新型熱風(fēng)循環(huán)加熱裝置燃燒及流動(dòng)傳熱數(shù)值模擬研究

張江勇，顧海榮，肖 茹

(1.江蘇省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院道路工程技術(shù)與裝備研究所，江蘇 徐州 221000；2.公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)材料及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心(徐工集團(tuán))，江蘇 徐州 221000； 3.長安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引 言

熱風(fēng)循環(huán)加熱裝置是瀝青路面就地?zé)嵩偕商讬C(jī)組的核心部件，主要由燃燒器、熱風(fēng)爐、加熱墻、循環(huán)風(fēng)道等組成，這些部件的性能好壞直接影響瀝青路面的加熱均勻性、加熱效率、環(huán)保性能、使用可靠性和經(jīng)濟(jì)性。因此優(yōu)良的熱風(fēng)循環(huán)加熱裝置是保障瀝青路面就地?zé)嵩偕哔|(zhì)量施工的必要條件[1-3]。

市場上有許多粗放式熱風(fēng)加熱墻，加熱瀝青路面時(shí)存在均勻性差、熱效率低、環(huán)境污染等問題[4]。本文對(duì)一種新型熱風(fēng)循環(huán)加熱裝置進(jìn)行研究，該裝置主要由燃燒器、熱風(fēng)爐、分風(fēng)箱、加熱墻體、循環(huán)風(fēng)機(jī)及管路組成。其工作原理是：燃燒器燃燒燃料在熱風(fēng)爐加熱空氣，產(chǎn)生的熱風(fēng)通過分風(fēng)箱被均勻送入加熱墻體，由加熱墻體內(nèi)的導(dǎo)流裝置將熱風(fēng)均勻分布在多孔出氣網(wǎng)面，最后由許多噴嘴噴向?yàn)r青路面從而加熱路面。循環(huán)風(fēng)機(jī)把周邊加熱的余氣送回?zé)犸L(fēng)爐，經(jīng)換熱后循環(huán)使用。

本新型熱風(fēng)循環(huán)加熱裝置的工況比較復(fù)雜，涉及燃燒學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)等多個(gè)學(xué)科，包含燃料燃燒反應(yīng)、煙氣組分輸送和傳熱、熱流場分布特征等諸多復(fù)合難題。本文在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上借助相關(guān)CFD分析軟件建立三維數(shù)值分析模型，并進(jìn)行仿真分析，對(duì)新型熱風(fēng)循環(huán)加熱裝置進(jìn)行產(chǎn)品驗(yàn)證和優(yōu)化。Fluent軟件作為一種CFD仿真分析軟件，被廣泛用于計(jì)算流體流動(dòng)、燃燒、傳熱等問題[5-7]。本文利用Fluent軟件對(duì)裝置進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到溫度場、流場和燃?xì)飧鹘M分質(zhì)量分?jǐn)?shù)等重要數(shù)據(jù)，并對(duì)裝置的環(huán)保性能進(jìn)行分析。

1 模型的建立與分析

1.1 計(jì)算模型的確定和參數(shù)設(shè)定

本熱風(fēng)循環(huán)加熱裝置的燃燒器設(shè)置兩段火出力，采取多噴嘴供給燃料并使用變比例供氧風(fēng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)加熱裝置的變功率輸出，燃料燃燒過程是一個(gè)物理化學(xué)反應(yīng)和熱傳導(dǎo)的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)問題，可采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型、變比熱容來求解該湍流燃燒問題[8]。假定湍流擴(kuò)散擾動(dòng)與化學(xué)反應(yīng)對(duì)反應(yīng)物的混合迅速，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨M分流動(dòng)和循環(huán)熱風(fēng)流動(dòng)換熱也可采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型和壁面標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)法計(jì)算[9-10]。

新型熱風(fēng)循環(huán)加熱裝置的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，分風(fēng)箱設(shè)置風(fēng)門調(diào)節(jié)裝置，將熱風(fēng)均勻地分配到加熱墻體左右的2個(gè)儲(chǔ)氣單元，并分別通過導(dǎo)流板和拋流板將熱風(fēng)擾動(dòng)擴(kuò)散，均勻地分布至多孔出氣網(wǎng)面后排出并加熱瀝青路面。在循環(huán)風(fēng)機(jī)作用下，加熱墻四周余氣經(jīng)回風(fēng)管道進(jìn)入熱風(fēng)爐外膽夾層，換熱后循環(huán)利用。本裝置的主要幾何參數(shù)見表1。

圖1 新型熱風(fēng)循環(huán)加熱裝置結(jié)構(gòu)

表1 新型熱風(fēng)循環(huán)加熱裝置的主要幾何參數(shù)

1.2 建模、邊界條件及計(jì)算分析

(1)利用Pro/E軟件完成新型熱風(fēng)循環(huán)加熱裝置建模和簡化處理，模型導(dǎo)入GAMBIT軟件完成網(wǎng)格劃分[11]，其網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 新型熱風(fēng)循環(huán)加熱裝置網(wǎng)格

(2)以下為二段火數(shù)值模擬求解設(shè)置。在Fluent軟件中首先定義組分模型，然后定義流體物理屬性[12]，各進(jìn)出口氣體組分含量取值見表2；然后定義化學(xué)反應(yīng)。

定義邊界條件，燃料進(jìn)口、空氣進(jìn)口、回風(fēng)進(jìn)口均設(shè)置為速度進(jìn)口邊界類型，見表3。熱風(fēng)爐內(nèi)膽為耦合壁面，選擇對(duì)流傳熱類型，厚度為1.5 mm，見表4。模型出口設(shè)置為壓力出口邊界類型，見表5。

