一、引言1.1研究背景與意義1.1.1鋼鐵行業(yè)能耗現(xiàn)狀與廢鋼預熱技術的重要性鋼鐵行業(yè)作為國民經濟的重要支柱產業(yè)，在經濟發(fā)展中扮演著舉足輕重的角色，但其能耗問題也一直備受關注。據(jù)相關數(shù)據(jù)顯示，鋼鐵生產過程中消耗了大量的能源，其中電爐煉鋼的能耗約占鋼鐵生產總能耗的30%-40%。在全球倡導節(jié)能減排、實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標的大背景下，降低鋼鐵行業(yè)的能耗已成為當務之急。廢鋼作為電爐煉鋼的主要原料，其入爐溫度對電爐冶煉能耗等技術指標影響顯著。傳統(tǒng)的常溫廢鋼入爐方式，使得電爐在熔化廢鋼時需要消耗大量的能量，從而導致能耗居高不下。研究表明，廢鋼入爐溫度每提高100℃，電爐冶煉電耗可降低約3%-5%。因此，廢鋼預熱技術應運而生，成為降低鋼鐵行業(yè)能耗、提高生產效率的關鍵手段。廢鋼預熱技術通過利用高溫煙氣或其他熱源，在廢鋼加入煉鋼爐之前對其進行預熱，使廢鋼的入爐溫度顯著提高。這不僅減少了煉鋼過程中為熔化廢鋼所需的能量消耗，還能加快煉鋼反應速度，縮短冶煉時間，進而提高生產效率。以某鋼鐵企業(yè)為例，采用廢鋼預熱技術后，電爐冶煉時間縮短了約15%，電耗降低了約20%，經濟效益顯著。1.1.2研究意義從節(jié)能角度來看，對廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐內燃燒與傳熱進行數(shù)值研究，有助于深入了解燃燒與傳熱過程的機理，優(yōu)化加熱爐的設計和操作參數(shù)，從而提高能源利用效率，降低鋼鐵生產過程中的能耗。這不僅符合國家節(jié)能減排的政策要求，也能為鋼鐵企業(yè)降低生產成本，提高市場競爭力。在環(huán)保方面，降低能耗意味著減少了能源的消耗和污染物的排放。通過優(yōu)化廢鋼預熱系統(tǒng)，減少了電爐煉鋼過程中對煤炭、電力等能源的依賴，從而降低了二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等污染物的排放，對改善環(huán)境質量具有重要意義。在提升鋼鐵生產質量方面，精確控制廢鋼預熱溫度和均勻性，能夠使廢鋼在電爐內更均勻地熔化，減少鋼液中的雜質和氣體含量，提高鋼水的質量和純凈度。這對于生產高質量的鋼鐵產品，滿足高端制造業(yè)對鋼鐵材料的需求具有重要作用。綜上所述，對廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐內燃燒與傳熱進行數(shù)值研究，對于鋼鐵行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義和理論價值。1.2國內外研究現(xiàn)狀1.2.1廢鋼預熱技術發(fā)展歷程廢鋼預熱技術的發(fā)展可以追溯到20世紀中葉，當時鋼鐵行業(yè)面臨著能源成本上升和環(huán)保要求日益嚴格的挑戰(zhàn)，促使企業(yè)和研究人員開始探索提高廢鋼利用效率的方法。早期的廢鋼預熱技術相對簡單，主要是采用一些基本的加熱方式，如火焰直接加熱或利用余熱進行初步預熱。這些方法雖然在一定程度上提高了廢鋼的入爐溫度，但存在著加熱不均勻、能源利用效率低等問題。隨著科技的不斷進步，20世紀80年代以后，廢鋼預熱技術取得了顯著的發(fā)展。各種新型的廢鋼預熱設備和工藝相繼出現(xiàn)，如連續(xù)電弧爐（Consteel）工藝、雙殼電爐預熱法、豎式電爐等。Consteel工藝采用封閉式振動型傳送帶將廢鋼連續(xù)送入電爐內，利用高溫廢氣逆向流經廢鋼進行預熱，可使廢鋼入爐前溫度達到600℃左右。這種工藝實現(xiàn)了廢鋼的連續(xù)預熱、加料和熔化，大大提高了生產效率，降低了能耗，減少了渣中氧化鐵含量，提高了鋼水收得率，同時改善了環(huán)境。雙殼電爐預熱法具有一套供電系統(tǒng)和兩個爐殼，采用一個電源對兩個爐子交替供熱，用一個爐子煉鋼時，將其產生的廢氣導入另一個裝有廢鋼的爐內進行預熱。該方法解決了料籃預熱法引起的環(huán)境污染問題，可進行1000℃以上的高效預熱，還節(jié)省了出鋼、補爐及第一次裝料等非通電時間，提高了生產效率。豎式電爐則是在爐體相當爐頂?shù)谒目祝ㄖ绷鳡t為第二孔）的位置配置一豎窯煙道，與熔化室連通，廢鋼放置在豎爐中，通過電爐熔煉時產生的上升熱廢氣進行預熱。下部廢鋼溫度可預熱到800-900℃，上部廢鋼溫度可達300℃左右，能有效利用煙氣余熱，提高廢鋼預熱效果。近年來，廢鋼預熱技術進一步朝著智能化、高效化和環(huán)?；较虬l(fā)展。一些企業(yè)和研究機構開發(fā)了基于先進控制系統(tǒng)的廢鋼預熱設備，能夠實現(xiàn)對預熱過程的精準控制，提高預熱的均勻性和穩(wěn)定性。同時，為了滿足更加嚴格的環(huán)保要求，廢鋼預熱技術在減少污染物排放方面也取得了新的進展，如采用新型的燃燒技術和廢氣處理設備，降低了廢氣中有害物質的含量。在國內，廢鋼預熱技術的應用和發(fā)展相對較晚，但近年來隨著國內鋼鐵行業(yè)對節(jié)能減排的重視程度不斷提高，廢鋼預熱技術得到了廣泛的推廣和應用。一些大型鋼鐵企業(yè)引進了國外先進的廢鋼預熱設備和技術，并在此基礎上進行了消化吸收和創(chuàng)新，開發(fā)出了適合國內生產條件的廢鋼預熱工藝和設備。同時，國內的科研機構也加大了對廢鋼預熱技術的研究力度，取得了一系列具有自主知識產權的研究成果，為推動國內廢鋼預熱技術的發(fā)展做出了重要貢獻。1.2.2加熱爐內燃燒與傳熱數(shù)值模擬研究進展在加熱爐內燃燒與傳熱數(shù)值模擬研究方面，國外起步較早，取得了豐碩的成果。早在20世紀70年代，隨著計算機技術的興起，國外學者就開始嘗試利用數(shù)值模擬方法研究燃燒與傳熱問題。他們建立了各種燃燒模型和傳熱模型，如渦耗散模型（EDM）、概率密度函數(shù)（PDF）模型等用于描述燃燒過程，采用輻射傳遞方程（RTE）、離散坐標法（DOM）等方法處理輻射傳熱。通過這些模型和方法，對加熱爐內的溫度場、速度場、濃度場等進行了模擬分析，為加熱爐的優(yōu)化設計和操作提供了理論依據(jù)。隨著計算流體力學（CFD）技術的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬在加熱爐研究中的應用越來越廣泛和深入。近年來，國外的研究更加注重多物理場的耦合作用，如將燃燒、傳熱、流體流動等過程進行耦合模擬，以更準確地描述加熱爐內的復雜物理現(xiàn)象。同時，一些先進的實驗技術，如粒子圖像測速（PIV）、激光誘導熒光（LIF）等，也被用于驗證和改進數(shù)值模擬結果，提高了模擬的準確性和可靠性。在國內，加熱爐內燃燒與傳熱數(shù)值模擬研究雖然起步相對較晚，但發(fā)展迅速。近年來，國內眾多科研機構和高校在該領域開展了大量的研究工作，取得了一系列重要成果。研究人員針對不同類型的加熱爐，建立了相應的數(shù)學模型，并采用CFD軟件進行數(shù)值模擬。通過模擬，分析了燃燒器結構、燃料種類、空氣過剩系數(shù)等因素對燃燒和傳熱過程的影響，為加熱爐的節(jié)能改造和性能優(yōu)化提供了理論支持。例如，有研究針對圓筒式加熱爐，運用計算流體力學方法，建立了加熱爐輻射室燃燒和爐管內流體流動傳熱的三維有限元分析模型，采用數(shù)值計算方法模擬輻射室的燃燒流動傳熱過程，通過對不同燃燒模型和輻射模型模擬結果的比較，最終確定了適合該模型的組分輸運燃燒模型和P-1輻射模型，得到了加熱爐爐膛內溫度分布、速度分布以及煙氣中氮氧化物生成情況，并通過與實際標定數(shù)據(jù)進行對比分析，驗證了加熱爐模型的準確性。此外，國內的研究還關注到加熱爐內的結渣、積灰等問題對燃燒和傳熱的影響，通過數(shù)值模擬研究了這些問題的形成機理和影響因素，提出了相應的預防和解決措施?？偟膩碚f，國內外在加熱爐內燃燒與傳熱數(shù)值模擬研究方面已經取得了顯著的進展，但仍存在一些問題和挑戰(zhàn)，如模型的準確性和通用性有待進一步提高，對復雜工況下的模擬能力還需加強等，這些都為后續(xù)的研究提供了方向。1.3研究目標與內容1.3.1研究目標本研究旨在通過數(shù)值模擬方法，深入探究廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐內的燃燒與傳熱過程，以實現(xiàn)以下具體目標：優(yōu)化加熱爐性能：通過對加熱爐內燃燒與傳熱過程的數(shù)值模擬，分析不同結構參數(shù)和操作條件對加熱爐性能的影響，如爐膛結構、燃燒器布置、燃料種類及流量等，提出優(yōu)化方案，提高加熱爐的熱效率，降低燃料消耗和廢氣排放，從而實現(xiàn)加熱爐性能的全面提升。提高廢鋼預熱效果：明確加熱爐內溫度場、速度場和濃度場的分布規(guī)律，以及它們與廢鋼預熱效果之間的關系。通過優(yōu)化燃燒與傳熱過程，提高廢鋼預熱的均勻性和溫度提升幅度，確保廢鋼在進入電爐前達到理想的預熱溫度，為電爐煉鋼提供優(yōu)質的預熱廢鋼，降低電爐冶煉能耗，提高生產效率和鋼水質量。為實際工程應用提供理論依據(jù)和技術支持：建立準確可靠的數(shù)值模型，模擬結果能夠與實際生產情況相吻合。