高炉风口多股流喷吹粉煤与空气流动数值模拟

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第30卷第5期中国矿业大学学报Vo1．30No．52001年9月JournalofChinaUniversityofMining＆TechnologySep2001文章编号：i000i964(2001)05045305高炉风口多股流喷吹粉煤与空气流动数值模拟张垒．鄂加强．谢铠，赵黎明，尹坚。(1．中南大学应用物理及能工程系，湖南长沙4l00832湘潭钢铁集团有限公司．湖南湘潭421000)摘要：为了揭示多股流喷煤枪喷吹粉煤空气两相湍流流动过程流场分布情况．根据质量守恒、动量守恒、混合组分平衡

2、的基本规律建立了高炉粉煤喷吹三维气粒两相湍流流动过程数学模型．采用Kg方程描述风口内气粒两相的湍流流动，井基于SIMPLE思想，通过对Euler坐标下节点离散化方程的耦夸关系分析求解，对喷抢改型前后高炉风口内气粒两相湍流流动进行了数值计算．结果表明：多股流喷煤抢能使粉煤颗粒流在风口内混合得更好．关键词：多股流；喷吹粉煤；高炉风；湍流流动；数值模拟中图分类号：TF538．6文献标识码：A从80年代初工业上开始大量喷吹粉煤以来，}(．)一Il+S，(1)o,3Jf，^·。高炉喷吹粉煤技术迅速发展．在高炉粉煤喷吹数值模拟方面．大多数是一维和二维

3、模拟。，文献[33式中：(一1，2，3)为气体或颗粒在'c一1，2，对高炉直吹管内的气一粒两相流动进行了三维模3)3个方向流速；P为对应的密度；为扩散系数；拟．文献[4]对高炉风口内传统喷煤枪喷吹粉煤颗岛为对应的源项(表1)．粒的轨道进行了三维模拟，而对于高炉风口内采用表l中：(、⋯C，C为与Ke方程有关的常数；多股流喷煤枪喷吹煤粉所引起的复杂气一粒两相湍c—c为g方程中的常数；为湍流动能的有效流流动则很少有人研究．Prandtl数；为湍流动能耗散率的有效Prandtl数；为混合分数的有效Prandtl数；为混合分数脉1煤粉喷吹气粒两相湍

4、流流动数学模型动均值的有效Prandtl数；为粒相的有效Prandtl对于气一粒系统的研究，前人作了大量工作文数．献[j，6在原理分析、文献[7]在高速流动实验中．守恒方程的通用形式展开后，共有12个偏微分别验证了气粒两相流当作混合物来考虑的悬浮分方程，含有l2个满足守恒原理的场变函数：气相态的质量守恒、动量守恒、能量守恒以及混合组份密度P，气相在．(一1，2．3)方向的分速度，．平衡的正确性．采用拟流体模型]，把气相的空气、．粒相密度，粒相在‘(=l，2，3)方向的分速粒相的粉煤颗粒都视为连续介质，并考虑空气一粉度，，湍流动能，湍流动能

5、耗散率￡，混合煤气粒两相体系的质量守恒定律、动量守恒定律以分数厂，混合分数脉动均值g，以及另外3个场变函及空气一粉煤气粒两相组分平衡，从而在Euler坐数——气相压力户，气相有效动力粘性系数，粉标系中导出高炉煤粉喷吹气粒两相湍流流动特性煤颗粒相有效动力粘性系数．因此．高炉粉煤喷的基本守恒方程，建立高炉煤粉喷吹气一粒两相湍吹气一粒两相湍流流动的数学模型是由15个方程流流动特性的数学模型用一个通用的基本参数构成的联立方程组以及相应的边界条件所组成．进行概括，则守恒方程组的通用微分方程为收稿日期2001—03—02作者简介!张全(1962)．男

6、．湖南省株州市人．中南太学副教授．博士研究生，从事计算流体力学、能源系统工程与城市环保方面的研究维普资讯http://www.cqvip.com中国矿业大学学报第30卷数学模型中的有关常数如表2所示．附近变量梯度较大处适当加密了网格．通过对数学采用有限差分法对高炉耪煤喷吹气粒两相湍模型耦台关系的分析，采用SIMPIE思想对动量流流动数学模型的守恒方程组进行离散化．建立如方程进行离散化．对压力方程采用全域求解，其它图1所示的一套高炉风口的网格系统，将风口划分守恒方程采用控制容积逐面叠加法求解．边界条件为40×40×30(轴向)的网格该网格系

7、统采用了主要依据湘潭钢铁有限公司高炉风口的实际参数不均匀、交错的网格划分：沿径向，在壁面以及轴线选取．表1守恒方程中的变量、输运系数和源项Table1Variables，transportcoefficientsandSOLII~CeSinfhconservationequation【十其中为气相分子牯性系数．=(P；为按st。阻力计算的粉煤颗粒均运动驰豫时问表2模型常数Iable2Constantsofthemodel况，将直吹营简化为圆形直管，内径为160FfL[D．，粉煤颗粒流的回流点到风口端部的距离为450Film．改型前后喷煤枪

8、的内径保持不变．均为15mm；改◆型后喷煤枪的多股流喷流内径为8IllIn；改型前后喷煤枪喷吹角度均为10．5。，喷吹位置为410nl[n图1高炉风_j网格系统风口为圆台壁，最小、最大内径分别