串　加热设备　工业加热　第３９卷２０１０年第３期　

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—１６３９．２０１０．０３．０１２　钢管再加热炉炉内温度场和流场分布数值模拟　

吴成涛　（北京神雾热能技术有限公司，北京１０２２００）　摘要：以某公司钢管再加热炉为研究对象，运用Ｆｌｕｅｎｔ数值仿真软件对钢管再加热炉内温度场和流场进行了数　值模拟，获得该加热炉的温度场和流场的分布图。计算结果为优化炉型结构提供了参考依据。　关键词：钢管再加热炉；数值模拟；温度场；流场　中图分类号：ＴＰ０６２　文献标志码：Ａ　文章编号：１００２—１６３９（２０１０）０３　００４１—０３　Ｔｈｅ　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，Ｆｌｏｗ　ｆｉｅｌｄ　ａｎｄ　Ｖｅｌｏｃｉｔｙ　Ｖｅｃｔｏｒ　ｉｎ　Ｓｔｅｅｌ　Ｔｕｂｅ　Ｒｅｈｅａｔｉｎｇ　Ｆｕｒｎａｃｅ　ＷＵ　Ｃｈｅｎｇｔａｏ　（Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｓｈｅｎｗｕ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｔｈｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０２２００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｖａｌｕｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｃａｌｌｅｄ　ｆｌｕｅｎｔ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｆｌｏｗ　ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　ｏｎｅ　ｓｔｅｅｌ　ｔｕｂｅ　ｒｅｈｅａｔｉｎｇ　ｆｕｒｎａｃｅ　ｉｎ　ｓｏｍｅ　ｃｏｍｐａｎｙ，ｗｅ　ｃａｎ　ｏｂｔａｉｎ　ｔｈｅ　ｒｅｇｕｌａｒｉｔｉｅｓ　ｏｆｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｆｌｏｗ　ｆｉｅｌｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｓｈａｌｌ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｆｉｎｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ　ｆｏｒ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｒｅ—ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｕｒｎａｃｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｕｂｅ　ｒｅｈｅａｔｉｎｇ　ｆｕｒｎａｃｅ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ；ｆｌｏｗ　ｆｉｅｌｄ　钢管再加热炉位于连轧机后，张力减径机前，是无　缝钢管生产线上重要的热工设备，其主要作用是对连轧　后的钢管进行再加热，以保证钢管达到张减工序所需的　温度水平，而且要求被加热钢管的表面不能氧化起泡，　加热均匀。　目前再加热炉生产使用中存在的主要问题：炉温要　求高，１　２７３～１　３２３　Ｋ才能正常生产；钢管加热温度不　均匀，导致钢管入炉后容易弯曲。以上问题的出现，在　很大程度上影响到生产的顺利进行、产品质量的提高及　消耗的下降。通过试验研究炉内温度，流场等分布耗资　大，时间长，而通过数值模拟却能很好地解决试验存在　的不足，改善炉内温度场，流场等分布，为优化炉型结　构提供了重要的参考数据ｌ１］。　１数学模型及计算方法　再加热炉从装料至出料沿炉长方向分为预热段、加　热段和均热段。钢管在炉内受到炉气对它的对流和辐射　传热。在对再加热炉内钢管温度场建模时，做如下假设　和简化：　（１）考虑到钢管在步进的同时实现自动滚翻，故可　忽略钢管沿周向温度分布的不均匀性，将钢管的表面传　热视为沿半径ｒ方向的～维稳态导热；　（２）模型中，步进梁及立柱采用无水冷结构，忽略　了齿形梁、步进粱和固定梁在炉内的升温过程；　（３）忽略钢管表面氧化对传热的影响；　收稿日期：２０１０—０３—０９；修回日期：２０１０－０５—０４　作者简介：吴成涛（１９８１一），男，辽宁省沈阳市人，硕士研究生　主要从事工业炉的设计工作．　（４）假设该炉煤气燃烧流动与传热是处于正常工作　状态下的稳态过程。　（５）由于烧嘴沿炉宽方向布置　假＝＝乏模型沿炉宽方　向温度分布均匀。　因此可沿炉长方向，在炉体中线处截取一个平面，　针对这个平面进行二：维数值模拟，可近似模拟炉内情况。　模型重点研究满载钢管运行时炉内的温度场和流场分布　情况。　炉内传热以对流换热和辐射换热为主，采用以下数　学模型进行计算。　数学模型Ｌ｝１湍流计算采用标准ｋ～￡湍流双方程模型，　气栩燃烧采用非预混ＰＤＦ几率分布函数的输运方程模型，　辐射换热计算采用ＤＯ（Ｔｈｅ　Ｄｉｓｃｒｅｔｅ　Ｏｒｄｉｎａｔｅｓ　Ｒａｄｉａｔｉｏｎ　Ｍｏｄｅ１）辐射模型，压力和速度的橘合采用ＳＩＭＰＬＥ算　法，动量方程和后，ｓ方程均采用一阶迎风格式进行对流　项的离散。　模拟计算使用的湍流控制方程如下［　ｑ］。　１）连续性方程（ｍａｓｓ　ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｅｑｕａｔｉｏｎ）　雾＋亘　＝。　（１）　式中：Ｐ为流体密度，ｋｇ／（ｍ・Ｓ）：ｆ为时间，（Ｓ）；Ｕ为速　度，ｍ／ｓ；Ｘ为坐标；，取１，２，３。　２）动量传输方程（ｍｏｍｅｎｔｕｍ　ｅｑｕａｔｉｏｎ）　方程形式为（以方向为例）：　缶（，Ｊ　）＋茜（鹏　。　＋　去　一舞＋　一　杀　＋　一　厂　式中：　为黏性系数，ｋｇ／ｍ　：Ｐ晨表面力，包括静压力和　４１