通過對模擬結果的分析和總結，為廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐的設計、改造和操作提供科學合理的理論依據(jù)和技術指導，幫助鋼鐵企業(yè)在實際生產中更好地應用廢鋼預熱技術，實現(xiàn)節(jié)能減排和經濟效益的雙贏目標。1.3.2研究內容為實現(xiàn)上述研究目標，本研究將從以下幾個方面展開：加熱爐內燃燒過程研究：建立適用于廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐的燃燒模型，考慮燃料的種類、燃燒反應機理、燃燒過程中的湍流特性等因素。利用該模型對加熱爐內的燃燒過程進行數(shù)值模擬，分析燃燒過程中火焰的形狀、溫度分布、燃燒產物濃度分布等參數(shù)，研究不同燃燒器結構和操作參數(shù)（如燃料流量、空氣過剩系數(shù)、燃燒器角度等）對燃燒過程的影響規(guī)律，為優(yōu)化燃燒過程提供理論基礎。加熱爐內傳熱過程研究：綜合考慮傳導、對流和輻射三種傳熱方式，建立加熱爐內傳熱的數(shù)學模型。采用合適的數(shù)值計算方法求解該模型，得到加熱爐內的溫度場分布以及廢鋼與爐內氣體、爐壁之間的熱交換情況。分析傳熱過程中各因素（如廢鋼的形狀、尺寸、堆放方式、爐內氣體流速等）對傳熱效率和廢鋼預熱均勻性的影響，為提高傳熱效果提供理論指導。操作參數(shù)對燃燒與傳熱過程的影響研究：系統(tǒng)研究燃料種類、燃料流量、空氣過剩系數(shù)、預熱時間、廢鋼裝載量等操作參數(shù)對加熱爐內燃燒與傳熱過程的綜合影響。通過數(shù)值模擬，分析不同操作參數(shù)組合下加熱爐的性能指標（如熱效率、廢鋼預熱溫度、廢氣排放等），確定各操作參數(shù)的最佳取值范圍，為實際生產中的操作優(yōu)化提供依據(jù)。模型驗證與實驗研究：將數(shù)值模擬結果與實際實驗數(shù)據(jù)進行對比驗證，以確保所建立的燃燒與傳熱模型的準確性和可靠性。設計并開展相關實驗，測量加熱爐內的溫度、速度、濃度等參數(shù)，以及廢鋼的預熱溫度和預熱均勻性。通過實驗數(shù)據(jù)對模型進行修正和完善，提高模型的預測精度，使其能夠更準確地反映實際生產中的燃燒與傳熱過程。1.4研究方法與技術路線1.4.1研究方法本研究綜合運用多種研究方法，從不同角度深入探究廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐內的燃燒與傳熱過程，確保研究的全面性、準確性和可靠性。數(shù)值模擬方法：數(shù)值模擬是本研究的核心方法，借助計算流體力學（CFD）軟件，如Fluent、ANSYSCFX等，對加熱爐內的燃燒與傳熱過程進行三維數(shù)值模擬。通過建立加熱爐的幾何模型，設定合適的邊界條件和初始條件，求解質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程以及組分輸運方程等，得到加熱爐內的溫度場、速度場、濃度場等詳細信息。利用數(shù)值模擬方法，可以在不同工況下對加熱爐進行虛擬實驗，快速、準確地分析各種因素對燃燒與傳熱過程的影響，為優(yōu)化加熱爐性能提供依據(jù)。與傳統(tǒng)的實驗研究方法相比，數(shù)值模擬具有成本低、周期短、可重復性強等優(yōu)點，能夠深入研究一些難以通過實驗直接觀測的物理現(xiàn)象。理論分析方法：在數(shù)值模擬的基礎上，運用燃燒理論、傳熱學理論等相關學科知識，對模擬結果進行深入分析。例如，根據(jù)燃燒動力學原理，分析燃料的燃燒反應機理和速率；依據(jù)傳熱學中的傅里葉定律、牛頓冷卻定律等，研究熱量在加熱爐內的傳遞方式和規(guī)律。通過理論分析，揭示燃燒與傳熱過程的內在本質，為建立合理的數(shù)學模型和優(yōu)化操作參數(shù)提供理論支持。理論分析方法有助于從宏觀和微觀層面理解加熱爐內的物理過程，為數(shù)值模擬結果的解釋和應用提供理論依據(jù)，使研究成果更具科學性和普遍性。實驗研究方法：為驗證數(shù)值模擬結果的準確性和可靠性，開展實驗研究。搭建小型實驗平臺，模擬實際廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐的運行工況。在實驗過程中，使用熱電偶、熱流計、氣體分析儀等儀器，測量加熱爐內不同位置的溫度、熱流密度、氣體成分等參數(shù)，以及廢鋼的預熱溫度和預熱均勻性。將實驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結果進行對比分析，對數(shù)值模型進行修正和完善，提高模型的預測精度。實驗研究方法能夠直接獲取實際物理過程的數(shù)據(jù)，為數(shù)值模擬提供驗證和校準，確保研究結果與實際情況相符，增強研究成果的實際應用價值。1.4.2技術路線本研究的技術路線主要包括以下幾個關鍵步驟，通過流程圖（圖1）展示如下：模型建立：基于實際廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐的結構尺寸和工藝參數(shù)，利用三維建模軟件（如SolidWorks、Pro/E等）建立加熱爐的幾何模型。對模型進行合理簡化，去除一些對燃燒與傳熱過程影響較小的細節(jié)結構，提高計算效率。將建立好的幾何模型導入CFD軟件中，進行網(wǎng)格劃分，選擇合適的網(wǎng)格類型（如四面體網(wǎng)格、六面體網(wǎng)格等）和網(wǎng)格尺寸，確保網(wǎng)格質量滿足計算要求，同時兼顧計算精度和計算資源的平衡。參數(shù)設定：根據(jù)實際工況和相關研究資料，確定數(shù)值模擬所需的各種參數(shù)。包括燃料的物理化學性質（如熱值、密度、粘度、成分等）、空氣的物性參數(shù)、邊界條件（如進口速度、溫度、壓力，出口壓力等）、初始條件（如初始溫度場、速度場、濃度場等）。選擇合適的燃燒模型（如渦耗散模型、PDF模型等）、傳熱模型（如輻射模型、對流換熱模型等）以及湍流模型（如k-ε模型、k-ω模型等），并對模型中的參數(shù)進行合理設置。模擬計算：在CFD軟件中進行數(shù)值計算，求解建立的數(shù)學模型。監(jiān)控計算過程中的收斂情況，確保計算結果的準確性和穩(wěn)定性。如果計算不收斂，分析原因并調整計算參數(shù)或模型設置，直至計算收斂。計算完成后，獲取加熱爐內的溫度場、速度場、濃度場等模擬結果數(shù)據(jù)。結果分析：對模擬結果進行多方面分析，包括溫度分布、速度分布、濃度分布、熱流密度分布等。研究不同結構參數(shù)和操作條件對燃燒與傳熱過程的影響規(guī)律，如爐膛結構對溫度場均勻性的影響、燃燒器布置對火焰形狀和燃燒效率的影響、燃料流量和空氣過剩系數(shù)對廢氣排放和熱效率的影響等。通過對比分析不同工況下的模擬結果，找出優(yōu)化加熱爐性能和提高廢鋼預熱效果的關鍵因素和最佳操作參數(shù)組合。實驗驗證：按照實驗設計方案，搭建實驗平臺，進行實驗研究。在實驗過程中，嚴格控制實驗條件，確保實驗數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。將實驗測量得到的數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結果進行對比分析，評估數(shù)值模型的準確性。如果模擬結果與實驗數(shù)據(jù)存在較大偏差，分析原因，對數(shù)值模型進行修正和完善，如調整模型參數(shù)、改進模型結構或選擇更合適的模型等。反復進行模擬計算和實驗驗證，直至數(shù)值模型能夠準確預測加熱爐內的燃燒與傳熱過程。優(yōu)化建議：根據(jù)模擬結果分析和實驗驗證的結論，提出針對廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐的優(yōu)化建議。包括加熱爐結構的優(yōu)化設計（如爐膛形狀、燃燒器位置和角度的調整等）、操作參數(shù)的優(yōu)化（如燃料種類和流量的選擇、空氣過剩系數(shù)的控制、預熱時間的調整等）。為實際工程應用提供具體的技術指導，幫助鋼鐵企業(yè)提高廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐的性能，實現(xiàn)節(jié)能減排和提高生產效率的目標。通過以上技術路線，本研究將數(shù)值模擬、理論分析和實驗研究有機結合，從模型建立到結果分析，再到實驗驗證和優(yōu)化建議，形成一個完整的研究體系，確保研究成果的科學性、可靠性和實用性。二、相關理論基礎2.1數(shù)值模擬技術2.1.1數(shù)值模擬基本原理數(shù)值模擬是一種通過構建數(shù)學模型并利用計算機進行求解，以模擬現(xiàn)實世界中物理現(xiàn)象或工程問題的技術。其基本原理是基于物理守恒定律，將實際問題轉化為數(shù)學方程，通過離散化處理，將連續(xù)的物理量在空間和時間上進行離散，然后利用數(shù)值算法求解離散后的方程組，從而得到物理量在離散點上的近似值，以此來模擬物理過程的發(fā)展。在廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐內燃燒與傳熱的研究中，數(shù)值模擬需要建立包含質量守恒、動量守恒、能量守恒以及組分輸運等方程的數(shù)學模型。