石化企業(yè)火炬燃燒器設(shè)計(jì)及燃?xì)忸A(yù)混過(guò)程數(shù)值模擬分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u29222石化企業(yè)火炬燃燒器設(shè)計(jì)及燃?xì)忸A(yù)混過(guò)程數(shù)值模擬分析案例 1150011.1燃燒器的分類與特點(diǎn) 1302501.1.1燃燒器的分類 1180951.1.2各類燃燒器的特點(diǎn) 3178281.2火炬燃燒器設(shè)計(jì) 5185981.2.1火炬燃燒器的設(shè)計(jì)要求 629931.2.2火炬燃燒器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6151771.3燃燒器尺寸設(shè)計(jì) 7275281.1.1燃燒器預(yù)混室的尺寸計(jì)算 8251291.1.2燃燒器的燃?xì)鈬姽艹叽缬?jì)算 9232621.1.3水蒸氣噴管尺寸得計(jì)算 10171241.4燃燒器預(yù)混室內(nèi)氣體混合情況模擬 1173171.4.1數(shù)值模擬方法 114241.4.2Fluent模擬設(shè)置 16178341.4.3模擬結(jié)果分析及討論 18火炬的目的就是為了降低企業(yè)排放的氣體對(duì)環(huán)境的污染，符合國(guó)家相關(guān)方面的要求。火炬燃燒器作為火炬的重要組成部分，其燃燒效率的好壞將會(huì)對(duì)整個(gè)火炬的性能產(chǎn)生重大影響。冒黑煙現(xiàn)象是火炬常出現(xiàn)的一種事故現(xiàn)象，會(huì)對(duì)周邊的環(huán)境造成污染，其原因主要是燃燒器預(yù)混室內(nèi)氣體混合不均勻，在預(yù)混室出口處燃?xì)獠煌耆紵榱藦母瓷辖鉀Q這一問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)出合理的燃燒器結(jié)構(gòu)，并對(duì)燃燒器預(yù)混室內(nèi)的氣體混合情況進(jìn)行分析模擬。本章根據(jù)火炬燃燒的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了一款新型預(yù)混式燃燒器，然后又對(duì)其預(yù)混室內(nèi)的氣體混合情況進(jìn)行了模擬。1.1燃燒器的分類與特點(diǎn)1.1.1燃燒器的分類火炬燃燒器作為火炬系統(tǒng)的組成部分，它的主要功能將火炬所需要處理的氣體燃燒后再排放到大氣中。目前，對(duì)燃燒器如何分類有很多種方法，其中，最主要的分類方法包括按一次空氣系數(shù)大小進(jìn)行分類、按燃燒所需空氣供應(yīng)方式分類、按燃?xì)獾墓┙o壓力進(jìn)行分類和按所燃燒的氣體類別進(jìn)行分類四種[56]方法。其中：1按照一次空氣系數(shù)的大小進(jìn)行分類目前來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)燃燒的一次空氣系數(shù)對(duì)燃燒器進(jìn)行分類。一次空氣系數(shù)β即在燃燒之前，燃料已經(jīng)與空氣進(jìn)行了部分混合，參與預(yù)先混合的空氣與完全燃燒所需的空氣的量的比值[57]。（1）部分預(yù)混式燃燒器：在通常的情景下β的取值在0.4到0.7之間，根據(jù)燃燒方面的相關(guān)知識(shí)可以得出，如果β取值過(guò)小，那么此時(shí)的燃燒就是擴(kuò)散燃燒了，與之相反，β取值過(guò)大的話，此時(shí)的燃燒就屬于完全預(yù)混式燃燒了；（2）完全預(yù)混式燃燒器：其一次空氣系數(shù)β≥1，這種類型的燃燒器，其設(shè)計(jì)原理是完全預(yù)混式原理。該類型燃燒的時(shí)候，其燃料已經(jīng)事先完全與空氣進(jìn)行了混合，所以燃盡率較高；（3）擴(kuò)散式燃燒器：這種類型的燃燒器其一次空氣系數(shù)β=0，即在燃燒前燃?xì)鉀](méi)有與空氣進(jìn)行混合；2按燃燒所需空氣供應(yīng)方式分類（1）鼓風(fēng)式的燃燒器：這種類型的燃燒器，一般都配套裝備有鼓風(fēng)機(jī)，在燃燒的時(shí)候，它所需的空氣由鼓風(fēng)機(jī)送入，然后與燃?xì)饣旌先紵唬?）