　加热设备　流体黏性应力　Ｐ为压力，Ｐａ；ｉ＝１，２，３。　是作用于　单位体积流体反方向的阻力，Ｎ／ｍ　，它在流体通过多孔　介质或在有相间运动的多相流体中是必须考虑的。动量　方程中体现表面力作用的项羔Ｐｆ，分为三个部分：压力梯　度项、扩散项和其余部分。　＝专Ｉ“茜）一舞＋［去　舞　…　

３．ｉ（ｐＯｘ　）］ａ　『ｌ　ｇ　是作用于单位体积流体ｉ方向的体积力，Ｎ／ｍ　。它　可表示为　ｇｉ＝ｐｉｉａｇ　（４）　式中：ｉｉ是防向的单位矢量；ａｇ是重力加速度，ｍ／ｓ　。　３）能量传输方程（ｅｎｅｒｇｙ　ｅｑｕａｔｉｏｎ）　＋专ｃｐ　＝茜　）＋鲁　㈤　式中：助包括动能的总热焓，Ｊ。它由静态热焓的表达　式给出：　Ｈ＝ｈ＋ｌｕ２＝　ｃＰ（　）ｄ　一ｆｏＴ＂ｆＣｐ（　）ｄ　＋专　（６）　式中：Ｑ　ｄ和　分别为辐射与化学反应热源项，ｗ／（ｋｇ・　ｍ　）；Ｆｈ表示热交换系数，ｋｇ／（ｓ・ｍ），其定义为　Ｆｈ＝÷　（７）　ｆ为参考温度，Ｋ；　为有效导热系数，Ｗ／（ｍ・Ｋ）；Ｃ　为比定压热容，Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）。　４）组分质量守恒方程（ｓｐｅｃｉｅｓ　ｅｑｕａｔｉｏｎｓ）　＋南ｃ　专　等　㈦　式中：　为组分Ｓ的热交换系数，ｋｇ／（ｓ・ｍ）；Ｒｓ为组分Ｓ　由于化学反应引起的生成或消耗率。　５）双方程ｋ—ｓ　，＝Ｃ　尼　／ｅ　（９）　Ｌ　其中湍动能耗散率　ｓ＝ＣＤ竿　（１０）　６）湍动能尼方程　＋　＝茜　茜）　苦（等＋等）　｛　一Ｃｏｐ等　（１１）　式（９）一式（１１）中：，为湍流长度，ｍ；ｃ　为比例系　数；ｃ　＝０．０９。　２钢管再加热炉计算实例　本文采用Ｆｌｕｅｎｔ数值仿真软件作为模拟工具，针对　某厂再加热炉炉型优化前后的温度场和流场进行数值模　拟分析比较。再加热炉有效长度７．６１６ｍ，内宽１１　ｍ，本　加热炉按照最大产量２５　，单耗０．５　ＧＪ／ｔ配备燃烧供热　系统。燃料为冷发生炉煤气Ｑ　＝５　０２３　ｋＪ／ｍ　，冷发生炉　煤气的组成见表ｌ［引。　４２　工业加热　第３９卷２０１０年第３期　表１冷发生炉煤气的组成　％　

钢管人炉温度７５０～８５０℃，出炉温度８５０～９８０℃。　当全炉满料时，炉内装３５根钢管，钢管外径０．０８ｍ，侧　进侧出。　优化前采用的炉型，钢管中心线距炉底０．１３　ｍ，加　热效果较差，模型图如图１所示。为改善钢管在炉内加　热情况，保持钢管中心线以上炉型不变的情况下，增加　支撑梁，抬高钢管，优化后钢管中心线距炉底０．６７　ｍ，如　图２所示。　