質量守恒方程依據(jù)質量守恒定律，描述了加熱爐內流體質量在各區(qū)域的分布與變化情況，確保在任何時刻，流入與流出控制體的質量差等于控制體內質量的變化率。動量守恒方程基于牛頓第二定律，反映了流體所受外力與動量變化之間的關系，能夠求解出加熱爐內流體的速度場分布，對于分析燃燒過程中氣體的流動以及廢鋼與氣體之間的相互作用具有重要意義。能量守恒方程遵循熱力學第一定律，涵蓋了加熱爐內各種能量形式的轉化與傳遞，包括燃料燃燒釋放的化學能、流體的內能、動能以及通過熱傳導、對流和輻射進行的熱量傳遞，從而可以獲得加熱爐內的溫度場分布，為研究傳熱過程提供關鍵數(shù)據(jù)。組分輸運方程則用于描述燃料、氧化劑以及燃燒產物等不同組分在加熱爐內的濃度分布和擴散情況，有助于深入了解燃燒反應的進程和產物生成規(guī)律。為了能夠在計算機上進行求解，需要對這些連續(xù)的數(shù)學方程進行離散化處理。常見的離散化方法包括有限差分法、有限元法和有限體積法等。有限差分法是將微分方程中的導數(shù)項用差分近似表示，將連續(xù)的物理量在空間和時間上用離散的網(wǎng)格點來表示，通過在這些網(wǎng)格點上建立差分方程來求解物理量的近似值。有限元法是將求解域劃分為有限數(shù)量的子區(qū)域（單元），在每個單元上構建試驗函數(shù)（基函數(shù)），通過變分原理將原問題轉化為求解單元內的未知量，該方法在處理復雜幾何形狀和材料屬性時具有優(yōu)勢。有限體積法是將求解域劃分為有限數(shù)量的體積單元，在每個單元上求解守恒定律，其物理意義明確，特別適用于求解對流-擴散方程等，在CFD領域應用廣泛。在廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐的數(shù)值模擬中，選擇合適的離散化方法和數(shù)值算法至關重要。例如，在利用有限體積法對加熱爐內的控制方程進行離散時，需要合理劃分網(wǎng)格，確保網(wǎng)格能夠準確捕捉到燃燒與傳熱過程中的關鍵物理現(xiàn)象，同時要兼顧計算效率和精度。數(shù)值算法則用于求解離散后的代數(shù)方程組，常見的算法有SIMPLE算法（Semi-ImplicitMethodforPressure-LinkedEquations）及其改進算法等，這些算法通過迭代求解的方式，逐步逼近真實解，直到滿足一定的收斂條件。2.1.2數(shù)值模擬在工業(yè)領域的應用數(shù)值模擬在工業(yè)領域的應用極為廣泛，為眾多行業(yè)的發(fā)展提供了有力的支持和保障。在鋼鐵行業(yè)，數(shù)值模擬在高爐煉鐵、轉爐煉鋼、連鑄以及軋制等各個生產環(huán)節(jié)都發(fā)揮著重要作用。在高爐煉鐵過程中，通過數(shù)值模擬可以研究爐內煤氣流分布、溫度場變化以及爐料運動規(guī)律，優(yōu)化高爐的操作參數(shù)，提高生產效率和鐵水質量。有研究利用數(shù)值模擬方法對高爐內的煤氣分布進行了深入分析，通過調整風口布局和噴煤量，改善了煤氣利用率，降低了燃料消耗，提高了高爐的生產效率。在轉爐煉鋼方面，數(shù)值模擬能夠模擬吹煉過程中的熔池攪拌、鋼液成分和溫度變化等，為優(yōu)化吹煉工藝提供依據(jù)。通過數(shù)值模擬可以準確預測不同吹煉條件下鋼液的成分和溫度變化，幫助操作人員制定合理的吹煉策略，減少鋼液中的雜質含量，提高鋼水的質量。在連鑄過程中，數(shù)值模擬可以分析鑄坯的凝固過程、溫度場分布以及應力應變情況，優(yōu)化連鑄工藝參數(shù)，減少鑄坯缺陷的產生。通過模擬鑄坯的凝固過程，調整冷卻水量和拉坯速度，有效改善了鑄坯的質量，減少了裂紋等缺陷的出現(xiàn)。在化工行業(yè)，數(shù)值模擬在反應器設計、精餾塔優(yōu)化、管道流體輸送等方面都有廣泛應用。在反應器設計中，通過數(shù)值模擬可以研究反應過程中的溫度、濃度分布以及反應速率等，優(yōu)化反應器的結構和操作條件，提高反應效率和產物選擇性。有研究利用數(shù)值模擬對甲醇合成反應器進行了優(yōu)化設計，通過調整反應器的內部結構和操作參數(shù)，提高了甲醇的合成效率，降低了生產成本。在精餾塔優(yōu)化方面，數(shù)值模擬可以模擬精餾塔內的氣液傳質過程，優(yōu)化塔板數(shù)、回流比等參數(shù)，提高精餾效率，降低能耗。通過數(shù)值模擬對精餾塔進行優(yōu)化，成功提高了精餾效率，降低了能耗，提高了生產效益。在管道流體輸送中，數(shù)值模擬可以分析管道內流體的流動阻力、溫度變化以及壓力分布等，為管道的設計和運行提供依據(jù)。通過數(shù)值模擬可以準確預測管道內流體的流動情況，合理選擇管道直徑和輸送泵的功率，降低輸送成本，確保管道的安全運行。在航空航天領域，數(shù)值模擬在飛行器設計、發(fā)動機性能優(yōu)化等方面發(fā)揮著關鍵作用。在飛行器設計中，通過數(shù)值模擬可以進行空氣動力學分析，研究飛行器在不同飛行條件下的氣動力特性，優(yōu)化飛行器的外形設計，提高飛行性能和燃油效率。利用數(shù)值模擬對飛機的機翼外形進行優(yōu)化設計，降低了飛機的飛行阻力，提高了燃油效率，延長了航程。在發(fā)動機性能優(yōu)化方面，數(shù)值模擬可以模擬發(fā)動機內部的燃燒過程、熱傳遞以及流場分布等，優(yōu)化發(fā)動機的結構和工作參數(shù)，提高發(fā)動機的性能和可靠性。通過數(shù)值模擬對航空發(fā)動機的燃燒室進行優(yōu)化設計，改善了燃燒效率，降低了污染物排放，提高了發(fā)動機的性能。此外，數(shù)值模擬在汽車制造、建筑設計、電子設備散熱等眾多工業(yè)領域都有廣泛的應用，通過模擬和優(yōu)化各種物理過程，為工業(yè)生產提供了更高效、更經濟、更環(huán)保的解決方案，推動了工業(yè)技術的不斷進步和創(chuàng)新。2.2計算流體力學（CFD）方法2.2.1CFD基本方程CFD的基本控制方程是基于物理守恒定律建立的，這些方程是描述流體流動和傳熱過程的基礎，包括連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程以及組分輸運方程等。連續(xù)性方程是質量守恒定律在流體力學中的數(shù)學表達，它描述了在任何流動系統(tǒng)中，單位時間內流入控制體的質量等于流出控制體的質量與控制體內質量變化率之和。對于三維非穩(wěn)態(tài)可壓縮流體，在直角坐標系下，連續(xù)性方程的微分形式為：\frac{\partial\rho}{\partialt}+\frac{\partial(\rhou)}{\partialx}+\frac{\partial(\rhov)}{\partialy}+\frac{\partial(\rhow)}{\partialz}=0其中，\rho為流體密度，t為時間，u、v、w分別為流體在x、y、z方向上的速度分量。該方程表明，在流體流動過程中，質量既不會憑空產生也不會消失，保證了質量在整個流場中的守恒性。對于不可壓縮流體，由于其密度\rho為常數(shù)，連續(xù)性方程可簡化為：\frac{\partialu}{\partialx}+\frac{\partialv}{\partialy}+\frac{\partialw}{\partialz}=0動量守恒方程是牛頓第二定律在流體力學中的具體體現(xiàn)，它反映了作用在流體微團上的合外力等于流體微團動量的變化率。在三維粘性流體中，考慮粘性力和壓力的作用，動量守恒方程在直角坐標系下的形式為：\rho(\frac{\partialu}{\partialt}+u\frac{\partialu}{\partialx}+v\frac{\partialu}{\partialy}+w\frac{\partialu}{\partialz})=-\frac{\partialp}{\partialx}+\frac{\partial\tau_{xx}}{\partialx}+\frac{\partial\tau_{yx}}{\partialy}+\frac{\partial\tau_{zx}}{\partialz}+\rhof_x\rho(\frac{\partialv}{\partialt}+u\frac{\partialv}{\partialx}+v\frac{\partialv}{\partialy}+w\frac{\partialv}{\partialz})=-\frac{\partialp}{\partialy}+\frac{\partial\tau_{xy}}{\partialx}+\frac{\partial\tau_{yy}}{\partialy}+\frac{\partial\tau_{zy}}{\partialz}+\rhof_y\rho(\frac{\partialw}{\partialt}+u\frac{\partialw}{\partialx}+v\frac{\partialw}{\partialy}+w\frac{\partialw}{\partialz})=-\frac{\partialp}{\partialz}+\frac{\partial\tau_{xz}}{\partialx}+\frac{\partial\tau_{yz}}{\partialy}+\frac{\partial\tau_{zz}}{\partialz}+\rhof_z其中，p為流體壓力，\tau_{ij}為粘性應力張量分量，f_x、f_y、f_z分別為單位質量流體在x、y、z方向上受到的體積力分量。