自然引風(fēng)式的燃燒器：是通過(guò)燃燒室和外界空氣的壓力之差（燃燒室的壓力要小于外界空氣壓力）使空氣自動(dòng)進(jìn)入到燃燒器中；（3）引射式的燃燒器：這種類型的燃燒器，在燃燒的時(shí)候外部空氣在燃?xì)馍淞鞯淖饔孟?，被卷入?yún)⑴c燃燒。3按照燃?xì)獾墓┙o壓力進(jìn)行分類（1）高壓燃燒器：這種燃燒器在燃燒時(shí)所需的燃?xì)夤┙o壓力P大于5000Pa；（2）低壓燃燒器：這種燃燒器在燃燒時(shí)所需的燃?xì)夤┙o壓力P小于5000Pa。4按按所燃燒的氣體類別我們還可以通過(guò)燃燒器燃燒的氣體種類對(duì)燃燒器進(jìn)行分類，例如，在廚房中常見(jiàn)的燃?xì)庠?，就屬于燃燒天然器的燃燒器。此外還有專門設(shè)計(jì)煤氣、液化石油氣等氣體的燃燒器。1.1.2各類燃燒器的特點(diǎn)燃燒器比較常見(jiàn)的分類方法是根據(jù)空氣供給的方式來(lái)進(jìn)行分類的，查閱相關(guān)資料，不同類型燃燒器的詳細(xì)介紹和特點(diǎn)如下[58-61]：1自然引風(fēng)擴(kuò)散式燃燒器這種類型的燃燒器，其所需空氣進(jìn)入燃燒器是通過(guò)擴(kuò)散作用或自然吸力，燃料和空氣在燃燒前不會(huì)預(yù)先進(jìn)行混合。主要有以下特點(diǎn):（1）便于加工制造，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；（2）該類型的燃燒器在工作時(shí)的燃燒情況好，很少出現(xiàn)脫火、回火等現(xiàn)象；（3）它的操作方法比較簡(jiǎn)單，即使在在燃?xì)鈮毫^低時(shí)依舊能正常工作；（4）工作的時(shí)候，由于燃?xì)庠谌紵龝r(shí)所形成的火焰較長(zhǎng)，要求尺寸較大的燃燒室；（5）這種類型燃燒器，由于其燃?xì)庠谌紵拔磁c空氣進(jìn)行混合，所以經(jīng)常出現(xiàn)燃燒不完全的現(xiàn)象。根據(jù)以上內(nèi)容所描述的相關(guān)特征，由于這種燃燒器的燃燒熱強(qiáng)度低的特點(diǎn)，其通常被應(yīng)用于加熱強(qiáng)度低的設(shè)備在生活中也經(jīng)常見(jiàn)到。例如，生活中常用到的熱水器、采暖鍋爐等經(jīng)常會(huì)用到這類燃燒器。2鼓風(fēng)式擴(kuò)散燃燒器在日常的工作生活中，我們經(jīng)常會(huì)用到這種類型的燃燒器。該燃燒器工作時(shí)，空氣通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)從外界引入到燃燒器中，隨后，與由燃燒器燃料噴管噴出的燃?xì)膺M(jìn)行混合，這種燃燒主要為擴(kuò)散式燃燒。這種燃燒器，其通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)入到器體內(nèi)部的空氣與燃?xì)獾幕旌锨闆r，決定了燃燒時(shí)的燃燒狀態(tài)。鼓風(fēng)式燃燒器具有如下特點(diǎn):（1）在燃燒器燃燒的時(shí)候，由于鼓風(fēng)機(jī)的存在，所以外界空氣很難進(jìn)入到燃燒器中，較難發(fā)生回火爆炸事故；（2）該燃燒器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以在安裝的時(shí)候，占用的面積較??；（3）根據(jù)燃燒機(jī)理可知，在燃燒前通過(guò)加熱器體，能夠有效提高燃燒的效率和穩(wěn)定性。該類燃燒器根據(jù)其結(jié)構(gòu)，可以配備相應(yīng)的氣體加熱裝置；（4）該燃燒器在工作的時(shí)候，其配備的送風(fēng)設(shè)備也需要運(yùn)轉(zhuǎn)，所以會(huì)產(chǎn)生一定的電耗；（5）根據(jù)這種燃燒器的結(jié)構(gòu)和原理可以得知，該類燃燒器在燃燒的時(shí)候，主要通過(guò)送風(fēng)設(shè)備的送風(fēng)量來(lái)調(diào)節(jié)空氣與燃?xì)獾幕旌媳壤?。如果想要自?dòng)調(diào)節(jié)，則需要事先配套安裝相應(yīng)的自動(dòng)化裝置。