本研究以一使用自行设计的低NOx旋流燃烧器的实验加热炉为研究对象,针对加热炉在实际运行中普遍存在的不足,在对国内外相关文献大量查阅的基础上,应用传热、传质、动量运输和化学反应的基础理论,对该加热炉进行了流量、温度分布和烟气成分的测试。运用Fluent软件,建立了加热炉流动、燃烧和传热的数学模型。并用实验结果对模型进行验证和修正,运用修正后的模型,对加热炉内的温度分布和烟气成分进行了数值仿真分析,研究和分析了操作参数和烟气循环量对炉内温度分布及氮氧化物排放的影响,并对结果进行了优化。主要的研究内容和结论包括：(1)通过实验测试分析,结果表明出口烟气成分中可燃物成分低,燃烧完全,燃气和助燃空气的混合合理；烟气中NOx的含量平均不超过60ppm,远远低于国家排放标准,较好地控制了废气排放对环境的污染；炉内温度分布相对均匀,温差不超过30K,满足高效燃烧要求,有利于工件的加热；(2)利用实验测试得到的燃气和助燃空气的流量、温度等参数作为边界条件,采用标准的k-ε湍流模型、涡团耗散燃烧模型、DO辐射模型以及NOx的生成模型,建立了加热炉内流动、燃烧和传热的模型；(3)根据加热炉模型的仿真研究,分析了加热炉内的流场、温度场和燃烧产物的分布。在燃烧器喷口处有明显的回流,使燃烧稳定,并加强了炉内气体的混合,同时还导致炉内漩涡的产生,进一步加强了气体的紊流混合,稳定燃烧；炉膛内局部高温区范围小,温度分布均匀,温差较小,利于工件的加热；烟气中NOx排放量少。计算结果与实验测试结果具有相同的规律,验证了所建模型的可靠性,为优化参数研究提供了参考依据；(4)通过改变助燃空气的空气消耗系数、预热温度和助燃空气与中心风的比值,分析不同操作参数条件下加热炉内的温度分布和烟气中NOx排放量的影响规律,确定了合理的操作参数。研究结果为合理组织加热炉内烟气的流动、燃烧和传热提供了参考,并可将一步推广至其它热工设备中,达到节能降耗的目的。