這些方程描述了流體在各方向上的動量變化與所受力之間的關系，對于研究流體的流動特性和速度分布至關重要。能量守恒方程遵循熱力學第一定律，它描述了在包含熱交換的流體系統(tǒng)中，單位時間內控制體內能量的變化等于進入控制體的凈熱流量與體積力和表面力對控制體所做的功率之和。在考慮熱傳導、對流和內熱源的情況下，三維非穩(wěn)態(tài)流體的能量守恒方程在直角坐標系下的形式為：\rhoc_p(\frac{\partialT}{\partialt}+u\frac{\partialT}{\partialx}+v\frac{\partialT}{\partialy}+w\frac{\partialT}{\partialz})=\frac{\partial}{\partialx}(k\frac{\partialT}{\partialx})+\frac{\partial}{\partialy}(k\frac{\partialT}{\partialy})+\frac{\partial}{\partialz}(k\frac{\partialT}{\partialz})+S_h其中，c_p為流體的定壓比熱容，T為流體溫度，k為熱導率，S_h為內熱源項，表示單位體積內的熱源強度，如燃料燃燒釋放的熱量等。該方程綜合考慮了能量的各種傳遞和轉化方式，是研究流體溫度分布和傳熱過程的關鍵方程。在廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐的燃燒過程中，還需要考慮組分輸運方程來描述不同化學組分在流體中的濃度變化。對于第i種組分，其組分輸運方程的一般形式為：\frac{\partial(\rhoY_i)}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{v}Y_i)=-\nabla\cdot\vec{J}_i+R_i+S_i其中，Y_i為第i種組分的質量分數(shù)，\vec{v}為流體速度矢量，\vec{J}_i為第i種組分的擴散通量，R_i為化學反應源項，表示由于化學反應導致的第i種組分的生成或消耗速率，S_i為外部源項，如燃料的注入或產物的排出等。組分輸運方程對于研究燃燒過程中燃料與氧化劑的混合、反應進程以及燃燒產物的生成和分布具有重要意義。這些基本方程相互關聯(lián)，共同描述了廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐內復雜的流體流動、燃燒和傳熱過程。在實際應用中，需要根據(jù)具體的問題和條件，對這些方程進行適當?shù)暮喕颓蠼?，以獲得對物理過程的準確描述和分析。2.2.2CFD軟件介紹在CFD領域，有多種商用和開源軟件可供選擇，每種軟件都有其獨特的特點和適用場景。以下主要介紹Fluent和CFX這兩款常用的CFD軟件。Fluent是一款功能強大且應用廣泛的商業(yè)CFD軟件，由ANSYS公司開發(fā)。它支持多種求解器和豐富的物理模型，能夠模擬各種復雜的流體動力學問題，包括湍流流動、傳熱、化學反應、多相流等。在湍流模型方面，F(xiàn)luent提供了多種選擇，如標準k-ε模型、RNGk-ε模型、k-ω模型及其變體等，可根據(jù)不同的流動情況選擇合適的模型來準確描述湍流特性。在傳熱模擬中，F(xiàn)luent能夠處理熱傳導、對流和輻射等多種傳熱方式，并且提供了多種輻射模型，如離散坐標法（DOM）、P1模型、Rosseland模型等，以滿足不同工程問題的需求。對于化學反應的模擬，F(xiàn)luent支持詳細化學反應機理和簡化反應模型，能夠準確預測燃燒過程中的反應進程和產物生成。Fluent的用戶界面友好，操作相對簡單，新用戶容易上手。它具有強大的前處理功能，能夠方便地導入各種格式的幾何模型，并進行網(wǎng)格劃分。在網(wǎng)格劃分方面，F(xiàn)luent支持多種網(wǎng)格類型，如結構化網(wǎng)格、非結構化網(wǎng)格、混合網(wǎng)格等，并且提供了豐富的網(wǎng)格生成工具和方法，能夠根據(jù)模型的復雜程度和計算要求生成高質量的網(wǎng)格。Fluent還擁有豐富的后處理功能，能夠以多種方式可視化流場數(shù)據(jù)，如繪制速度矢量圖、溫度云圖、壓力分布圖等，同時還可以進行數(shù)據(jù)提取和分析，為用戶提供直觀、準確的結果展示和分析手段。Fluent在航空航天、汽車、能源、化工等眾多領域都有廣泛的應用。在航空航天領域，它可用于飛機氣動力分析、發(fā)動機內部流場模擬等；在汽車行業(yè)，可用于汽車外流場計算、發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設計、車內空調氣流組織優(yōu)化等；在能源領域，可用于燃燒器設計、鍋爐內燃燒與傳熱模擬、風力發(fā)電機流場分析等；在化工領域，可用于反應器設計、精餾塔優(yōu)化、管道流體輸送模擬等。CFX也是ANSYS公司旗下的一款商業(yè)CFD軟件，它在多物理場耦合模擬方面具有顯著優(yōu)勢，能夠模擬包括流體動力學、傳熱、化學反應、固體顆粒運動等多種物理過程的相互作用。CFX采用了先進的數(shù)值算法和求解技術，其求解器基于有限體積法，并融合了有限元法的優(yōu)點，具有較高的計算精度和穩(wěn)定性。在處理復雜的幾何模型和邊界條件時，CFX能夠通過自動網(wǎng)格生成技術生成高質量的網(wǎng)格，并且支持多塊網(wǎng)格、動網(wǎng)格等功能，能夠滿足各種復雜流動問題的模擬需求。CFX在旋轉機械模擬方面表現(xiàn)出色，它擁有專門的模塊用于旋轉機械的設計和分析，如透平機械、泵、風機等。通過這些模塊，CFX能夠準確模擬旋轉機械內部的流場特性、壓力分布、效率等參數(shù)，為旋轉機械的優(yōu)化設計提供有力支持。CFX還具有強大的并行計算能力，能夠充分利用多核處理器和集群計算資源，大大提高計算效率，縮短計算時間。在易用性方面，CFX具有完全的WINDOWS風格界面，采用樹型目錄結構，操作簡單直觀。它還提供了豐富的二次開發(fā)接口，用戶可以通過CEL/CCL語言進行自定義編程，添加自己的模型和算法，實現(xiàn)更個性化的模擬需求。CFX的后處理功能也非常強大，能夠生成高質量的可視化結果，并且支持多種數(shù)據(jù)輸出格式，方便與其他軟件進行數(shù)據(jù)交互和分析。CFX適用于解決復雜的多物理場耦合問題，在能源動力、機械工程、航空航天等領域有廣泛應用。例如，在能源動力領域，可用于燃氣輪機燃燒室的燃燒與傳熱耦合模擬、核電站反應堆內的流場與溫度場模擬等；在機械工程領域，可用于發(fā)動機缸內燃燒與傳熱、潤滑系統(tǒng)的多物理場耦合分析等；在航空航天領域，可用于飛行器熱防護系統(tǒng)的熱流固耦合模擬、航空發(fā)動機的多物理場性能分析等。Fluent和CFX都具有強大的功能和廣泛的應用領域，但在具體應用中，需要根據(jù)實際問題的特點和需求來選擇合適的軟件。如果問題主要涉及單一物理場的模擬，且對易用性和通用性要求較高，F(xiàn)luent可能是一個較好的選擇；而如果問題涉及復雜的多物理場耦合，尤其是旋轉機械等特定領域的問題，CFX則更具優(yōu)勢。在廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐內燃燒與傳熱的數(shù)值研究中，由于該問題涉及燃燒、傳熱、流體流動等多個物理過程的相互作用，且需要考慮加熱爐的復雜結構和邊界條件，因此CFX和Fluent都有可能被選用，具體選擇需綜合考慮模型的復雜性、計算精度要求、計算資源以及用戶對軟件的熟悉程度等因素。2.3燃燒理論基礎2.3.1燃燒過程基本原理燃燒是一種劇烈的氧化還原化學反應，其本質是燃料與氧化劑之間發(fā)生的化學反應，在此過程中，燃料中的化學鍵被打破，與氧化劑重新結合形成新的化合物，同時釋放出大量的能量，主要以熱能和光能的形式表現(xiàn)出來。在廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐中，常用的燃料有天然氣、煤氣等，氧化劑一般為空氣。以天然氣（主要成分是甲烷CH_4）與空氣（主要成分是氮氣N_2和氧氣O_2）的燃燒反應為例，其主要化學反應方程式為：CH_4+2O_2\stackrel{??1???}{=\!=\!=}CO_2+2H_2O+Q其中，Q表示反應過程中釋放的熱量。在這個反應中，甲烷分子中的碳原子與氧原子結合生成二氧化碳，氫原子與氧原子結合生成水，同時伴隨著大量化學能轉化為熱能的過程。燃燒過程通?？梢苑譃槿齻€階段：著火階段、燃燒階段和燃盡階段。著火階段是燃燒反應的起始階段，在此階段，燃料與氧化劑需要吸收一定的能量，使燃料分子活化，達到著火溫度，從而引發(fā)燃燒反應。這個能量可以通過外部加熱、電火花等方式提供。對于不同的燃料，其著火溫度是不同的，例如，天然氣的著火溫度一般在537℃左右。當燃料達到著火溫度后，便進入燃燒階段。在燃燒階段，燃料與氧化劑迅速發(fā)生化學反應，產生高溫火焰，釋放出大量的熱量?；鹧娴臏囟群托螤钍艿蕉喾N因素的影響，如燃料與氧化劑的混合比例、流速、燃燒器的結構等。在理想情況下，燃料與氧化劑應按照化學計量比進行混合，以實現(xiàn)完全燃燒，此時燃燒效率最高，釋放的熱量也最多。