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w w w .c a m e o .o r g .c n ＣＦ
（武汉科技大学冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，武汉４３
００８１）摘 要：介绍了计算流体力学及回转窑的概念，概述了ＣＦＸ软件中各种燃烧模型和辐射换热模型及其基本原理，分析了其优缺点和适用范围，并通过实例对比分析了各种燃烧模型和辐射换热模型，从而选择出最能反映回转窑 燃烧过程的模型，以对回转窑进行优化设计，具有重要的工程实际意义。 关键词：ＣＦ
Ｘ；回转窑；燃烧模型；辐射换热模型；适用性中图分类号：Ｘ９３８；ＴＦ０６２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１－１５５６（２０１３）０２－０１４２－
０４收稿日期：２０１２－０４－１６ 修回日期：
２０１２－０８－２４作者简介：王 晶（１９８９—），女，硕士研究生，主要研究方向为大气污染控制工程。Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｋｄｗａｎｇｊｉｎｇ
＠１６３．ｃｏｍＡｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ
热转印墨水配方Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｈｅａｔ ＴｒａｎｓｆｅｒＭｏｄｅｌ ｔｏ Ｒｏｔａｒｙ
电商监测
Ｋｉｌｎｓ ｉｎ ＣＦＸＷＡＮＧ Ｊｉｎｇ，ＸＩＮＧ Ｆｕ－ｔａｎｇ
（Ｈｕｂｅｉ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｇｇｌｏｍｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｅｔａｌｌａｒｇ
ｉｃ ＭｉｎｅｒａｌＲｅｓｏｕｒｃｅｓ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００８１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ ａｎｄ ｒｏｔａｒｙ ｋｉｌｎｓ ａｒｅ ｂｒｉｅｆｌｙ
ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｈｅａ
ｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍｏｄｅｌ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌｅ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｏｄｅｌｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｃｏｐｅ ｏｆ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｂｙ ｗａｙ ｏｆ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ
ｄｉｆｆｅｒ－ｅｎｔ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｍａｋｉｎｇ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅｍｏｓｔ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｒｏｔａｒｙ ｋｉｌｎｓ ｃａｎ ｂｅ ｃｈｏｓｅｎ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｏｆ ｒｏｔａｒｙ
ｋｉｌｎｓ ａｎｄ ｈａｓ ｇｒｅａｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｉｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｋｅｙ
ｗｏｒｄｓ：ＣＦＸ；ｒｏｔａｒｙ ｋｉｌｎ；ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ；ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍｏｄｅｌ；ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ０ 引 言
计算流体动力学（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙ
ｎａｍ－ｉｃｓ，ＣＦＤ）
