阶梯炉管外传热的数值模拟与编程计算

论文摘要

论文在对计算流体力学软件CFX5.5所涉及的基础理论、基本模型以及计算方法进行分析对比的基础上,利用自带算例及一实际工业管式炉对CFX5.5中模型选择及边界条件给定方案进行了考察,并对软件计算精度及收敛平稳性进行了分析,得到了适用于阶梯炉管外三维数值模拟的模型选择及边界条件给定方案。在上述工作的基础上,结合阶梯炉结构参数及设计数据,对炉膛内湍流流动、燃料燃烧、辐射传热等过程进行三维数值模拟,得到了速率场、温度场以及管外热强度分布,并考察了不同倾斜度对阶梯炉管外热强度分布的影响。结果表明:阶梯炉各根炉管管外热强度从上到下逐渐增大;与箱式炉相比,阶梯炉炉膛结构能提高辐射传热效果,提高平均热强度,降低炉膛温度;随着倾斜度增加,阶梯炉平均热强度增加,炉膛温度减小。同时,利用面向对象编程软件Visual Basic 6.0及炉膛内辐射传热模型Monte Carlo方法,完成了阶梯炉管外传热计算软件的开发,并对编程计算结果与CFX5.5模拟结果进行了对比。编程计算得各根炉管管外热强度变化趋势及不同倾斜度对管外热强度分布的影响与CFX5.5模拟结论吻合;与CFX5.5模拟结果相比,编程计算平均热强度较低,炉膛温度较高。最后,分别利用CFX5.5及自编软件对中国石化工程建设公司与中国石油大学提出的新型阶梯炉进行校核计算,并考察不同直立段高度及不同倾斜段倾斜度对新型阶梯炉管外热强度分布的影响。两种方法得到相同结论:与惠州阶梯炉相比,新型阶梯炉管外热强度分布更为均匀;随着新型阶梯炉直立段高度及倾斜段倾斜度增加,平均热强度减小,炉膛温度增加。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 延迟焦化过程及焦化炉简介
• 1.2 加热炉管外传热模拟软件及计算方法
• 1.3 课题来源及主要工作内容
• 第二章 数值模拟与编程计算基本理论
• 2.1 CFX 软件三维数值模拟基本理论
• 2.1.1 基本控制方程
• 2.1.2 湍流流动模型
• 2.1.3 燃烧模型
• 2.1.4 辐射传热模型
• 2.1.5 控制方程的离散化
• 2.1.6 方程组的求解
• 2.1.7 边界条件的处理
• 2.2 编程计算基本理论
• 2.2.1 计算框图
• 2.2.2 辐射传热过程的数学描述
• 2.2.3 模拟辐射换热用蒙特卡罗法
• 2.2.4 阶梯炉斜面的修正
• 2.2.5 工艺软件设计
• 第三章 考察CFX5.5 中模型选择及边界条件给定
• 3.1 CFX 自带算例剖析
• 3.1.1 不同热量传递模型及热辐射模型
• 3.1.2 不同侧壁边界条件
• 3.1.3 不同侧壁粗糙度
• 3.1.4 不同侧壁面黑度
• 3.1.5 不同气体吸收系数及散射系数
• 3.2 CFX5.5 与CFX4.4 计算结果对比
• 3.2.1 算例基础条件
• 3.2.2 模型选择
• 3.2.3 边界条件给定
• 3.2.4 结果对比及分析
• 3.3 CFX5.5 验证能束到达烟道出口处理方案
• 第四章 惠州阶梯炉管外模拟与计算
• 4.1 阶梯炉和箱式炉管外数值模拟及热强度对比
• 4.1.1 基本条件
• 4.1.2 模型选择
• 4.1.3 边界条件给定
• 4.1.4 模拟结果及对比分析
• 4.2 CFX5.5 考察不同倾斜度对阶梯炉管外传热的影响
• 4.3 Monte Carlo 方法编程计算结果及与CFX5.5 模拟结果对比
• 第五章 新型阶梯炉管外模拟及结构优化
• 5.1 新型阶梯炉管外数值模拟与编程计算
• 5.2 考察阶梯炉下部直立段高度对管外传热的影响
• 5.3 考察阶梯炉倾斜段倾斜度对管外传热的影响
• 结论
• 参考文献
• 致谢