表2 燃料組分計(jì)算含量

表3 進(jìn)口邊界條件

表4 耦合壁面參數(shù)

表5 出口邊界條件

(3)求解過程為：首先將所有組分及Energy值設(shè)為0.95，設(shè)置點(diǎn)火溫度為950 K，設(shè)置合理的點(diǎn)火區(qū)域，這種初始值的填入對(duì)最終的穩(wěn)態(tài)解沒有影響；進(jìn)行變比熱容化學(xué)反應(yīng)求解，迭代2 000步，大概1 500步收斂；然后進(jìn)行NOx生成量預(yù)測，設(shè)置Pollutant no的松弛因子為1，其他組分的松弛因子不變，重新迭代2 000步計(jì)算，約1 800步最終獲得收斂的完整解。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與討論

模擬結(jié)果以矢量圖、等值線圖以及平面坐標(biāo)圖顯示，這樣既直觀又方便定量分析。

2.1 模擬結(jié)果

2.1.1 速度矢量

圖3為本裝置主要截面的3D流場分布。

圖3 流場分布

2.1.2 溫度等值線

圖4為本裝置主要截面的3D靜態(tài)溫度分布。

圖4 靜態(tài)溫度場分布

2.1.3 氣體組分變化

圖5～7分別為本裝置主要截面的各氣體組分3D質(zhì)量分?jǐn)?shù)等高線，圖8為NOx濃度圖。

圖5 C3H8質(zhì)量分?jǐn)?shù)等高線

圖6 CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)等高線

圖7 H2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)等高線

圖8 NOx濃度

2.2 結(jié)果討論

(1)由圖3可以看出，燃料與空氣混合比較均勻，燃燒過程火焰穩(wěn)定，火焰長度約1 400 mm。混合氣通過分風(fēng)箱分流在加熱墻出口面的速度基本一致，流速均為2 m·s-1左右，出氣孔平均速度在24.65 m·s-1左右。分風(fēng)箱整體分流均勻性良好，導(dǎo)流板和拋流板可有效將熱風(fēng)均勻地分布至多孔出氣網(wǎng)。

(2)由圖4溫度場分布不難看出，熱風(fēng)爐的中后部熱風(fēng)溫度較高，最高溫度為1 600 K左右，分風(fēng)箱中平均溫度為1 100 K左右，加熱墻體中熱風(fēng)溫度約1 000 K，熱風(fēng)經(jīng)多孔出氣網(wǎng)面排出，溫度分布較為均勻，約700 K，與實(shí)際試驗(yàn)同等工況相比略高，此數(shù)值模擬結(jié)果為相關(guān)試驗(yàn)提供了溫度的分析比較。

(3)由圖5～7反應(yīng)物和生成物的組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)等高線可知，C3H8在熱風(fēng)爐尾部進(jìn)入分風(fēng)箱內(nèi)0.4 m處大致反應(yīng)完全。CO2和H2O多在此過程產(chǎn)生，出口位置二者的含量較高，化學(xué)反應(yīng)比較徹底。

(4)由于空氣中N2含量較高，高溫燃燒過程中容易產(chǎn)生NOx，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。由圖8不難看出，本燃燒器生成的NOx含量極低，主要位于氮?dú)馀c氧氣含量較高且溫度較高的區(qū)域，NOx最高濃度約9×10-5，因而具有較好的環(huán)保性能。

3 不同工況數(shù)值模擬結(jié)果的比較

本文還模擬了一段火工況的燃燒及流動(dòng)傳熱過程，除進(jìn)口邊界條件設(shè)置不同外，其余求解設(shè)置和過程均類似，一段火工況進(jìn)口邊界條件的設(shè)置見表6。

表6 一段火工況進(jìn)口邊界條件

本數(shù)值模擬過程采集主要數(shù)據(jù)包括：各進(jìn)出口及壁面的速度、溫度、氣體組分含量、低位熱值及燃燒效率。不同工況下，網(wǎng)孔及熱風(fēng)出口溫度、速度對(duì)比見表7，各進(jìn)出口氣體組分變化對(duì)比見表8。

表7 不同工況網(wǎng)孔及出口溫度、速度對(duì)比

表8 不同工況各進(jìn)出口氣體組分及含量變化對(duì)比

從表7、8不難看出：一段火和二段火2種不同工況下，熱風(fēng)出口溫度差異不大，均在700 K左右，一段火網(wǎng)孔和熱風(fēng)出口的流速較二段火差距較大，約為二段火的70%；兩種工況下各進(jìn)出口的氣體組分變化差異不大，尤其是NOx濃度均比較低，具備良好的環(huán)保性能，滿足工程需要。

4 結(jié) 語

本文以新型熱風(fēng)循環(huán)加熱裝置為研究對(duì)象，利用Fluent軟件對(duì)其進(jìn)行了燃燒及流動(dòng)傳熱的三維數(shù)值模擬，得到了二段火加熱和一段火加熱2種工況下裝置的溫度場、流場分布圖及燃料各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)等高線圖，對(duì)比分析可知：本裝置的熱風(fēng)出口溫度約為700 K，網(wǎng)孔出氣流速可達(dá)17～25 m·s-1，具備良好的瀝青射流傳熱條件；本裝置的燃燒效率高，NOx生成量低，具備良好的環(huán)保性能，充分說明本裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性和合理性，為就地?zé)嵩偕商坠こ虣C(jī)械相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、模擬、優(yōu)化及應(yīng)用提供了有價(jià)值的參考數(shù)據(jù)。