cg和Cd為常數;Sm為源項;Suser為用戶定義源項，文中取0。輻射采用離散坐標模型，控制方程如下:式中:I為輻射強度;珒r為輻射位置;珒s為傳播方向;Ω為空間角;α為熱擴散系數，m2/s;η和ηt為流體黏性系數和湍流黏性系數，Pa•s;c1，c2為常數。仿真計算時，煤氣、空氣為速度入口邊界，排煙為壓力出口邊界，管壁材質為耐熱鋼，假設輻射管外部為恒溫，管壁黑度為0.8，氣體粘度和熱導率隨溫度變化，煙氣輻射系數采用wsggm－domain－based計算，各變量進行二階差分，采用SIMPLEC穩態求解。

3實驗與仿真結果的對比

雙P型輻射管實驗的燃料為混合煤氣，熱值為7300kJ/m3，爐溫分別為700、800、900和1000℃，燒嘴處于額定能力下的實驗、仿真數據對比如圖3。不同爐溫下，仿真和實驗的溫度分布趨勢一致，各測點溫度的仿真值均略高于實驗值，輻射管管壁最高溫度分布在中心管測點5～7的區域內，且該區域內的管壁溫度基本相等，管壁最低溫度位于煙氣出口處，700～1000℃四種爐溫下，實驗管壁最大溫差分別為66、62、53和48℃，仿真管壁最大溫差分別為44、41、32和31℃。700、800、900和1000℃四個爐溫下，各測點仿真和實驗的誤差分布如圖4，平均誤差分別為6.9%、3.5%、2.6%和2.2%，隨著爐溫的升高，各測點誤差降低。當爐溫較低時，實驗爐內的各點爐溫不均勻，導致了實驗和仿真值誤差偏大，當爐溫為900和1000℃時，各測點的仿真值和實驗值誤差均小于5%，驗證了仿真模型在爐溫大于900℃時的準確性，可通過仿真來預測雙P型輻射管的管壁溫度分布。

4不同結構和工況的仿真分析

4.1不同空氣預熱溫度雙P型輻射管在不同空氣預熱溫度下的管壁溫度分布如圖5所示。當空氣溫度為20、400、600℃時，管壁溫度分布趨勢一致，隨著空氣預熱溫度的增加，各測點的管壁溫度逐漸增加，溫度最高點都位于測點6的位置，管壁最大溫差分別為26、28、38℃，管壁最大溫差也逐漸增大。

4.2不同燒嘴負荷當煤氣熱值為7300kJ/m3，爐溫為900℃時，雙P型輻射管在不同負荷下的管壁溫度分布仿真結果如圖6所示，在額定負荷的100%、50%、30%和20%，管壁溫度分布趨勢一致。隨著燒嘴負荷降低，各測點的溫度也逐漸降低，管壁最高溫度點都位于中心管測點5～7的位置，最低溫度點位于邊管煙氣出口處，管壁最大溫差分別為32、25、24和21℃，最大溫差隨著燒嘴負荷的降低逐漸減小，表明雙P型輻射管在不同負荷下均具有較好的溫度均勻性，可滿足熱處理工藝不同供熱負荷的需求。

4.3不同熱值煤氣通過仿真計算，研究不同煤氣熱值下雙P型輻射管的管壁溫度分布。選取的煤氣熱值為混合煤氣7300kJ/m3、焦爐煤氣16700kJ/m3、天然氣34000kJ/m3，爐溫為900℃，計算結果如圖7所示。三種煤氣的管壁最大溫差分別為32、37和42℃，熱值越大，管壁高溫區的溫度越高，管壁最大溫差也越大。

5結論

(1)通過對比雙P型輻射管的仿真和實驗結果，輻射管管壁測點溫度分布趨勢一致，當爐溫為900和1000℃時，管壁溫度的仿真值和實驗值相比，誤差小于5%，驗證了仿真模型的準確性。(2)通過仿真計算空氣預熱溫度對管壁溫度分布的影響，空氣預熱溫度為20、400和600℃時，各測點管壁溫度和管壁最大溫差隨空氣溫度的增加而增加。(3)通過仿真計算燒嘴負荷對管壁溫度分布的影響，設為額定負荷的100%、50%、30%、20%，隨著燒嘴負荷率的降低，各管壁溫度逐漸降低，最大溫差逐漸減小，表明雙P型輻射管能滿足不同供熱功率的需求。(4)通過仿真計算煤氣熱值對管壁溫度分布的影響，熱值越大，管壁高溫區的溫度越高，管壁最大溫差也越大。 

參考文獻

［4］伍成波，許鵬彥，楊進.U型輻射管的表面溫度分布實驗研究［J］．過程工程學報，2008，8(z1):189－192.

［5］鄭劍輝，伍成波，徐少春等.U型輻射管加熱裝置的性能分析［J］．工業爐，2009，31(2):15－18.

［6］程淑明，雍海泉，伍成波.降低天然氣蓄熱式輻射管煙氣中NOx的實驗［J］．重慶大學學報(自然科學版)，2008，31(3):71－75.

［7］陳艷梅，馮俊小，劉興杰等.基于CFD數值模擬的雙P型輻射管煙氣循環倍率分析［J］．金屬熱處理，2016，41(3):184－188.

［8］馮俊小，曹亞平，滿毅等.基于CFD雙a型燃氣輻射管燃燒的傳熱特性［J］．冶金能源，2014，33(1):14－19.

作者：王宏宇 程奇伯 張道明 雍海泉 馮霄紅 單位：重慶賽迪熱工環保工程技術有限公司