惰性气体发生器是利用燃油燃烧,产生氧含量低于5%的惰性烟气,将其注入装有危险性货品的货舱或围护内,确保船舶与海工装备安全的重要设备。目前国内外对惰性气体发生器的研究甚少,该装置与传统的燃油锅炉不同,主要关注的是出口烟气的含氧量和长期运行的经济性。采用数值模拟的方法对惰气发生器燃烧单元内部燃烧、流动等过程的研究,可以为发生器结构的设计、优化及运行提供指导意见。本文以2500m~3/h直燃式惰性气体发生器为研究对象,前期通过台架试验,测得八组不同燃烧负荷下的试验数据,对数据的整理分析发现随着燃烧负荷的增加,炉膛内温度水平有较小的提升。之后利用Fluent软件对炉膛内部冷态和热态流场进行数值模拟研究,采用Realizable k-ε模型模拟湍流流动,选取离散相模型模拟燃油雾化过程,选用非预混燃烧模型模拟燃烧,采用DO辐射模型模拟传热过程。额定工况下模拟发现,冷态空气经过调风器后湍流强度大大增加,在炉膛前段壁面区域形成回流区,受垂直进气结构的影响,空气流入炉膛后有向Y轴正方向运动的速度分量。热态流场显示,燃烧加快了烟气的流速,炉膛出口处烟气流速是冷态场的6倍。炉膛前半段温度分布不均,后半段燃烧逐渐向四周展开,燃烧效果较好,出口位置平均温度达到2000K。炉膛内温度场较高的区域氧气浓度偏低,出口处氧气浓度分布均匀且含氧量满足排放要求。变负荷下模拟发现,当过量空气系数为1.05和1.10时,模拟得到的出口烟气氧含量低于5%,炉膛内燃烧效果较好;当过量空气系数大于1.15时,炉膛的热态温度场分布不均匀,烟气不满足注入液货舱的要求。随着燃烧负荷的增加,炉膛温度场会向后移动,各径向截面的温度稍有上升,低负荷下燃烧充分,超负荷燃烧会出现温度场分布与炉膛尺寸不匹配的情况,不宜长时间在高负荷工况下运行。变结构参数下模拟发现,同轴进气比垂直进气的流场分布更加均匀,而且解决了流场向炉膛上壁面集中的问题。曲面叶片进气下冷态速度场更加规整,回流区分布较好,直式叶片角度为35°~37°,叶片数目为12个时,回流区面积更大。燃油的喷射锥角为60°或80°,雾化初始直径为50μm时,炉膛的温度场分布更好,出口烟气的氧含量更低。