根據(jù)上文中對(duì)鼓風(fēng)式燃燒器的介紹可知，該類燃燒器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、燃燒穩(wěn)定等特點(diǎn)，所以，其所能夠服務(wù)的行業(yè)廣泛，例如在鍋爐等場(chǎng)景中經(jīng)常會(huì)見(jiàn)到該類型的燃燒器。3大氣式燃燒器該類型的燃燒器主要在放散燃燒的時(shí)候使用，其主要采取的燃燒方式為部分預(yù)混式燃燒。如果通過(guò)一次空氣系數(shù)對(duì)其進(jìn)行界別的話，在大部分情況下這種燃燒器一次空氣系數(shù)β的取值一般在0.4到0.7之間，其主要具有如下特點(diǎn)：（1）這種類型的燃燒器，由于空氣與燃料事先進(jìn)行了混合，所以其燃燒效率相對(duì)較高，燃燒相對(duì)完全，所以其燃燒產(chǎn)物中含有的氮氧化合物相對(duì)較少；（2）根據(jù)其結(jié)構(gòu)原理可知，該類燃燒器應(yīng)用的場(chǎng)景相對(duì)廣泛，而且能夠滿足較多工藝的需求；（3）根據(jù)其結(jié)構(gòu)和工作原理可知，與鼓風(fēng)式燃燒器相比，這種類型的燃燒器在燃燒的時(shí)候，其所需空氣主要通過(guò)擴(kuò)散參與燃燒，所以燃燒相對(duì)來(lái)說(shuō)沒(méi)有鼓風(fēng)式燃燒器完全，但是能夠處理較多量氣體的燃燒；（4）由于該類燃燒其不需要配備專門的送風(fēng)裝置，所以應(yīng)用場(chǎng)景相對(duì)廣泛。由于大氣式燃燒器具有上述特點(diǎn)，所以在日常生活中，我們經(jīng)常會(huì)見(jiàn)到該類燃燒器。例如在廚房中經(jīng)常見(jiàn)到的燃?xì)庠?、熱水器等，都屬于該類燃燒器。另外，在工業(yè)中也經(jīng)常出現(xiàn)其身影，比較常見(jiàn)的有各類型鍋爐設(shè)備等。4完全預(yù)混式燃燒器如果說(shuō)哪種燃燒器的燃盡率最高，那么就應(yīng)該是完全預(yù)混式燃燒器了。通過(guò)這種燃燒器的名字就能知道，該類燃燒器其主要進(jìn)行的是完全燃燒。該類燃燒器在進(jìn)行燃燒之前，其燃?xì)饩鸵呀?jīng)與空氣進(jìn)行了混合，一般來(lái)說(shuō)一次空氣系數(shù)β≥1。該類燃燒器也可以細(xì)分為以下兩類，分別是：（1）第一類其參與燃燒的氣體事先經(jīng)過(guò)加壓處理，然后在進(jìn)行混合之后燃燒；（2）第二類與大氣式燃燒器相仿，其所需要的空氣也是通過(guò)引射的方式參與燃燒。不同的是該類燃燒器燃燒時(shí)所產(chǎn)生的引射氣體的量要更多，具體通過(guò)其結(jié)構(gòu)優(yōu)化和配套設(shè)計(jì)相應(yīng)設(shè)施來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，還可以根據(jù)燃燒器的頭部結(jié)構(gòu)對(duì)完全預(yù)混式燃燒器進(jìn)行分類，其類型主要有以下二種：[62-64]:（1）第一類燃燒器的頭部結(jié)構(gòu)包含火道，在燃燒的時(shí)候，燃燒火焰離開(kāi)燃燒室后會(huì)在火道內(nèi)進(jìn)行燃燒?；鸬乐饕蓛?nèi)火材料制成；（2）第二類與第一類相反，為無(wú)火道式的頭部結(jié)構(gòu)。燃燒產(chǎn)生的火焰離開(kāi)燃燒時(shí)后擴(kuò)散燃燒；分析和總結(jié)完全預(yù)混式燃燒器的結(jié)構(gòu)和燃燒特點(diǎn)可以得出，該類燃燒器主要具有以下特點(diǎn):（1）燃燒器結(jié)構(gòu)部件不易氧化。該類燃燒器所采取的燃燒方式主要為完全預(yù)混燃燒，其參與燃燒的空氣一般經(jīng)過(guò)計(jì)算，所以其燃盡率較高，燃燒產(chǎn)物中的氧化劑較少；（2）由于其燃?xì)馐孪扰c空氣進(jìn)行充分混合，所以該燃燒器燃燒充分，其燃燒產(chǎn)物種CO和NOx的量少，對(duì)空氣污染??