第一章绪论
1.1课题研究背景及意义
石油、化工和塑料等行业是国民生产的支柱产业，对国民经济的发展起决定性作用，与国民的日常生活息息相关，但同时也是环境污染的主要来源。近入新世纪以来，随着科学技术的发展，虽然人们的生活水平不断提高，物质条件越来越丰富，但是人们的生存环境却越来越差，生活垃圾、工业污染物的排放量高居不下。长三角、珠三角以及京津冀等地区日益恶化的大气环境，比如时下最为严重的雾霾天气，如图1-1所示，已经严重影响了人们的身体健康和正常生活。在如此严峻的环境形势下，旧的环保标准已难以达到对环境保护的要求。为此，国家出台了一系列新的法律、法规、方针和政策，对“十一五”和“十二五”期间的环境保护工做了更明确和更严格的要求和部署，比如污染物排放总量要减少10%，严格控制径类、S02和NOx的排放以及重点控制烟和粉尘的排放等。与此同时，石油、化工和塑料等这些重点污染的行业已被列为国家环境保护的重点行业，除了要符合国家的新规范和新要求，达到国家新的环保标准，且还应针对自身污染的情况起草相应的行业标准，制定自身的环保任务和目标。径类化合物、S02、NOx和烟尘等是大气污染物排放的主要产物，应作为控制大气污染的主要对象。而石油、化工和塑料等行业产生的废气主要就是酸性气、有机类废气和烟气。为了符合国家节能减排的要求，随着废气回收技术的不断提高，酸性气和有机类废气的处理主要是送气柜回收系统进行回收处理。但是在实际生产过程中，在生产装置启停、有突发事件发生、管路要求及时泄压以及废气的间断排放等情况下，这些燃气和废气并不能被及时的通过气柜回收。因此，为了保证生产安全、下级设备正常运行以及保护生态环境，工程中常用的做法就是将这些气体送至火炬系统经燃烧处理后再排入大气中。
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1.2数值模拟方法简介
计算流体力学是随计算机发展而逐渐成熟的一项解决流体力学问题的技术，是将数值方法运用在计算机中对流体力学的控制方程进行求解。与理论流体力学与实验流体力学相比，它可以对复杂的问题作分析解，利用CFD软件的后处理功能对不可预测问题作可视化的处理，同时可以降低试验费用和缩短实验周期。本文所要解决的是火炬头的燃烧问题，涉及的数值模拟主要包括瑞流模拟和燃烧模拟。瑞流是工程流体常见的流动状态，是CFD模拟中的重点内容。目前，主流的CFD软件对瑞流模拟主要有以下四种方法：直接数值模拟（Direct Numerical Simulation，简称 DNS)、雷诺平均法(Reynolds Averaging,简称 RA)、大润流法（Large Eddy Simulation,简称 LES)和分离祸流法（Detached Eddy Simulation，简称 DES)。DNS方法是直接对流体力学的基本方程纳维-斯托克斯方程（Navier-StokesEquations,简称N-S方程）进行求解。它可以精确捕捉所有相关尺度的瑞流运动，但是它所需要的网格尺度和时间尺度必须足够小，所以只能针对简单的流动状态，对于复杂的问题则由于计算量太大而不可能实现。RA方法是最早出现的解决瑞流流动的方法，也是最常用的方法，它是对作时间平均后得到的关于平均物理量的N-S方程进行求解，同时为了使求解方程封闭，需要构建不同的雷诺应力模型。最常用的雷诺应力模型有基于瑞流粘度的一方程Spalart-Allmaras模型、基于端流动能和扩散率的二方程k- ￡模型和k-CO模型以及剪切压力传输（ShearStress Transport,简称SST) 模型等。虽然RA方法对计算过程中网格尺度和时间尺度要求不高，在现有计算条件下对于大多数计算都可以顺利实现，但是它不能保证在不同的工况都能有一个可靠的结果，特别是在当流动复杂或有大的分离流动或求解与时间相关的脉动的情况下。尽管如此，它仍是解决溫流流动最基本、应用最多的方法。
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第二章数值模拟方法的理论基础
2.1 Fluent模拟的基本思想
随着计算机图形学和计算机微机技术的快速进步以及数值原理和计算方法的不断完善，CFD软件如雨后春夢般的涌现出来，如CFX、PLOYFLOW、FL0W3D和Fluent等。每种软件都有其侧重点和独特的优势。本文选择适用范围广、稳定性高且模拟精度高的Fluent软件。Fluent软件可以模拟层流、端流、不可压流和可压流等流体不同的流动状态，也能够模拟瑞流问题、传热与辖射问题和化学反应问题等各种不同的流体力学问题。为了与工业实际应用相符合，简化计算程序，Fluent还针对不同的问题提供了很多专用的计算模型，比如与瑞流计算相关的雷诺应力模型、与辐射相关的P-1辐射模型、与化学反应相关的通用有限速度模型和与多相流相关的VOF模型等。虽然Fluent的模拟范围很广，有很强的模拟能力，但是其模拟思想是基本一致的，对于不同的流动状态和研究问题，都是通过求解质量守恒方程、动量守恒方程和附加的标量守恒方程来获取结果，比如关于热传导的流动问题需要解附加的能量守恒方程，对于物质混合过程则需要解附加的组分守恒方程，对于瑞流流动则需要解附加的输运方程。基于流体的流动速度的变化，Fluent提供了基于压力和基于密度两种求解器。基于压力求解器主要是针对低速不可压流体的流动问题，运用分离解法将控制方程一个一个解出，之后通过迭代得到收敛解。基于密度求解器主要计对高速可压流问题，利用耦合解法将控制方程同时解出，之后对附加的标量控制方程运用分离解法解出。