是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做
的分析［１］
。相对于实验研究，ＣＦ
Ｄ具有成本低、速度快，可模拟特殊尺寸、高温、有毒、易燃等真实条件
和实验中能接近但无法达到的理想条件的特点。随着ＣＦ
Ｄ的快速发展，以其为基础的商业应用软件越来越受到青睐，目前常用的ＣＦＤ软件有ＣＦ
Ｘ、ＦＬＵＥＮＴ、ＰＨＯＥＮＩＣＳ、ＳＴＡＲ－
ＣＤ等。回转窑是对散状或浆状物料进行加热处理的热工设备，广泛用于有冶金、黑冶金、耐火材料、水
泥等工业部门［
２］
，尤其在采用回转窑对含钒页岩（简称石煤）进行焙烧而提取金属钒方面占有重要地位。
其中，回转窑内的燃烧状况和温度分布是影响含钒页岩焙烧过程中低价钒充分氧化的重要因素，而在宠物清洗机
ＣＦ
Ｘ软件中选择合适的燃烧模型和辐射换热模型对回转窑内燃烧过程的数值模拟的准确性有一定的影响。因此，对其燃烧模型和辐射换热模型进行适用性分析，并选择出最能反映回转窑燃烧传热过程的模型，从而对回转窑进行优化设计，具有重要的工程意义。
１ 燃烧模型
ＣＦＸ软件中的燃烧模型主要有涡动能耗散模型、有限速率化学模型、涡动能耗散／有限速率化学模型、层流小火焰模型、燃烧速度模型。
第２０卷 第２期
２ ０ １ ３年 ３月
安全与环境工程Ｓａｆｅｔｙ
ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏｌ．２０ Ｎｏ．２Ｍａｒ． ２０１３
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w w w .c a m e o .o r g .c n １．１ 涡动能耗散模型
涡动能耗散模型（Ｅｄｄｙ
Ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌ，ＥＤＭ）
假定反应速率由湍流主导，反应时间尺度远小于湍流时间尺度，此时反应速率由微观混合过程所控制，而不是由化学动力学过程起控制作用，即忽
略阿罗尼乌斯（Ａ
ｒｒｈｅｎｉｕｓ）［３］
化学动力学计算。总体来说，化学反应是快的，是可以认为处于局部瞬态平衡，适用于快速反应的湍
流燃烧。该模型的优点在于可以很容易地添加额外的燃料，并不会使模拟复杂化；其缺点是对反应产生的中间产物（如ＣＯ
等）不能进行准确计算。１．２ 有限速率化学模型
有限速率化学模型（Ｆｉｎｉｔｅ Ｒａｔｅ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ
Ｍｏｄｅｌ，ＦＲＣ）
忽略湍流的影响，反应速率由阿罗尼乌斯化学动力学计算。该模型适用于有限速率反应的层流和湍流燃烧，对于湍流燃烧，反应速率比湍流时间尺度稍慢；但该燃烧模型需要设定初始点燃状
水上滚筒态［
４］
（温度取决于反应速率）。１．３ 涡动能耗散／有限速率化学模型涡动能耗散／有限速率化学模型（ＥｃｏｍｂｉｎｅｄＥＤＭ／ＦＲＣ Ｍｏｄｅｌ，ＥＤＭ／ＦＲＣ）先分别计算ＥＤＭ模型和ＦＲＣ模型下的反应速率，再使用反应速率较小的模型，对于多步反应，各单步反应可以采用不同的燃烧模型，而不影响选定的全局燃烧模型。该模
型适用于大范围内的湍流燃烧。１．４ 层流小火焰模型
层流小火焰模型（Ｌａｍｉｎａｒ Ｆｌａｍｅｌｅｔ
Ｍｏｄｅｌ，ＬＦＭ）
只求解大量组分中的两个输运方程，因此计算消耗低。该模型只适用于已设定好的燃料—氧化剂非预混反应系统。此外，与涡动能耗散模型相比，
该模型可以模拟不完全燃烧的产物，且可提供一个更精确的模拟结果；但该模型的缺点是在涉及模拟的温度、压力的范围内，要确保适用于燃料与氧化剂混合的化学反应的可用性。１．５ 燃烧速度模型
燃烧速度模型（Ｂｕｒｎｉｎｇ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ
Ｍｏｄｅｌ，ＢＶＭ）
使用代数相关系数模拟湍流燃烧速度，即湍流中火焰传播速度。该模型适用于预混或部分预混燃烧，并指定入口燃料和氧化剂的混合分数。
２ 辐射换热模型
热辐射作为三种基本传热方式中的一种，在燃烧过程中起着重要作用。工程燃烧设备的火焰换热
中，辐射换热约占９０％［５］
，
因此在燃烧中必须将辐射换热耦合到能量方程中，从而对燃烧过程进行完整的数值模拟。ＣＦＸ中辐射换热模型有Ｒｏｓｓｅｌａｎｄ模型、Ｐ－１模型、Ｍｏｎｔｅ
Ｃａｒｌｏ模型和ＤｉｓｃｒｅｔｅＴｒａｎｓｆｅｒ模型。２．
１ Ｒｏｓｓｅｌａｎｄ模型Ｒｏｓｓｅｌａｎｄ模型假定介质是光厚的，且从求解域中其他位置射出的辐射能很快地被吸收并对局部输运没有影响，这意味着该模型不适合应用在近壁区，需要对壁面边界进行特殊处理。该模型不需要求解额外的输运方程，使用起来较为方便；但该模型通常在光学厚度大于３的情况下使用，可以用于散射。
２．２ Ｐ－
１模型Ｐ－１模型，是Ｐ－Ｎ模型（
球形谐波模型）中最简单的类型［６］
。Ｐ－
１模型假定辐射强度是各向同性的，并用正交的球谐函数（只取前四项）表示辐射强度，再将辐射能量传递方程转化为偏微分方程，联立能量方程及相应的边界条件即可求出辐射强度和温度的空间分布。该模型适合于大尺度的辐射计算，但相对于Ｄｉｓｃｒｅｔｅ