；（3）這種類型的燃燒器由于其燃燒效率高，所以具有高的燃燒溫度，能夠滿足對(duì)溫度要求較高的工藝的溫度需求；（4）由于這種燃燒器的一次空氣系數(shù)β≥1，所以在進(jìn)行燃燒的時(shí)候所需空氣較多，因而其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般都較大；（5）在工作的時(shí)候，其產(chǎn)生的噪聲大；（6）易出現(xiàn)脫火、回火的現(xiàn)象。1.2火炬燃燒器設(shè)計(jì)火炬燃燒器是火炬裝置的核心組成部分，雖然國(guó)內(nèi)外燃燒器技術(shù)依托對(duì)燃燒機(jī)理的進(jìn)一步了解和社會(huì)科學(xué)技術(shù)水平的進(jìn)步得到了一定程度的進(jìn)步，有了一些研究成果，然而直到現(xiàn)在火炬燃燒器產(chǎn)生的黑煙現(xiàn)象尚未解決，因此現(xiàn)在火炬燃燒器研究的一個(gè)主要方向是能夠設(shè)計(jì)出一種消除在火炬氣燃燒時(shí)產(chǎn)生的黑煙的燃燒器。盡管高架火炬依舊有很多缺點(diǎn)，但在石油化工行業(yè)等場(chǎng)合仍然擁有無(wú)法替代的主要地位和應(yīng)用。其主要原因是火炬氣具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如處理量大、投入低，而且近些年來(lái)隨著我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視和各項(xiàng)環(huán)境整治的措施的實(shí)施，如何提高燃燒器的火炬氣處理能力和燃燒效率對(duì)于在石化行業(yè)推廣火炬系統(tǒng)非常重要。故而基于這樣的一個(gè)現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一種新型的火炬燃燒器，并經(jīng)過(guò)理論驗(yàn)證了該方案的可行性。1.2.1火炬燃燒器的設(shè)計(jì)要求在進(jìn)行火炬燃燒器設(shè)計(jì)的時(shí)候首先要保證火炬氣的完全燃燒，另外其燃燒時(shí)的火焰穩(wěn)定性還要好。與此同時(shí)也要滿足一些其他安全成本方面的要求。一般在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要滿足以下幾點(diǎn)要求：（1）設(shè)計(jì)處理量要足夠大?；鹁娴哪康木褪菫榱颂幚砥髽I(yè)事故或者開(kāi)停車時(shí)產(chǎn)生的泄放氣體，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候，所設(shè)計(jì)的氣體處理量要按高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)；（2）節(jié)省費(fèi)用開(kāi)支。為了滿足經(jīng)濟(jì)方面的需求，降低火炬制造及工作期間的各項(xiàng)開(kāi)支，要求在滿足相關(guān)法律法規(guī)的前提下，盡可能的降低制造成本及各項(xiàng)消耗；（3）減少對(duì)周邊環(huán)境的影響?；鹁嫒紵龝r(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的光污染和熱輻射，對(duì)附近的人員、設(shè)施和環(huán)境等造成影響所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候，要盡可能降低其不利影響；（4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，檢修方便。有些火炬設(shè)備設(shè)計(jì)高度較高，給之后的維護(hù)工作帶來(lái)了危險(xiǎn)。所以設(shè)計(jì)的時(shí)候要盡可能的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，便于之后的檢修維護(hù)；1.2.2火炬燃燒器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外在進(jìn)行火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，所選用的火炬燃燒器多為擴(kuò)散式燃燒器，該類燃燒器由于其一次空氣系數(shù)較低，燃?xì)馐孪任磁c空氣進(jìn)行混合，所以在燃燒的時(shí)候經(jīng)常出現(xiàn)冒黑煙的現(xiàn)象，其燃盡率較低，燃燒產(chǎn)物中還具有較多的一氧化碳和氮氧化合物，污染周邊的環(huán)境[65]。