图１优化前模型图　

图２优化后模型图　采用二维模型进行模拟，以沿炉长方向的截面进行　研究，应用Ｇａｍｂｉｔ软件进行建模并划分计算网格，优　化前的模型划分为６８　５８９个网格，优化后的模型划分为　１０１　５４５个网格。　初始条件和边界条件：空气人口温度５７３　Ｋ，质量流　量０．０４１　８　ｋｇ／ｓ；煤气入口温度３００　Ｋ，质量流量０．０３９　１　ｋｇ／ｓ；炉气出口压力一２１０Ｐａ，回流温度ｌ　２７３　Ｋ；侧墙热　流密度一９５２　Ｗ／ｍ　，炉顶热流密度一５４１　Ｗ／ｍ　，炉底热流　密度一１　１５５．８　Ｗ／ｍ　；人炉时钢管外表面温度１　１７３　Ｋ。　３计算结果与分析　图３所示为优化前等温线分布图，烧嘴喷出的高温　炉气温度在炉顶附近为１　５５０　Ｋ，炉底附近为１　２９０　Ｋ，炉　气温差为２６０　Ｋ，钢管附近为１　４２０　Ｋ。图４所示为优化　后等温线分布图，烧嘴喷出的高温炉气温度在炉顶附近　为１　５１　０　Ｋ，炉底及钢管附近为１　４５０　Ｋ，炉气温差为　６０　Ｋ；虽然炉型优化前后炉温都达到了正常生产的要求，　但优化后钢管上下温差小于优化前，钢管辐射换热上、下　部相对均匀。

　串　加热设备　《工业加热》第３９卷２０１０年第３期　

ｌ９　１２９０Ｋ　ｌ３６０Ｋ　图３优化前等温线分布图　ｌ９３０Ｋ　

图４优化后等温线分布　图５为优化前的流场分布图，烧嘴出口处速度最高　达到４．２６　ｍ／ｓ，钢管上部气体流速为０．２０５～１．０３　ｍ／ｓ，　钢管下部气流速度为０．２０５～０．８０２　ｍ／ｓ。图６为优化后　的流场分布图，烧嘴出口处速度最高达到４．６２　ｍ／ｓ，钢管　上部气体流速为０．４６２～１．６２　ｍ／ｓ，钢管下部气流速度为　０．６９４～１．３９　ｍ／ｓ。优化前钢管附近炉气平均流速约为　Ｏ．３　１　ｍ／ｓ，钢管附近炉气的平均温度为１　４２０　Ｋ，优化后　钢管附近炉气平均流速约为Ｏ．５７８　ｍ／ｓ，钢管附近炉气的　平均温度为ｌ　４５０　Ｋ。　４　

Ｏ　

４　＼　

馥翱。２　０．）０　ｌｎ恕　图５优化前的流场分布图　

图６优化后流场分布图　由下式算得平均对流换热系数【Ｗ／（ｍ。・Ｋ）】：　ｈ＝Ｎｕ－￣　（１２）　式中：Ｎｕ为努塞尔数；　为炉气换热系数，取１２．６２Ｗ／（ｍ‘　Ｋ）；妫钢管半径，ｍｌＴｌ。　计算得优化前钢管附近平均对流换热系数为８　ｗ／（ｉ－１－１２・　Ｋ），钢管附近炉气平均对流换热热流密度为１　８５６　ｗ／ｎ１　。　优化后钢管附近平均对流换热系数为】０．５　ｗ／（ｍ２・Ｋ），　钢管附近炉气平均对流换热热流密度为２　７５１　ｗ／ｍ　＿６　。优　化后钢管对流换热强度比优化前的高，因此优化后对流　换热优于优化前。　图７为优化前速度矢量分布图，由图７可见在炉内燃　料和空气经烧嘴喷出后，在预热段没有形成涡流，烟气快　速的排出，排烟温度较高；在加热段和均热段各形成了１　个涡流区域，相距较远，致使加热段中部温度低：．ｆ两端温　度。图８为优化后矢量分布图，由图８可见在预热段形成　了】个涡流，钢管整体包围在这个涡流中，延长了炉气在　炉内停留时间，降低了排烟温度。在加热段和均热段形成　了１个涡流，并且气流穿过钢管，加热段和均热段形成～・　个整体区域的对流换热气氛，加热炉中部温度高两端低，　加热段和均热段温度平缓过渡，加热炉整体炉温更均匀。　ＩＩ／ｍ・ｓ　

／ｎｌ・ｓ　

３．２ａｅ　ｔ３．０１ｅ　■…一。　■ｊ　●　一　、　一一　０　ｆ譬　１．　。　．＿。、？　蟪　

图７优化１ｊ：Ｉ速度矢量分．布图　

图８优化后速发矢量分布图　４结论　（ｉ）优化前炉顶和炉底附近等温线温差为２６０　Ｋ；优　化后炉顶和炉底附近等温线温差为６Ｏ　Ｋ。数值模拟计算　结果表明，优化后炉气对钢管上一Ｆ辐射换热更加均匀。　（２）优化前钢管附近炉气平均对流换热热流密度为　１　８５６　Ｗ／ｍ　；优化后钢管附近炉气平均对流换热热流密度　为２　７５１　ｗ／　，对流换热强陵比优化前的高，因此优化　后对流换热优于优化前。　（３）优化前排懒速度快，导致排烟温度高，加热区　域中间温度低于两端；优化后排烟温度低于优化前，加　热区域中间温度高于两端，各段温度过渡平缓，炉内整　体温度更均匀。　

参考文献：　［１］彭小中，周维汉．钢管再加热炉加热能力分析和燃烧系统改　造『Ｊ］．冶金能源，２００６，２５（２）：４６・４７．　［２］于勇．ＦＬＵＥＮＴ入门与进阶教程【Ｍ】．北京：北京理工大　４３　∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞叭叭叭叭∞　

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