Ｔｒａｎｓｆｅｒ模型，其计算量小。２．３ Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ模型Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ模型的主要思想是将每个微元体向周围发射的辐射能量按空间角度分为若干个等份，每个等份的空间发射一个能束，然后跟踪所有微元体发射的能束，用各微元体吸收辐射能的概率来决定其辐射换热率大小。该模型的优点是避免了直接用多重求和法计算多重积分，又考虑了热辐射在
半球空间的分布及其相互联系；但该模型的缺点是由于所发射能束的方向是用计算机产生的随机数进行概率统计计算，因此不可避免地存在统计误差，同
时数值计算的收敛性较差，且计算时间较长。
２．４ Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｔｒａｎｓｆｅｒ模型Ｄｉｓｃｒｅｔｅ
Ｔｒａｎｓｆｅｒ模型最早由Ｆ．Ｃ．Ｌｏｃｋｗｏｏｄ等［７］
提出，其主要思想是假定边界网格面是辐射的
吸收和发射源，在半球空间将边界网格面上的辐射能离散成有限个能束，追踪每条离散能束的特征射线，并沿特征射线求解辐射传递方程；这些能束穿过
内部网格被介质吸收和散射后，到达另外的边界面上被吸收，并在各边界面上进出的辐射能达到平衡。该模型实质上是在Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ模型的基础上的改进和简化，它将微元上能束的发射方向由随机抽样决定改为均匀立体分布，因而克服了Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ模型所造成的统计误差和计算时间长的缺点。
３
４１第２期 王 晶等：ＣＦＸ中回转窑燃烧及辐射换热模型的适用性分析
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w w w .c a m e o .o r g .c n ３ 回转窑内燃烧模型和辐射换热模型
的选择
３．１ 燃烧模型和辐射换热模型的选择分析
回转窑内含钒页岩焙烧，是指在高温情况下（一
般７８０～８５０℃）
［８］
下低价钒氧化为高价钒的过程。为了保证窑内的气氛处于高温状态，一般选用气相燃料。同时，为了简化燃烧过程，采用甲烷与空气进
行混合燃烧，该类燃烧过程属于扩散燃烧［
９］
，产生的火焰较长，有鲜明的轮廓，从而保证较长的煅烧带，有利于含钒页岩焙烧过程中低价钒的氧化。此外，又由于燃烧反应较快，可认为其反应速率主要受甲烷与空气湍流混合速率的影响，因此燃烧模型可选
择涡动能耗散模型或层流小火焰模型。
选择辐射换热模型时主要要考虑光学厚度。含
钒页岩在回转窑内焙烧选用的是甲烷，该气体要吸
收辐射，属于大光学厚度介质，因此选用Ｄｉｓｃｒｅｔｅ
Ｔｒａｎｓｆｅｒ模型或Ｐ－１模型。３．２ 实例分析
本文分别采用方案一（涡动能耗散模型及Ｐ－
１模型）、方案二（层流小火焰模型及Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｔｒａｎｓｆｅｒ模型）两种方案对回转窑内的燃烧过程进行数值模拟。
３．
２．１ 模型的建立本文模拟对象为试验回转窑，采用Ｄｅｓｉｇ
ｎＭｏｄｅｌｅｒ软件进行建模，见图１。试验回转窑模型的基本参数为：窑长５ ０００ｍｍ；窑内径６００ｍｍ；倾斜角４°；甲烷入口直径１５ｍｍ；空气入口直径１５０
ｍｍ；烟气出口直径２００ｍｍ。
图１ Ｉ
ＣＥＭ中试验回转窑简化模型Ｆｉｇ．１ Ｓｉｍｐｌｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎ
ｔａｌ ｒｏｔａｒｙ
ｋｉｌｎ ｉｎ
ＩＣＥＭ为了建立稳定的数学计算模型，采用如下简化和假设：
（１
）假设回转窑内的烟气流动是三维、定常、不可压缩流动。
（２）假设回转窑的工作处于连续、稳定状态。（３
）为了简化模型，忽略窑体的转动。３．
２．２ 网格的划分本文采用四面体对网格进行划分，网格划分的
总单元数为７６３ １８１个，总节点数为１２９ ９７１个（见图２
）
。图２ ＩＣＥＭ中试验回转窑的网格划分Ｆｉｇ．２ Ｍｅｓｈ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｏｔａｒｙ
ｋｉｌｎ ｉｎ
ＩＣＥＭ３．２．３ 边界条件的设定
空气入口设定为速度入口边界类型，入口温度为７００Ｋ，标准速度为２５ｍ／ｓ；甲烷入口设定为速度入口边界类型，入口温度为３００Ｋ，标准速度为４０
ｍ／ｓ
深圳挤出机用螺杆组合；烟气出口设定为压力出口边界类型，该边界条件只能用于模拟亚音速流动，给定流动出口边界的静压为－４０Ｐａ。壁面边界条件采用无滑移、绝热壁面条件，在近壁区采用标准壁面函数法。
３．