為了提高火炬系統(tǒng)的燃盡率，消除冒黑煙等現(xiàn)象對(duì)周邊環(huán)境的影響，本論文選用部分預(yù)混合燃燒器作為火炬系統(tǒng)的燃燒器，該類燃燒器其燃盡率較高，且能處理較大氣量。根據(jù)火炬燃燒器設(shè)計(jì)的相關(guān)要求，本論文通過(guò)Fluent軟件設(shè)計(jì)出了一款火炬燃燒器，下圖3-1。其結(jié)構(gòu)主要包括四個(gè)蒸汽噴管、燃?xì)鈬姽芎腿紵黝A(yù)混室。其中，蒸汽噴管的作用主要是用于協(xié)助消煙，在燃燒的時(shí)候，通過(guò)蒸汽噴管向火炬燃燒器噴射水蒸汽，能夠有效降低火炬燃燒時(shí)所產(chǎn)生的黑煙，具體工作原理主要是利用水蒸汽將火炬氣中的重組分氣體分散開(kāi)，使氣體更加完全的燃燒，其所需的蒸汽量與火炬氣的流量和所含的組分相關(guān)[66]；該燃燒器在燃燒的時(shí)候，其所需的空氣事先通過(guò)預(yù)混室與燃?xì)鈬姽艿拈g隙由燃?xì)庖溥M(jìn)入預(yù)混室，之后與燃?xì)庠陬A(yù)混室內(nèi)混合后參與燃燒。圖3-1火炬燃燒器三維圖Figure3-1Three-dimensionalviewofflareburner1.3燃燒器尺寸設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的燃燒器主要部件包括燃?xì)鈬姽?、預(yù)混室和蒸汽噴管，其設(shè)計(jì)要求根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)都能夠準(zhǔn)確計(jì)算出。這里我們假設(shè)一組火炬氣來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的尺寸計(jì)算，具體數(shù)據(jù)如下表，火炬氣的成分為丙烯：表3-1模擬火炬氣的計(jì)算參數(shù)Table3-1Thecalculationparametersoftorchgas處理量(t/h)溫度(℃)絕熱指數(shù)入口壓力(Pa)相對(duì)分子質(zhì)量密度(kg/m3)155℃1.1139000421.9051.1.1燃燒器預(yù)混室的尺寸計(jì)算經(jīng)過(guò)大量的資料查閱后在標(biāo)準(zhǔn)APIRP521中找到了燃燒器預(yù)混室直徑的計(jì)算方法，其公式如下[67-68]：D=11.61×式中：Ma——馬赫數(shù)，根據(jù)資料顯示，馬赫數(shù)取0.2-0.4時(shí)，才能夠保證燃燒器的燃燒效果穩(wěn)定，當(dāng)取值過(guò)大時(shí)，燃燒器可能會(huì)出現(xiàn)脫火或者熄火現(xiàn)象。所以在本次的設(shè)計(jì)中，我們?nèi)●R赫數(shù)為0.2；W——在火炬運(yùn)行的時(shí)候，流經(jīng)燃燒器的氣體量（kg/s）；D——燃燒室的預(yù)混室的直徑（m）；K——火炬氣的絕熱指數(shù)；T——火炬氣的溫度；P——火炬氣進(jìn)入預(yù)混室時(shí)的壓力；M——火炬氣的相對(duì)分子質(zhì)量。將設(shè)計(jì)的火炬氣的數(shù)據(jù)代入式3-1中可得：D=11.61×=11.61×=0.218m目前已經(jīng)發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)和資料中只有關(guān)于燃燒器預(yù)混室直徑的計(jì)算方法，方便之后的模擬計(jì)算，這里我們?nèi)?00mm作為燃燒器預(yù)混室的長(zhǎng)度。1.1.2燃燒器的燃?xì)鈬姽艹叽缬?jì)算通過(guò)查找相關(guān)資料，在《化學(xué)工程實(shí)用專題設(shè)計(jì)手冊(cè)》中，有關(guān)于燃燒器預(yù)混室直徑的計(jì)算方法，首先應(yīng)該計(jì)算當(dāng)?shù)氐囊羲?