摘要：本文对当前国内工业炉设计中计算流体力学方法(CFD)的应用情况进行的汇总分析，认为将CFD技术引入工业炉设计，可以大大提高设计效率和设计质量，优化供热，降低排放。目前CFD技术在工业炉开发中应用尚处于起步阶段，需要国家相关政策积极推进。
关键词：CFD；工业炉；设计；研究
一、引言
在最近三十年间，计算流体力学(CFD)技术得到了飞速发展。工业炉是工业生产特别是钢铁行业中的耗能和排放大户。降低工业炉燃耗，提高加热质量，减少NOx等有害物质排放是研究人员孜孜以求的目标。在工业炉设计中引入CFD技术，可以减少设计失误和实验研究所消耗的费用和时间，预测炉内气流、温度、污染物等分布，结合相应的优化技术对各项指标进行最优化计算，以达到高效低排放的目标。
目前，国内已经有一些科研机构和企业公司在工业炉研究设计中运用了CFD技术，获得了良好的效果。目前的应用范围主要在以下几个方面：炉内流场的仿真和优化；炉内传热的仿真和优化；炉内化学反应过程的研究；新型燃烧技术研究；全炉仿真模拟。
二、CFD技术在工业炉设计中的应用
1、炉内流场的仿真和优化
利用CFD技术模拟了层流水冷系统中层流冷却装置内部流场和冷却水自由下落后的外部流场，并通过对仿真流场的分析，优化设计了冷却装置内部结构，精确地确定了控制冷却数学模型中强迫对流宽度值，为提高控冷系统的控制精度奠定了基础。
利用大型计算软件建立辊底式热处理炉均热段流场的数学模型，采用k-ξ紊流模型数值模拟炉内的湍流流动，获得炉内冷态条件下的气体流动，流速的分布规律，并根据不同的炉子结构尺寸以及边界条件下得出的流场分布图，对该类炉型进行结构优化及操作改良，调整了炉内的气流分布，使炉内流场分布更加均匀，同时大大减小了能耗，降低了机械磨损。
2、炉内传热的仿真和优化
阐述了管式裂解炉辐射室管外传热模型在管式工业裂解炉设计中的重要意义，对管式裂解炉管外传热模型的发展历程和现状进行了综述，对目前应用的管式裂解炉辐射室管外传热模型进行了详细的介绍(如区域法、蒙特卡洛法、热通量法和流体力学计算法)，总结了各类模型的优缺点，对各类模型的计算精度进行了比较，指出多维模型与流体力学计算法相结合用于工业裂解炉的设计，是管式裂解炉辐射室管外传热模型的重要发展方向。
借助CFD商业软件CFX，考虑流动、辐射、燃烧等，对宝钢环形加热炉的热工过程进行了数值模拟，得到了炉膛内的温度、速度矢量等热工参数的分布图。通过简化处理，对环形加热炉各控制段内的加热过程进行了模拟分析，并根据所得到的管坯表面辐射热流、热电偶温度及管坯表面温度研究了各个段总括热吸收率的分布情况，主要分析了总括热吸收率在管坯圆周方向、长度方向以及各个段之间的变化规律。
3、炉内化学反应过程的研究
基于计算燃烧学的原理和CFD软件对燃烧重油的焙烧炉炉内的流动和燃烧过程进行了数值模拟计算，讨论了炉内温度场、流场的分布规律，分析了结构因素对焙烧炉内流动和燃烧分布的影响。从炉子结构的设计角度提出了解决炉内温度场、流场的分布不均匀的方案。研究表明，在设计焙烧炉时合理地布置拉砖的位置有利于改善炉内流动和燃烧的分布。
应用商业CFD软件Fluent建立气化过程热态模型，对某化肥厂Texaco水煤浆气化炉进行了三维数值模拟。计算中采用简化PDF模型描述炉内的化学反应，将水煤浆看作燃料流，氧气看作氧化剂流，根据对冷态流场的计算，采用六面体结构网格为主的网格划分；Realizable K2 δ湍流模型封闭湍流方程；dpm模型考察气体和颗粒相耦合，随机轨道模型对颗粒相进行追踪，P21辐射模型计算炉内辐射特性；同时编制UDF函数模拟焦炭和O2、H20、以及H2的颗粒异相反应。通过与工业数据的对比，证明该模型能够真实反应气化炉内的物理特性，同时表明工业炉内的同相反应基本达至0化学平衡。
4、新型燃烧技术研究
基于商业软件CFX4.3和自编程序，建立了三维非稳态HTAC加热炉内热过程的CFD仿真系统，并以国内某HTAC加热炉为对象，分析了不同的换向燃烧组织方式对HTAC加热炉内多烧嘴喷射射流的卷吸、燃烧现象以及钢坯在炉内的加热过程的影响。结果表明：采用分段同侧换向控制的HTAC加热炉能获得很好的流场和温度场分布，基本满足高质量的钢坯加热需要，但该炉在生产条件下的温度制度存在不合理之处，在今后设计和操作中应进一步优化和改进；全同侧换向控制的火焰布置方式不利于钢坯的均匀、快速加热；而采用交叉换向控制的火焰布置方式可以改善加热炉内的流场和温度分布，更有利于满足钢坯的加热工艺要求。
以某公司的高温蓄热式均热炉为研究对象，对该炉内的流动和传热过程进行模拟，得到了各工艺参数对钢锭与炉气间对流换热系数的影响规律。研究发现：换向操作对均热炉内的对流换热系数影响很小，实际计算时可忽略其影响；炉温对蓄热炉内钢锭与炉气间的对流换热系数影响很小，热负荷是影响钢锭与炉气间对流换热的重要因素；对于不同锭型，煤气热值与对流换热系数之间的变化规律不尽相同，不同锭型在不同热值条件下，对流换热系数和热负荷之间的关系应分别求解。
5、全炉仿真模拟
利用钢管在炉膛内的加热历史与其自身非稳态导热过程相一致的特点，建立了钢管淬火炉。在数值求解中，改进了STAR-CD处理耦合方程求解互为边界条件的非连续边界的手段。 研究实践表明，CFD计算软件应用于工业炉的热过程分析有助于提高工作效率，计算结果一般可以满足热工工程分析的要求。
三、结论
通过以上文献介绍的研究成果，本文认为将CFD技术引入工业炉设计，可以大大提高设计效率和设计质量，优化供热，降低排放。目前CFD技术在工业炉开发中应用尚处于起步阶段，多集中在几个参数可以确定的部分设备的仿真研究上，对于全炉整体考虑，多物理场耦合的研究尚未见报道，该方面需要国家相关政策积极推进。