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2.2基于SST k- oj瑞流模型的DES方法
DES方法的基本思想是在瑞流尺度小的边界层内釆用RA方法求解，在瑞流尺度大的分离区域内采用LES方法求解。在基于SST k-co瑞流模型的DES方法中，RA方法和LES方法的转换是利用一个长度尺度函数（2-4)来控制，同时为了解决LES过早转换的问题，在长度尺度函数里使用SSTk-co模型的混合函数Fi和F2来修正，如公式(2-5)所示，本文修正函数选F2。这样，在边界层内瑞流长度尺度小且修正函数的值接近1，可以保证应用RA方法求解，而在边界层外瑞流长度尺度变大且修正函数的值近似为0,就可以运用LES方法求解。本章的中心是介绍Fluent软件求解方法、基于SST k-w端流模型的DES方法以及EDM的理论基础，具体工作如下：首先，简单介绍了 Fluent软件的求解能力和应用范围，并详细描述了 Fluent中不可压流体分离解法的基本思想和求解流程。然后，着重介绍了基于SSTk-co端流模型的DES方法，包括DES方法的基本原理和RA方法中SSTk-w瑞流模型和LES方法中亚网格模型的使用范围、控制方程的推导以及方程中相关参数的解释。最后，介绍了通用有限速度模型的基本控制方程，详细描述了旋润耗散模型中燃烧反应速度的表达式。
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第三章气流作用下火炬头燃烧特性研究.......... 21
3.1研究问题描述......... 21
3.2几何仿真模型......... 22
3.3边界条件.........24
3.3.1空气速度入口边界条件......... 24
3.3.2燃气速度入口边界条件......... 26
3.4网格划分.........27
3.5仿真计算过程.........29
3.6结果分析......... 29
3.6.1冷流动流场的结果分析......... 30
3.6.2燃烧流场模拟结果分析......... 33
3.7本章小结......... 37
4工业火炬破风圈数值模拟......... 39
4.1破风圏介绍 ......... 39
4.2破风圈安装间隙A的研究......... 41
4.3破风圈遮挡率k研究......... 44
4.4破风圏模拟结果分析......... 46 49
4.5本章小结 .........52
第五章结论与展望......... 55
5.1 结论......... 55
5.2 展望 .........57
4工业火炬破风圈数值模拟
4.1破风圈介绍
从前面的分析可知，破风圈的作用主要抑制火炬筒体尾流区旋润的形成与脱落。为此，需要先弄清楚圆柱体旋祸形成和脱落的机理。目前，圆柱体尾迹区旋祸的形成和脱落的机理主要是学者Geirard提出的上、下剪切层的夹带和相互作用。如图4-3所示，空气绕流火炬筒体时，在表面摩擦力和压强差的作用下，出现分离流动现象，形成上、下剪切层。筒体尾流区的空气受夹带作用沿箭头a、b进入卷起的上剪切层，形成强度不断增加的旋祸；当旋祸的强度增加到一定程度时，会拖曳下剪切层穿过尾流区，下剪切层卷起，切断了对上面旋润的润量供应，从而导致上面旋祸脱落，向下游流动。之后，卷起的下剪切层重复上述过程就是下面旋润的形成与脱落的过程。上述过程不断重复进行，就形成了筒体尾流区旋祸的形成和脱落的现象。通过此分析，可以看出剪切层卷起和上下剪切层的相互作用是旋润形成和脱落的必要条件。
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结论
总结全文的工作，主要的成果有以下几点：
第一、总结了 CFD模拟中所用的各种瑞流模拟方法和燃烧模拟方法的优缺点，并对它们各自的应用范围进行阐述。
第二、介绍了 Fluent软件中分离解法的基本过程，着重叙述了基于SSTk — CO瑞流模型的DES方法和Eddy dissipation燃烧模型的基本思想和控制方程的推导过程以及方程中各参数的意义。
第三、详细介绍了工业火炬头燃烧问题的数值模拟过程，为应用Fluent软件模拟其它实际工程问题提供参考，主要包括几何模型的简化要求，DES方法的网格划分要求，边界条件的模拟以及模拟结果的后处理等。
第四、取火炬筒体直径D=100mm,风速U=20m/s进行冷流动流场和燃烧流场模拟，得到如下结论一一在冷流动流场中，火炬筒体尾流区出现“卡门涡街”现象，升力系数、阻力系数和斯特劳哈数与前人关于圆柱绕流的研究结论相吻合；CH4的流动过程受旋涡结构控制，从火炬头的头部喷出后受旋涡的卷吸作用流入旋涡中，然后随旋涡一起向下游流动。
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参考文献（略）