２．４ 模拟结果与分析图３和图４是采用上述两种方案进行数值模拟得到的回转窑内ＸＹ平面上的烟气温度分布云图。
图３ 回转窑内ＸＹ平面上的烟气温度
分布云图（
方案一）Ｆｉｇ．３ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｏｕｒ ｏｆ ｆｌｕｅ ｇ
ａｓ ｉｎ ｔｈｅｆｉｒｓｔ ｐｒｏｇ
ｒａｍ由图３和图４可以看出：方案二（即层流小火焰模型及Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｔｒａｎｓｆｅｒ模型）的烟气温度较高，高温区占整个回转窑区域的２／３，对耐火材料会产生不利的影响；方案一（即涡动能耗散模型及Ｐ－１模型）的模拟结果显示，在烧嘴附近，甲烷与空气中的氧气燃烧，产生高温烟气，且随着燃烧的进行，气体扩散加剧，高温烟气面积逐渐增大，温度分布均匀，由于烟气不断向耐火材料内衬传热，烟气温度沿窑
４
４１ 安全与环境工程 第２０卷
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n 图４ 回转窑内ＸＹ平面上的烟气温度
分布云图（方案二）
Ｆｉｇ．４ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｏｕｒ ｏｆ ｆｌｕｅ ｇ
ａｓ ｉｎ ｔｈｅｓｅｃｏｎｄ ｐｒｏｇ
ｒａｍ尾方向降低，因此方案一得出的烟气温度分布更适于含钒页岩焙烧过程中低价钒的充分氧化。
图５是方案一（即涡动能耗散模型及Ｐ－
１模型）模拟得出的回转窑内燃烧组分（ＣＨ４、ＣＯ２、Ｏ２）质量分数的分布情况。
由图５可以看出：在烧嘴中，ＣＨ４质量分数增
大；从烧嘴出口开始，ＣＨ４与空气中的Ｏ２混合，
即在Ｘ（－２～－１．４ｍ）处剧烈燃烧，Ｏ２、ＣＨ４的质量分数急剧下降，同时ＣＯ２的质量分数在总体上有增
大趋势，且在此处达到最高；而远离燃烧区，ＣＯ２的质量分数有降低的趋势，ＣＨ４、Ｏ２的质量分数有增加的趋势。
图５ 回转窑内燃烧组分（ＣＨ４、ＣＯ２、Ｏ２）
的质量分数分布图（方案一）
Ｆｉｇ
．５ Ｍａｓｓ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ＣＨ４，ＣＯ２ａｎｄ Ｏ２
涡动能耗散模型可以计算与自己输运方程相关
的每一种物质，但不能计算反应产生的中间产物（如ＣＯ等），而层流小火焰模型可以计算ＣＯ的质量分数，因此应根据实际情况选择相应的燃烧模型和辐射传热模型。
４ 结 论
相对于层流小火焰模型及Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｔｒａｎｓｆｅｒ模型，涡动能耗散模型及Ｐ－１模型更适合于回转窑燃烧传热过程的数值模拟。其中，涡动能耗散模型可
用于多种湍流反应，包括预混合扩散，并且由于此模型的简洁性和在预测湍流反应中的卓越性能，已被广泛应用于工业燃烧的预测中；Ｐ－
１模型具有计算代价小、精度相对高等优点，适合于光学厚度大于１小于３的情况。因此，基于ＣＦＸ软件通过对燃烧模型和辐射换热模型进行对比分析，选择合适的燃烧模型和辐射传热模型可以更准确地模拟回转窑内的燃烧传热过程，从而为优化回转窑的设计提供依据，在工程中具有重要的意义。参考文献：
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００９，４（４）：１２５－１２７．［７］Ｌｏｃｋｗｏｏｄ，Ｆ．Ｃ．，Ｎ．Ｇ．Ｓｈａｈ．Ａ ｎｅｗ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｓｏｌｕｔｉｏｎ
ｍｅｔｈｏｄｆｏｒ ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｇｅｎｅｒａｌ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ［Ａ］．ＩｎＴｈｅ １８ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ［Ｃ］．Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ，ＰＡ，ｔｈｅ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，１９８１：１ ４０５－１ ４１４．［８
］胡杨甲，张一敏，黄晶，等．回转窑动态氧化焙烧石煤提钒研究［Ｊ］．矿冶工程，２
０１１，３１（２）：７０－７２．［９］刘联胜．燃烧理论与技术［Ｍ］．北京：北京工业出版社，２００８．通讯作者：幸福堂（１９６２—），男，教授，主要从事大气污染控制和叶轮机械粘灰防磨方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｉｎｇ＿ｆｕｔａｎｇ
＠１６３．ｃｏｍ５
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