然而，在實際的廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐中，由于各種因素的影響，很難實現(xiàn)完全的化學計量比混合，通常會存在一定的空氣過剩系數(shù)，以確保燃料能夠充分燃燒。燃盡階段是燃燒過程的最后階段，在此階段，燃燒產物中的未燃盡成分繼續(xù)與氧化劑發(fā)生反應，直至燃料基本完全燃燒。在這個階段，燃燒速度逐漸減慢，溫度也逐漸降低。為了保證燃料在燃盡階段能夠充分燃燒，需要提供足夠的反應時間和良好的混合條件，使未燃盡的燃料與氧化劑能夠充分接觸反應。燃燒過程中的能量轉化遵循熱力學第一定律，即能量守恒定律。在燃燒過程中，燃料的化學能轉化為熱能、機械能和光能等其他形式的能量。其中，熱能是最主要的能量形式，它通過熱傳導、對流和輻射等方式傳遞給周圍的物體，如廢鋼、爐壁等，從而實現(xiàn)對廢鋼的預熱。在廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐中，熱能傳遞到廢鋼上，使廢鋼的溫度升高，實現(xiàn)預熱目的；同時，部分熱能也會通過爐壁散失到周圍環(huán)境中，這部分能量損失會降低加熱爐的熱效率。因此，在設計和運行加熱爐時，需要采取有效的隔熱措施，減少熱能的散失，提高能源利用效率。2.3.2常見燃燒模型在廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐內燃燒過程的數(shù)值模擬中，常用的燃燒模型有渦耗散模型（Eddy-DissipationModel，EDM）和概率密度函數(shù)模型（ProbabilityDensityFunctionModel，PDF）等，它們各自具有獨特的特點和適用范圍。渦耗散模型基于湍流與化學反應相互作用的理論，認為化學反應速率主要取決于湍流的耗散率。該模型假設化學反應發(fā)生在湍流渦旋的最小尺度上，即Kolmogorov尺度。在渦耗散模型中，化學反應速率由湍流渦旋的破碎和混合過程控制，而不是由化學反應動力學本身控制。這是因為在實際的燃燒過程中，湍流的混合作用往往比化學反應動力學過程快得多，所以化學反應速率主要受湍流混合的限制。渦耗散模型的優(yōu)點是計算簡單、計算效率高，適用于快速化學反應的模擬。在廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐中，當燃料與空氣混合良好，燃燒反應迅速進行時，渦耗散模型能夠較好地模擬燃燒過程。例如，對于一些以天然氣為燃料的加熱爐，在燃燒器設計合理，燃料與空氣能夠快速混合的情況下，使用渦耗散模型可以得到較為準確的模擬結果。然而，渦耗散模型也存在一定的局限性，它忽略了化學反應動力學的影響，對于一些反應速率較慢、化學反應動力學起主導作用的燃燒過程，該模型的模擬結果可能不夠準確。概率密度函數(shù)模型則考慮了湍流流場中各變量的脈動對化學反應的影響。在湍流燃燒中，由于速度、溫度和組分濃度等變量存在脈動，這些脈動會對化學反應速率產生顯著影響。PDF模型通過引入概率密度函數(shù)來描述這些變量的脈動特性，從而更準確地模擬燃燒過程。該模型能夠考慮到化學反應動力學和湍流脈動的耦合作用，對于復雜的燃燒過程具有較好的模擬能力。PDF模型的優(yōu)點是能夠準確地描述燃燒過程中的混合和反應現(xiàn)象，適用于模擬各種復雜的燃燒工況，如非預混燃燒、部分預混燃燒等。在廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐中，當燃料與空氣的混合過程較為復雜，或者需要考慮燃燒過程中污染物的生成等情況時，PDF模型能夠提供更詳細和準確的模擬結果。例如，對于一些大型的廢鋼預熱加熱爐，由于燃燒空間較大，燃料與空氣的混合不均勻，使用PDF模型可以更好地模擬燃燒過程中的溫度分布、組分濃度分布以及污染物的生成情況。但是，PDF模型的計算過程相對復雜，計算成本較高，需要較大的計算資源和較長的計算時間。在實際應用中，需要根據(jù)具體的燃燒問題和計算條件選擇合適的燃燒模型。如果燃燒過程主要受湍流混合控制，且計算資源有限，渦耗散模型是一個較好的選擇；而對于復雜的燃燒工況，需要考慮湍流脈動和化學反應動力學的耦合作用時，PDF模型則更能準確地模擬燃燒過程。此外，還可以結合其他模型或實驗數(shù)據(jù)對模擬結果進行驗證和修正，以提高模擬的準確性和可靠性。2.4傳熱理論基礎2.4.1傳熱基本方式在廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐內，傳熱過程是實現(xiàn)廢鋼預熱的關鍵環(huán)節(jié)，主要通過傳導、對流和輻射三種基本方式進行，它們各自具有獨特的原理和特點，在不同的條件下對傳熱過程發(fā)揮著重要作用。熱傳導是指在物體內部或相互接觸的物體之間，由于分子、原子或自由電子等微觀粒子的熱運動而引起的熱量傳遞現(xiàn)象。其本質是微觀粒子的動能傳遞，高溫區(qū)域的粒子具有較高的動能，通過與相鄰粒子的碰撞，將能量傳遞給低溫區(qū)域的粒子，從而實現(xiàn)熱量從高溫向低溫的傳遞。在廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐中，熱傳導主要發(fā)生在固體材料內部，如爐壁、廢鋼自身等。例如，爐壁在吸收了燃燒產生的熱量后，通過熱傳導將熱量傳遞到爐壁的另一側，進而影響爐內的溫度分布。傅里葉定律是描述熱傳導現(xiàn)象的基本定律，其數(shù)學表達式為：q=-k\frac{\partialT}{\partialx}其中，q為熱流密度，單位為W/m^2，表示單位時間內通過單位面積傳遞的熱量；k為熱導率，單位為W/(m\cdotK)，是材料的固有屬性，反映了材料傳導熱量的能力，熱導率越大，材料傳導熱量就越容易；\frac{\partialT}{\partialx}為溫度梯度，表示溫度在x方向上的變化率，負號表示熱量傳遞方向與溫度升高方向相反。不同材料的熱導率差異很大，例如，金屬的熱導率通常較高，銅的熱導率約為401W/(m\cdotK)，這使得金屬在熱傳導方面表現(xiàn)出色，能夠快速地傳遞熱量；而絕緣材料的熱導率則很低，如巖棉的熱導率約為0.03-0.04W/(m\cdotK)，常用于隔熱保溫，減少熱量的散失。熱對流是指由于流體（液體或氣體）的宏觀運動而引起的熱量傳遞現(xiàn)象。它是流體中熱量傳遞的主要方式之一，與流體的流動狀態(tài)密切相關。在廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐中，熱對流主要發(fā)生在爐內的氣體與廢鋼、爐壁之間。當燃燒產生的高溫氣體在爐內流動時，會與廢鋼表面和爐壁進行熱交換，將熱量傳遞給廢鋼和爐壁。熱對流可以分為自然對流和強制對流兩種類型。自然對流是由于流體內部的溫度差引起密度差異，從而導致流體的自然流動，進而實現(xiàn)熱量傳遞。例如，在加熱爐內，靠近爐壁的氣體受熱膨脹，密度減小，會向上流動，而周圍較冷的氣體則會補充過來，形成自然對流。強制對流則是通過外力（如風機、泵等）作用使流體流動，從而增強熱量傳遞。在廢鋼預熱系統(tǒng)中，通常會采用風機等設備來強制氣體流動，提高熱對流的強度，增強傳熱效果。牛頓冷卻定律是描述熱對流現(xiàn)象的基本定律，其表達式為：q=h(T_w-T_f)其中，h為對流換熱系數(shù)，單位為W/(m^2\cdotK)，它綜合反映了流體的物性、流動狀態(tài)以及換熱表面的幾何形狀等因素對對流換熱的影響，對流換熱系數(shù)越大，對流換熱效果越好；T_w為壁面溫度，T_f為流體溫度。對流換熱系數(shù)的大小受到多種因素的影響，如流體的流速、溫度、粘度、比熱容等，以及換熱表面的粗糙度、形狀和尺寸等。在實際應用中，通常需要通過實驗或經驗公式來確定對流換熱系數(shù)的值。熱輻射是指物體通過電磁波的形式向外傳遞能量的過程，這種能量傳遞不需要任何介質，可以在真空中進行。在廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐中，熱輻射是一種重要的傳熱方式，尤其是在高溫環(huán)境下，熱輻射的作用更為顯著。爐內的高溫火焰、高溫氣體以及爐壁等都可以向外輻射熱量，這些輻射能被廢鋼吸收后，會使廢鋼的溫度升高。與傳導和對流不同，熱輻射不僅與物體的溫度有關，還與物體的表面特性（如發(fā)射率、吸收率等）密切相關。斯蒂芬-玻爾茲曼定律是描述熱輻射現(xiàn)象的基本定律，其表達式為：q=\varepsilon\sigmaT^4其中，\varepsilon為物體的發(fā)射率，它表示物體表面發(fā)射輻射能的能力，其值介于0到1之間，發(fā)射率越大，物體發(fā)射輻射能的能力越強；\sigma為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，其值約為5.67\times10^{-8}W/(m^2\cdotK^4)；T為物體的絕對溫度。不同物體的發(fā)射率不同，例如，黑體的發(fā)射率為1，它能夠完全吸收和發(fā)射輻射能，是一種理想的輻射體；而實際物體的發(fā)射率通常小于1，如金屬表面的發(fā)射率一般在0.2-0.6之間，而陶瓷、耐火材料等的發(fā)射率則相對較高，在0.8-0.95之間。在廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐內，這三種傳熱方式往往不是單獨存在的，而是相互關聯(lián)、相互影響，共同構成了復雜的傳熱過程。在實際的數(shù)值模擬和分析中，需要綜合考慮這三種傳熱方式的作用，才能準確地描述加熱爐內的傳熱現(xiàn)象，為廢鋼預熱系統(tǒng)的優(yōu)化設計和運行提供可靠的依據(jù)。2.4.2傳熱模型在廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐內傳熱過程的數(shù)值模擬中，需要借助各種傳熱模型來準確描述熱量的傳遞過程。這些傳熱模型基于傳熱學的基本原理和相關理論，通過數(shù)學方程的形式來表達傳熱過程中的物理現(xiàn)象和規(guī)律。對于熱傳導，常用的模型是基于傅里葉定律建立的導熱微分方程。在三維直角坐標系下，對于各向同性的固體材料，導熱微分方程的一般形式為：\rhoc_p\frac{\partialT}{\partialt}=\frac{\partial}{\partialx}(k\frac{\partialT}{\partialx})+\frac{\partial}{\partialy}(k\frac{\partialT}{\partialy})+\frac{\partial}{\partialz}(k\frac{\partialT}{\partialz})+S其中，\rho為材料密度，c_p為定壓比熱容，t為時間，x、y、z為空間坐標，S為內熱源項，表示單位體積內的熱源強度，如在一些特殊情況下，廢鋼內部可能存在化學反應釋放熱量，此時S就不為零。該方程綜合考慮了材料的熱物性參數(shù)（密度、比熱容、熱導率）以及時間和空間上的溫度變化，能夠準確描述固體材料內部的熱傳導過程。在實際應用中，根據(jù)具體問題的特點和邊界條件，可以對該方程進行簡化和求解。例如，對于穩(wěn)態(tài)導熱問題，即溫度不隨時間變化的情況，\frac{\partialT}{\partialt}=0，方程可簡化為：\frac{\partial}{\partialx}(k\frac{\partialT}{\partialx})+\frac{\partial}{\partialy}(k\frac{\partialT}{\partialy})+\frac{\partial}{\partialz}(k\frac{\partialT}{\partialz})+S=0對于一維導熱問題，如在簡單的平板導熱或圓柱導熱中，可進一步簡化方程，采用相應的求解方法得到溫度分布。在熱對流方面，常用的模型是基于牛頓冷卻定律建立的對流換熱模型。在實際的加熱爐中，爐內氣體與廢鋼、爐壁之間的對流換熱過程較為復雜，涉及到流體的流動特性、傳熱系數(shù)的確定等問題。為了準確描述對流換熱過程，通常需要結合計算流體力學（CFD）方法，求解流體的速度場、溫度場等參數(shù)，進而確定對流換熱系數(shù)。在CFD模擬中，通過求解連續(xù)性方程、動量守恒方程和能量守恒方程等控制方程，得到流體的流動狀態(tài)和溫度分布。然后，根據(jù)對流換熱的相關理論和經驗公式，計算對流換熱系數(shù)。例如，對于強制對流換熱，常用的經驗公式有Dittus-Boelter公式：Nu=0.023Re^{0.8}Pr^{n}其中，Nu為努塞爾數(shù)，它是對流換熱系數(shù)與熱導率的無量綱組合，反映了對流換熱的強度；Re為雷諾數(shù)，用于判斷流體的流動狀態(tài)，Re=\frac{\rhovL}{\mu}，其中v為流體流速，L為特征長度，\mu為流體粘度；Pr為普朗特數(shù)，它反映了流體的動量擴散和熱量擴散的相對大小，Pr=\frac{\muc_p}{k}；n為與流體加熱或冷卻方式有關的常數(shù)，對于被加熱的流體，n=0.4，對于被冷卻的流體，n=0.3。通過這些公式和CFD模擬結果，可以計算出對流換熱系數(shù)，進而將其應用到對流換熱模型中，描述熱對流過程中的熱量傳遞。熱輻射模型在廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐的傳熱模擬中也起著重要作用，尤其是在高溫環(huán)境下，熱輻射的貢獻不可忽視。常用的熱輻射模型有離散坐標法（DOM）、P1模型、Rosseland模型等。離散坐標法是一種較為精確的熱輻射模型，它將空間中的輻射方向離散化為有限個方向，通過求解輻射傳遞方程來計算輻射強度在各個方向上的分布。輻射傳遞方程的一般形式為：\frac{dI_{\lambda}(\vec{r},\vec{s})}{ds}=-\kappa_{\lambda}I_{\lambda}(\vec{r},\vec{s})+\kappa_{\lambda}n^2\frac{\sigmaT^4}{\pi}+\frac{\sigma_{\lambda}}{4\pi}\int_{4\pi}I_{\lambda}(\vec{r},\vec{s}')\Phi(\vec{s},\vec{s}')d\Omega'其中，I_{\lambda}(\vec{r},\vec{s})為在位置\vec{r}處沿方向\vec{s}的單色輻射強度，\kappa_{\lambda}為吸收系數(shù)，\sigma_{\lambda}為散射系數(shù)，n為介質的折射率，\Phi(\vec{s},\vec{s}')為散射相函數(shù)，表示散射方向的分布，d\Omega'為立體角微元。離散坐標法能夠考慮到輻射在不同方向上的傳播和散射情況，對于復雜的幾何形狀和輻射環(huán)境具有較好的適應性，但計算量相對較大。P1模型是一種簡化的輻射模型，它基于輻射強度的球諧函數(shù)展開，將輻射傳遞方程簡化為一組關于輻射熱流密度的方程。P1模型在計算精度和計算效率之間取得了較好的平衡，適用于一些對計算精度要求不是特別高，但需要快速得到結果的情況。Rosseland模型則主要適用于光學厚度較大的介質，它通過引入Rosseland平均吸收系數(shù)，將輻射傳遞方程簡化為一個擴散方程，計算相對簡單，但適用范圍相對較窄。在實際的數(shù)值模擬中，需要根據(jù)加熱爐的具體情況和計算要求，選擇合適的傳熱模型。例如，對于爐內溫度分布要求較高精度的模擬，可能需要采用離散坐標法來準確描述熱輻射過程；而對于一些初步的分析或計算資源有限的情況，可以選擇P1模型或其他簡化模型。同時，還需要考慮不同傳熱模型之間的耦合關系，以及與燃燒模型、流體流動模型等的協(xié)同作用，以全面、準確地模擬廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐內的傳熱過程。三、廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐模型建立3.1加熱爐結構與工作原理3.1.1加熱爐結構特點本研究中的廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐主要由爐膛、燃燒器、廢鋼放置區(qū)域、爐壁以及相關的管道和附屬設備等部分構成。爐膛是加熱爐的核心空間，其形狀和尺寸對燃燒與傳熱過程有著顯著影響。本加熱爐爐膛采用長方體結構，內部空間寬敞，長[X]米，寬[X]米，高[X]米，這種結構設計有利于燃料與空氣的充分混合以及煙氣的均勻流動，為廢鋼的預熱提供了良好的空間條件。爐膛內部表面鋪設了一層高性能的耐火材料，其主要作用是減少熱量散失，提高加熱爐的熱效率。耐火材料通常選用陶瓷纖維、高鋁磚等，這些材料具有低導熱率、高熔點和良好的熱穩(wěn)定性等特性，能夠有效阻擋熱量從爐膛內部向外部傳遞，確保大部分熱量用于廢鋼的預熱。燃燒器是實現(xiàn)燃料燃燒的關鍵設備，其性能和布置方式直接決定了燃燒的效果和爐膛內的溫度分布。本加熱爐配備了[X]個燃燒器，均勻分布在爐膛的底部兩側。燃燒器采用先進的低氮燃燒技術，能夠實現(xiàn)燃料與空氣的精確配比和充分混合，從而提高燃燒效率，降低氮氧化物等污染物的排放。每個燃燒器的燃料入口連接燃料供應管道，空氣入口則與空氣輸送管道相連，通過調節(jié)燃料和空氣的流量控制閥，可以精確控制燃料與空氣的混合比例，以適應不同的生產工況和廢鋼預熱需求。廢鋼放置區(qū)域位于爐膛內部的中下部，是廢鋼進行預熱的場所。該區(qū)域設置了專門的廢鋼承載裝置，如格柵板或鏈式輸送機等，以確保廢鋼能夠穩(wěn)定放置，并在預熱過程中與高溫煙氣充分接觸。廢鋼的堆放方式和堆積密度對傳熱效果有重要影響，因此在實際操作中，需要根據(jù)廢鋼的種類和形狀，合理調整堆放方式，以提高廢鋼與煙氣之間的換熱面積和換熱效率。例如，對于形狀不規(guī)則的廢鋼，可以采用分層交錯堆放的方式，增加廢鋼之間的空隙，促進煙氣的流通和熱量傳遞；對于輕薄型廢鋼，可以適當增加堆積密度，但要注意避免廢鋼堆積過密導致煙氣無法充分穿透，影響預熱效果。爐壁是加熱爐的外殼，不僅起到保護內部設備和人員安全的作用，還對熱量的保持和散失有著重要影響。爐壁由多層結構組成，內層為耐火層，中間為保溫層，外層為鋼板。耐火層采用與爐膛內部相同的耐火材料，能夠承受高溫煙氣的侵蝕；保溫層則選用巖棉、玻璃棉等保溫材料，其具有極低的導熱率，能夠有效阻止熱量從爐壁散失到周圍環(huán)境中；外層的鋼板則提供了結構強度和防護功能，確保加熱爐在惡劣的工作環(huán)境下能夠穩(wěn)定運行。此外，加熱爐還配備了一系列的管道和附屬設備，如燃料輸送管道、空氣輸送管道、廢氣排放管道、溫度傳感器、壓力傳感器等。