，從而求得燃?xì)獾乃俣?，再根?jù)公式求得燃?xì)鈬姽艿木唧w直徑[69]。1當(dāng)?shù)匾羲俚挠?jì)算uc式中：K——火炬系統(tǒng)所需處理的氣體的絕熱指數(shù)；T——所處理的泄放氣體流經(jīng)火炬系統(tǒng)時(shí)的溫度（K）；M——所處理氣體的相對(duì)分子質(zhì)量。將數(shù)據(jù)代入式3-2中可得：u=91.2×=269.35m/s2燃燒器的燃?xì)馑俣鹊挠?jì)算u=Ma×u式中：u——燃燒器的燃?xì)馑俣萂a——馬赫數(shù)，取0.2；uc將數(shù)據(jù)代入式3-3可得：u=Ma×=0.2×269.35=51.87m/s3燃燒器燃?xì)鈬姽苤睆降挠?jì)算u=4V式3-4變形得d=4W式中：W——所需處理的火炬氣的處理量（kg/s）；ρ——火炬氣密度（kg/m3u——燃燒器的燃?xì)馑俣?。將?shù)據(jù)代入式3-5可得：d==4×1000=0.059m這里我們?nèi)∑溟L(zhǎng)度為200mm，方便之后得模擬計(jì)算。1.1.3水蒸氣噴管尺寸得計(jì)算消煙所需水蒸氣的量一般由火炬氣的組成成分和處理量所決定，火炬氣中碳元素的占比越高，那么所需的蒸汽量就越大，燃燒不完全冒黑煙的可能性也就越大。查閱資料可得，在《實(shí)用火炬設(shè)計(jì)》中有關(guān)于所需蒸汽量的計(jì)算方法，其計(jì)算公式如下[70]：Wc式中：WcW——火炬氣的處理量；M——所處理的火炬氣的相對(duì)分子質(zhì)量。將數(shù)據(jù)代入式3-6可得：W=1000=0.1175kg/s1.4燃燒器預(yù)混室內(nèi)氣體混合情況模擬火炬燃燒的時(shí)候，其火炬口經(jīng)常因?yàn)槿紵煌耆霈F(xiàn)冒黑煙的現(xiàn)象，其原因是火炬氣與空氣在預(yù)混室內(nèi)未能夠充分混合，為了解決這一問(wèn)題，我們通過(guò)對(duì)不同直徑的預(yù)混室內(nèi)的混合情況進(jìn)行模擬，能夠有效分析出預(yù)混室直徑變化對(duì)火炬氣與空氣的混合情況的影響，對(duì)火炬的設(shè)計(jì)具有重要意義。1.4.1數(shù)值模擬方法1物理模型圖3-1為火炬燃燒器的模型圖，因?yàn)楸菊轮饕芯康臅r(shí)預(yù)混式尺寸對(duì)其內(nèi)氣體混合效率的影響，所以在進(jìn)行建模仿真模擬時(shí)對(duì)實(shí)際的物體進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，這樣既可以加快計(jì)算的速度提高效率又可以獲得較為精確的仿真結(jié)果，主要的簡(jiǎn)化措施有：忽略火炬燃燒器各部件的厚度、一些聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)的影響因素（法蘭等）等，僅考慮燃?xì)鈬姽芎皖A(yù)混室構(gòu)成的模型。2數(shù)學(xué)模型：（1）在進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)需要遵守質(zhì)量守恒定律，其方程見(jiàn)下式3-7：（2）同時(shí)，也應(yīng)該遵守動(dòng)量守恒定律其公式見(jiàn)下式3-8：式中：（3）此外，還應(yīng)遵循能量守恒定律，其公式見(jiàn)下式3-9：式中：cpT——反應(yīng)物發(fā)生反應(yīng)時(shí)的溫度；k——反應(yīng)物中，所屬流體的傳熱系數(shù)；Sr（4）參與反應(yīng)的組分應(yīng)滿足下式3-10：式中：u、v、ω——分別為流體在其方向上的分速度；ρ——流體的密度；f——流體的組分份額；D——湍流擴(kuò)散系數(shù)。3湍流模型在CFD軟件Fluent中，常用的湍流模型主要有五種，分別是：標(biāo)準(zhǔn)K-∈模型；RNGK-∈模型；RealizableK-∈模型；K-ω模型；雷諾應(yīng)力模型。這里我們選用K-ω模型來(lái)進(jìn)行模擬，其設(shè)置如下圖：圖3-2K-ω模型Figure3-2K-ωmodel4組分輸運(yùn)和化學(xué)反應(yīng)模型的選擇在用Fluent軟件進(jìn)行燃燒模擬的時(shí)候，其軟件中的許多模型都可以模擬組分運(yùn)輸?