随着中国国际化进程的不断发展,我国钢铁企业产品制造过程中对加热的要求日益升高,为了防止钢材产品与炉内高温气氛接触造成的脱碳和氧化等,间接加热技术应用越来越广泛,辐射管是实现间接加热功能的重要热设备,如何提高辐射管表面的温度均匀性,延长其使用寿命已成为了国内外学者的重要目标;同时随着节能减排政策的不断落实,如何合理减少辐射管内高温燃烧产物中的氮氧化物含量,也成为众多学者所努力的方向。本文针对W型辐射管的热过程进行了三维数值模拟研究,建立了包括燃烧器的W型辐射管热过程物理模型和数学模型,并通过已有的实验数据验证了模型的准确性;模拟分析对比了单步反应机理与多步反应机理情况下,W型辐射管管内热过程的流动及燃烧特征,研究了不同操作参数对辐射管热过程的影响,以及两种结构的燃烧器在W型辐射管中的表现情况,并通过ANSYS Static Structural模块预测了辐射管热过程管壁热应力的分布情况。数值模拟得出的主要结论包括:辐射管壁面温度分布不均匀与管体结构特征有着密切的关系;通过对比发现采用甲烷的多步反应机理可以更好的预测管体内的燃烧与流动现象;不同的燃烧器结构对辐射管内燃烧和流动影响显著,不同的操作参数对辐射管的使用性能也有着巨大的影响,入口燃气速度的提升会增加辐射管壁面的不均匀性,当燃气流量从30m~3/h提升到70m~3/h时,配风盘式燃烧器辐射管出口烟气内NOx浓度提高88%;这个影响的优劣性同样与燃烧器结构有着密不可分的关系,相同条件下,燃烧筒式燃烧器辐射管出口NOx浓度则下降了52%;提高预热空气温度会降低管壁温度的不均匀性,但会明显提高出口处NOx的含量;同时模拟数据证明了辐射管的损毁主要是由于其在高温环境下的长时间使用所带来热应力所造成的蠕变破坏,优化燃烧器结构可以有效的降低管壁热应力,延长辐射管的工作寿命。