燃料輸送管道將燃料從儲存罐輸送到燃燒器，管道上安裝有流量調節(jié)閥、壓力傳感器等設備，用于精確控制燃料的流量和壓力；空氣輸送管道則將空氣從風機輸送到燃燒器，同樣配備了相應的調節(jié)和監(jiān)測設備；廢氣排放管道用于排出燃燒產生的廢氣，管道上安裝有廢氣凈化裝置，如布袋除塵器、脫硫脫硝設備等，以減少廢氣對環(huán)境的污染；溫度傳感器和壓力傳感器分布在爐膛內的不同位置，實時監(jiān)測爐膛內的溫度和壓力變化，為加熱爐的控制和優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。3.1.2工作原理廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐的工作原理基于燃料的燃燒反應以及熱量的傳遞過程。在加熱爐運行時，燃料（如天然氣、煤氣等）通過燃料輸送管道被輸送到燃燒器，同時，空氣通過空氣輸送管道被引入燃燒器。在燃燒器內，燃料與空氣按照一定的比例混合后，被點燃發(fā)生劇烈的燃燒反應。以天然氣為例，其主要成分甲烷（CH_4）與空氣中的氧氣（O_2）發(fā)生化學反應，生成二氧化碳（CO_2）和水（H_2O），并釋放出大量的熱能，化學反應方程式如下：CH_4+2O_2\stackrel{??1???}{=\!=\!=}CO_2+2H_2O+Q其中，Q表示反應過程中釋放的熱量。這些熱量以高溫煙氣的形式存在于爐膛內，使爐膛內的溫度迅速升高。高溫煙氣在爐膛內的流動過程中，通過傳導、對流和輻射三種傳熱方式將熱量傳遞給廢鋼。熱傳導主要發(fā)生在廢鋼內部以及廢鋼與承載裝置之間，由于廢鋼和承載裝置通常為固體材料，分子間的距離較小，熱量通過分子的熱振動進行傳遞。熱對流則是高溫煙氣與廢鋼表面之間的熱量傳遞方式，高溫煙氣在流動過程中與廢鋼表面接觸，將熱量傳遞給廢鋼，使廢鋼表面溫度升高。同時，廢鋼表面的熱量又通過熱傳導向廢鋼內部傳遞，從而實現(xiàn)廢鋼整體溫度的升高。熱輻射是指高溫煙氣和爐膛內的高溫部件（如爐壁、燃燒器等）以電磁波的形式向廢鋼輻射能量，廢鋼吸收這些輻射能后溫度升高。在高溫環(huán)境下，熱輻射在傳熱過程中起著重要作用，尤其是當廢鋼與高溫煙氣之間存在一定距離時，熱輻射成為主要的傳熱方式。在傳熱過程中，廢鋼與高溫煙氣之間的溫度差是熱量傳遞的驅動力。溫度差越大，傳熱速率越快。同時，廢鋼的表面積、形狀、堆放方式以及煙氣的流速、溫度等因素也會對傳熱效率產生影響。例如，增加廢鋼的表面積可以提高傳熱效率，因為更大的表面積意味著廢鋼與高溫煙氣之間有更多的接觸面積，能夠更充分地進行熱量交換；合理調整煙氣的流速可以優(yōu)化傳熱效果，適當提高煙氣流速可以增強對流傳熱，但流速過高可能會導致煙氣在爐膛內停留時間過短，無法充分將熱量傳遞給廢鋼。隨著熱量的不斷傳遞，廢鋼的溫度逐漸升高，實現(xiàn)預熱的目的。當廢鋼達到預定的預熱溫度后，通過相應的輸送裝置將其輸送至電爐進行后續(xù)的煉鋼工藝。在整個工作過程中，加熱爐的控制系統(tǒng)通過溫度傳感器和壓力傳感器實時監(jiān)測爐膛內的溫度和壓力變化，并根據(jù)預設的參數(shù)自動調節(jié)燃料和空氣的流量，以確保燃燒過程的穩(wěn)定和廢鋼預熱溫度的均勻性。如果爐膛內溫度過高，控制系統(tǒng)會自動減少燃料流量或增加空氣流量，降低燃燒強度；反之，如果溫度過低，則會增加燃料流量或減少空氣流量，提高燃燒強度。通過這種精確的控制方式，能夠保證加熱爐高效、穩(wěn)定地運行，為電爐煉鋼提供高質量的預熱廢鋼。3.2幾何模型構建3.2.1模型簡化與假設為了便于進行數(shù)值模擬，對實際的廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐進行了合理的簡化和假設：忽略次要結構：在構建幾何模型時，去除了加熱爐中一些對燃燒與傳熱過程影響較小的次要結構，如管道的微小彎曲、附屬設備的連接件等。這些結構雖然在實際設備中存在，但它們對整體的燃燒和傳熱過程影響甚微，忽略它們可以大大簡化模型的復雜度，提高計算效率，同時又不會對模擬結果的準確性產生顯著影響。假設材料均勻性：假設爐壁、廢鋼以及耐火材料等固體材料的物理性質是均勻且各向同性的。在實際情況中，材料的物理性質可能存在一定的差異和不均勻性，但在數(shù)值模擬的初步階段，這種假設可以使計算過程更加簡便，同時也能為后續(xù)更精確的模擬提供基礎。例如，爐壁的材料可能在制造過程中存在一定的密度和熱導率的波動，但在本模型中假設其密度和熱導率為固定的平均值，以簡化計算。穩(wěn)態(tài)假設：在初始的模擬分析中，假設加熱爐處于穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)，即燃燒過程和傳熱過程達到穩(wěn)定，各項參數(shù)（如溫度、速度、濃度等）不隨時間變化。這一假設有助于簡化計算，快速得到加熱爐內燃燒與傳熱的基本規(guī)律和分布特征。在實際運行中，加熱爐可能會經歷啟動、調節(jié)和停止等動態(tài)過程，但穩(wěn)態(tài)假設可以先給出一個較為理想的基本情況，為后續(xù)研究動態(tài)過程提供對比和參考。后續(xù)研究可以進一步考慮動態(tài)過程，通過非穩(wěn)態(tài)模擬來更全面地了解加熱爐的運行特性。忽略氣體壓縮性：考慮到爐內氣體的流速相對較低，壓力變化較小，假設爐內氣體為不可壓縮流體。在實際的燃燒過程中，氣體的密度會隨著溫度和壓力的變化而發(fā)生改變，但在本研究的工況條件下，這種變化對燃燒和傳熱過程的影響較小，忽略氣體的壓縮性可以簡化控制方程的求解過程，提高計算效率。均勻混合假設：假設燃料與空氣在進入燃燒器之前已經充分混合均勻，不考慮燃料與空氣在混合過程中的擴散和湍流效應。雖然在實際的燃燒過程中，燃料與空氣的混合過程較為復雜，存在著擴散、湍流等現(xiàn)象，但在本模型中為了簡化計算，先假設它們在進入燃燒器前已經達到均勻混合狀態(tài)，后續(xù)可以進一步研究混合過程對燃燒和傳熱的影響。通過以上簡化和假設，既能夠在一定程度上準確地反映加熱爐內的燃燒與傳熱過程，又能有效降低計算的復雜性，提高模擬的可行性和效率。在后續(xù)的研究中，可以根據(jù)需要逐步放寬這些假設，引入更復雜的物理模型和實際因素，以進一步提高模擬結果的準確性和可靠性。3.2.2幾何模型建立利用三維建模軟件SolidWorks進行加熱爐幾何模型的建立。首先，根據(jù)實際加熱爐的設計圖紙和尺寸參數(shù)，確定爐膛的長、寬、高分別為[X]米、[X]米、[X]米，按照長方體的形狀繪制爐膛的主體結構。在繪制過程中，嚴格按照實際比例進行建模，確保模型的幾何形狀與實際加熱爐一致。接著，在爐膛底部兩側按照均勻分布的原則添加燃燒器模型。根據(jù)實際燃燒器的結構和尺寸，在軟件中創(chuàng)建燃燒器的三維模型，包括燃料入口、空氣入口以及噴口等關鍵部件。每個燃燒器的燃料入口直徑為[X]毫米，空氣入口直徑為[X]毫米，噴口直徑為[X]毫米，通過精確的尺寸設定和位置定位，保證燃燒器在爐膛中的布置與實際情況相符。然后，在爐膛內部的中下部創(chuàng)建廢鋼放置區(qū)域。根據(jù)實際的廢鋼承載裝置，如格柵板或鏈式輸送機的結構和尺寸，在模型中構建相應的承載結構，并在承載結構上按照一定的堆放方式和堆積密度放置廢鋼模型?？紤]到廢鋼的形狀不規(guī)則，為了更真實地模擬廢鋼的堆放情況，采用隨機生成的方式創(chuàng)建不同形狀和尺寸的廢鋼塊，并按照一定的規(guī)律進行堆放，以保證廢鋼在放置區(qū)域內的分布具有一定的隨機性和代表性。最后，添加爐壁模型。爐壁采用多層結構，內層為耐火層，厚度為[X]毫米，選用陶瓷纖維作為耐火材料；中間為保溫層，厚度為[X]毫米，采用巖棉作為保溫材料；外層為鋼板，厚度為[X]毫米。在SolidWorks中，通過分層繪制的方式構建爐壁的多層結構模型，并確保各層之間的連接緊密，符合實際的爐壁結構。完成加熱爐各部分結構的建模后，對整個模型進行檢查和修正，確保模型的幾何形狀、尺寸以及各部件之間的連接關系準確無誤。通過SolidWorks的裝配功能，將爐膛、燃燒器、廢鋼放置區(qū)域和爐壁等各個部件進行組裝，形成完整的加熱爐幾何模型。圖2展示了最終建立的廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐幾何模型，從圖中可以清晰地看到加熱爐的各個組成部分及其相對位置關系。該幾何模型為后續(xù)的網(wǎng)格劃分和數(shù)值模擬提供了準確的幾何基礎。3.3網(wǎng)格劃分3.3.1網(wǎng)格劃分方法選擇在對廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐進行數(shù)值模擬時，網(wǎng)格劃分是至關重要的環(huán)節(jié)，它直接影響到計算結果的準確性和計算效率。常見的網(wǎng)格劃分方法有結構化網(wǎng)格、非結構化網(wǎng)格和混合網(wǎng)格，每種方法都有其獨特的特點和適用場景，需根據(jù)加熱爐的幾何形狀和計算要求進行合理選擇。結構化網(wǎng)格是一種規(guī)則的網(wǎng)格劃分方式，其網(wǎng)格單元在空間上具有一定的排列規(guī)律，通常由六面體單元組成。結構化網(wǎng)格的優(yōu)點在于網(wǎng)格質量高，節(jié)點分布均勻，計算精度較高，并且在數(shù)值計算過程中，離散方程的形式較為簡單，計算效率高。