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng)，主要模型有以下四種：非預(yù)混燃燒模型；通用有限速度模型；部分與混合燃燒模型；預(yù)混合燃燒模型。結(jié)合本次模擬的實(shí)際情況，這里選擇通用有限速度模型，其具體的設(shè)置如下圖3-3：圖3-3通用有限速度模型設(shè)置圖Figure3-3Settingdiagramofgenerallimitedspeedmodel5劃分網(wǎng)格網(wǎng)格劃分有結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)型兩種形式的網(wǎng)格，考慮到模型的復(fù)雜性，本文采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行劃分，如圖3-4所示為網(wǎng)格示意圖：圖3-4燃燒器網(wǎng)格劃分示意圖Figure3-4Meshdiagramofthephysicalmodeloftheflareburner6邊界的類型本次模擬邊界主要有火炬氣入口、和空氣入口，混合氣體出口和壁面。根據(jù)模擬數(shù)據(jù)，我們將火炬氣入口、空氣入口和混合氣的出口分別設(shè)置為pressureinlet、pressureinlet和pressureoutlet。1.4.2Fluent模擬設(shè)置1本文在進(jìn)行計(jì)算時(shí)為了提高計(jì)算的精度和效率，采用雙精度和進(jìn)行4核并行運(yùn)算具體的設(shè)置如圖3-5所示：圖3-5Fluent啟動(dòng)設(shè)置圖Figure3-5Fluentstartupsettingdiagram2導(dǎo)入網(wǎng)格并檢查網(wǎng)格質(zhì)量，同時(shí)設(shè)置求解器類型為Pressure-Based。圖3-6Fluent設(shè)置圖Figure3-6Fluentsettingdiagram3設(shè)置模型。啟用能量方程、設(shè)置湍流模型、組分輸送和反應(yīng)模型。其設(shè)置見(jiàn)圖3-2、圖3-3。4設(shè)定材料的物性參數(shù)。將火炬氣的溫度改為329.15K、水蒸氣的溫度改為371.15K。其他參數(shù)采用默認(rèn)值。5設(shè)定邊界條件。根據(jù)數(shù)據(jù)，火炬氣入口的壓力設(shè)定為9000pa，溫度為329.15K，因?yàn)槠涑煞秩繛楸?，所以質(zhì)量分?jǐn)?shù)、空氣入口壓力和溫度分別設(shè)置為1、2000Pa和298.15K，因?yàn)橹饕獮槠渲兴难鯕鈪⑴c反應(yīng)，所以只設(shè)定氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.23；混合氣的出口的邊界條件設(shè)定與空氣入口條件相同。圖3-7流程初始化Figure3-7Processinitialization6對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行初始化。7進(jìn)行計(jì)算。設(shè)置步數(shù)為200步，進(jìn)行模擬計(jì)算，具體設(shè)置見(jiàn)下圖3-8。圖3-8模擬計(jì)算設(shè)置Figure3-8Simulationcalculationsettings1.4.3模擬結(jié)果分析及討論為了分析不同預(yù)混室直徑對(duì)預(yù)混室內(nèi)氣體混合情況的影響，我們?cè)谌細(xì)鈬姽艹叽绮蛔兊那闆r下，分別對(duì)長(zhǎng)度為L(zhǎng)（長(zhǎng)度）=400mm，D(直徑)=218mm、L=400mm，D=300mm、L=400mm，D=400mm、L=400mm，D=500mm的預(yù)混室內(nèi)的氣體混合情況進(jìn)行了模擬，分別得到了其預(yù)混室內(nèi)氣體的密度（DensityAll）云圖，見(jiàn)下圖3-9、3-10、3-11、3-12。圖3-9預(yù)混室尺寸L=400mm，D=218mm時(shí)的質(zhì)量分布云圖Figure3-9T