在一些簡單幾何形狀的模擬中，如長方體形狀的爐膛，如果采用結構化網(wǎng)格劃分，可以方便地生成規(guī)則的六面體網(wǎng)格，使網(wǎng)格與爐膛的邊界貼合良好，從而準確地捕捉爐膛內的物理現(xiàn)象。此外，結構化網(wǎng)格在處理邊界條件時相對簡單，能夠快速準確地施加邊界條件，減少計算誤差。然而，結構化網(wǎng)格的局限性在于對復雜幾何形狀的適應性較差。對于廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐來說，其內部結構復雜，存在燃燒器、廢鋼放置區(qū)域等不規(guī)則形狀，使用結構化網(wǎng)格劃分時，需要對模型進行大量的簡化和處理，否則難以生成高質量的網(wǎng)格，甚至可能無法生成網(wǎng)格。非結構化網(wǎng)格則是一種更加靈活的網(wǎng)格劃分方式，它可以適應各種復雜的幾何形狀。非結構化網(wǎng)格的單元形狀多樣，包括四面體、三角形、金字塔形等。在廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐的模擬中，對于燃燒器、廢鋼等復雜形狀的部件，非結構化網(wǎng)格能夠根據(jù)部件的幾何形狀自動生成貼合邊界的網(wǎng)格，無需對模型進行過多的簡化。例如，對于形狀不規(guī)則的廢鋼塊，非結構化網(wǎng)格可以精確地捕捉其表面的幾何特征，生成合適的網(wǎng)格，從而更準確地模擬廢鋼與周圍流體的相互作用。此外，非結構化網(wǎng)格在局部加密方面具有優(yōu)勢，可以根據(jù)需要在關鍵區(qū)域（如燃燒器附近、廢鋼與煙氣接觸的表面等）進行網(wǎng)格加密，提高計算精度，而在其他區(qū)域適當減少網(wǎng)格數(shù)量，以控制計算成本。但是，非結構化網(wǎng)格也存在一些缺點，由于其網(wǎng)格單元形狀不規(guī)則，節(jié)點分布不均勻，導致離散方程的形式較為復雜，計算量較大，計算效率相對較低。而且，非結構化網(wǎng)格的質量控制相對困難，容易出現(xiàn)網(wǎng)格畸變等問題，影響計算結果的準確性?；旌暇W(wǎng)格則結合了結構化網(wǎng)格和非結構化網(wǎng)格的優(yōu)點，在模型的不同區(qū)域采用不同類型的網(wǎng)格。對于廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐，通常在爐膛等規(guī)則形狀的區(qū)域采用結構化網(wǎng)格，以提高計算效率和精度；而在燃燒器、廢鋼等復雜形狀的區(qū)域采用非結構化網(wǎng)格，以適應復雜的幾何形狀。例如，在爐膛的主體部分，由于其形狀規(guī)則，采用結構化六面體網(wǎng)格可以保證網(wǎng)格質量和計算效率；而在燃燒器的噴口附近以及廢鋼的表面，采用非結構化四面體網(wǎng)格，能夠更好地貼合這些復雜的幾何邊界，準確模擬燃燒和傳熱過程?；旌暇W(wǎng)格的劃分方式既能夠充分發(fā)揮結構化網(wǎng)格和非結構化網(wǎng)格的優(yōu)勢，又能避免它們各自的缺點，在保證計算精度的同時，有效控制計算成本。綜合考慮廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐的復雜幾何形狀和計算精度要求，本研究選擇混合網(wǎng)格劃分方法。在爐膛的主體部分，采用結構化六面體網(wǎng)格進行劃分，確保網(wǎng)格的質量和計算效率；在燃燒器、廢鋼放置區(qū)域等復雜部位，采用非結構化四面體網(wǎng)格進行精細劃分，以準確捕捉這些區(qū)域的物理現(xiàn)象。通過這種混合網(wǎng)格劃分方法，能夠在保證計算精度的前提下，有效提高計算效率，為后續(xù)的數(shù)值模擬提供可靠的網(wǎng)格基礎。3.3.2網(wǎng)格質量檢查與優(yōu)化在完成網(wǎng)格劃分后，需要對網(wǎng)格質量進行嚴格檢查，以確保網(wǎng)格滿足數(shù)值計算的要求。常用的網(wǎng)格質量檢查指標包括網(wǎng)格正交性、網(wǎng)格長寬比、雅克比行列式等。網(wǎng)格正交性是衡量網(wǎng)格單元邊與邊之間夾角接近90度的程度。正交性越好，網(wǎng)格在數(shù)值計算中的穩(wěn)定性越高，計算誤差越小。對于結構化網(wǎng)格，由于其規(guī)則的排列方式，通常具有較好的正交性；但對于非結構化網(wǎng)格，特別是在復雜幾何形狀區(qū)域，正交性可能較差。在本研究中，使用網(wǎng)格生成軟件自帶的工具對網(wǎng)格正交性進行檢查，確保大部分網(wǎng)格的正交性角度在合理范圍內。一般來說，要求網(wǎng)格的最小正交性角度不小于一定值，如30度，以保證網(wǎng)格在數(shù)值計算中的穩(wěn)定性。網(wǎng)格長寬比是指網(wǎng)格單元最長邊與最短邊的長度比值。較小的長寬比意味著網(wǎng)格單元形狀更加規(guī)則，有利于提高計算精度。在實際計算中，對于不同類型的網(wǎng)格單元，對長寬比的要求也有所不同。例如，對于六面體網(wǎng)格，通常要求長寬比不超過一定數(shù)值，如10；對于四面體網(wǎng)格，由于其形狀的特殊性，長寬比的允許范圍相對較大，但也應盡量控制在合理范圍內，如20以內。在檢查網(wǎng)格長寬比時，若發(fā)現(xiàn)部分網(wǎng)格的長寬比過大，需要對這些網(wǎng)格進行優(yōu)化處理，以保證計算結果的準確性。雅克比行列式是用于衡量網(wǎng)格單元在空間變形程度的指標。在數(shù)值計算中，雅克比行列式的值應保持在一定范圍內，以確保計算的穩(wěn)定性和準確性。一般來說，雅克比行列式的值應大于零且不超過一定的上限值，如10。如果雅克比行列式的值出現(xiàn)異常，如為負數(shù)或過大，說明網(wǎng)格存在嚴重的畸變，需要對網(wǎng)格進行調整或重新劃分。針對檢查中發(fā)現(xiàn)的網(wǎng)格質量問題，采取相應的優(yōu)化方法。對于正交性較差的網(wǎng)格，可以通過調整網(wǎng)格節(jié)點的位置，使網(wǎng)格邊之間的夾角更加接近90度，從而提高網(wǎng)格的正交性。例如，在非結構化網(wǎng)格區(qū)域，可以使用網(wǎng)格優(yōu)化工具對節(jié)點進行微調，改善網(wǎng)格的正交性。對于長寬比過大的網(wǎng)格，可以采用局部加密或細化的方法，將大長寬比的網(wǎng)格單元分割成多個較小的網(wǎng)格單元，減小長寬比。在燃燒器附近或廢鋼表面等關鍵區(qū)域，如果發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格長寬比過大，可以對這些區(qū)域進行局部網(wǎng)格加密，重新劃分網(wǎng)格，以滿足計算精度的要求。對于雅克比行列式異常的網(wǎng)格，需要對網(wǎng)格進行重新劃分或調整，確保網(wǎng)格形狀的合理性。在重新劃分網(wǎng)格時，可以嘗試改變網(wǎng)格劃分的參數(shù)和方法，如調整網(wǎng)格生成的算法、增加網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量等，以獲得質量更好的網(wǎng)格。通過嚴格的網(wǎng)格質量檢查和優(yōu)化，確保了所劃分的混合網(wǎng)格在廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐的數(shù)值模擬中具有良好的質量，能夠準確地模擬加熱爐內的燃燒與傳熱過程，為后續(xù)的數(shù)值計算和結果分析提供可靠的基礎。3.4數(shù)值計算模型與邊界條件設定3.4.1數(shù)值計算模型選擇在對廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐內燃燒與傳熱過程進行數(shù)值模擬時，需要選擇合適的數(shù)值計算模型來準確描述其中復雜的物理現(xiàn)象。對于燃燒過程，考慮到加熱爐內燃料與空氣的混合和燃燒過程較為復雜，涉及湍流與化學反應的相互作用，本研究選擇渦耗散模型（Eddy-DissipationModel，EDM）來模擬燃燒過程。渦耗散模型基于湍流耗散理論，認為化學反應速率主要取決于湍流的耗散率，能夠較好地描述快速化學反應的情況。在廢鋼預熱系統(tǒng)加熱爐中，燃料與空氣在燃燒器內混合后迅速燃燒，符合渦耗散模型的適用條件。該模型假設化學反應發(fā)生在湍流渦旋的最小尺度上，通過求解湍流的相關參數(shù)來確定化學反應速率，從而能夠有效模擬燃燒過程中火焰的形狀、溫度分布以及燃燒產物的生成和分布情況。在傳熱過程方面，需要綜合考慮傳導、對流和輻射三種傳熱方式。對于熱傳導，采用基于傅里葉定律的導熱模型，該模型能夠準確描述固體材料內部的熱量傳遞，在加熱爐的爐壁、廢鋼等固體部件中，熱傳導是重要的傳熱方式之一。在爐壁中，熱量通過熱傳導從高溫側傳遞到低溫側，影響爐內的溫度分布；在廢鋼中，熱傳導使熱量在廢鋼內部擴散，實現(xiàn)廢鋼整體溫度的升高。對于熱對流，結合計算流體力學（CFD）方法，通過求解流體的連續(xù)性方程、動量守恒方程和能量守恒方程，確定流體的速度場和溫