工业火炬是石油、化工和塑料等行业中重要的安全和环保设施。在实际使用中,多风地区的火炬头经常烧坏,从而影响火炬系统的正常运行。为了提高火炬头的使用寿命,工程中常用的解决办法是绕火炬筒体安装破风圈。但是,由于试验的局限性以及实际测量的难度,火炬头燃烧特性以及防风原理的研究只是停留在理论阶段,并没有可视化或可量化的研究成果。为此,本文将通过数值模拟方法研究火炬头的燃烧特性以及破风圈的实际功用。本论文基于Fluent软件平台,选择基于SST k—ω湍流模型的DES方法和Eddy dissipation燃烧模型作为数值模拟方法,采用处理压力速度耦合关系的SIMPLE算法,对火炬头以及不同参数的破风圈模型进行数值模拟,通过研究各模型的冷流动流场和燃烧流场的基本特性,探讨了风作用下火炬头烧坏的原因以及破风圈的工作机理,为破风圈的实际设计提供指导。本论文是在风速U=20m/s时对火炬筒体直径D=100mm的火炬头的流动状态和燃烧状态进行数值模拟,然后利用模拟结果中各变量的云图对火炬头容易烧坏的原因进行了详细的可视化分析,得到如下结论：在冷流动流场中,火炬筒体尾流区出现了“卡门涡街”现象,火炬头的头部喷出的CH4流入火炬筒体尾流区的旋涡结构中,并随旋涡结构一起向下游流动；在燃烧流场中,火炬筒体的背风面上分布着火焰,火焰面是随旋涡结构从火炬筒体脱落和向下游扩散的；综上所述,在气流作用下,火炬筒体尾流区形成的旋涡结构是火炬头容易烧坏的主要原因。之后,本论文选择不同安装间隙A和遮挡率k的破风圈模型进行研究,分别对A=0.2D与k=50%、A=0.5D与k=50%以及A=0.5D和k=30%三种组合进行数值模拟,利用模拟结果中的压力云图和温度云图对破风圈的设计参数进行定性分析,得到如下结论：从抑制火炬筒体背风面的高温区域出发,当破风圈的遮挡率不变时,安装间隙为0.5D的破风圈模型的效果要优于安装间隙为0.2D的模型；当安装间隙不变时,遮挡率为50%的破风圈模型的效果要优于遮挡率为30%的模型；综上所述,破风圈的安装间隙A可推荐选择为0.5D左右,遮挡率k可推荐选择50%左右。最后,综合比较安装A=0.5D、k=50%的破风圈的火炬头和无破风圈的火炬头的模拟结果,发现安装破风圈后,火炬筒体附近的旋涡强度降低,尾流区大结构旋涡的形成与脱落向后延迟,火焰拉长且向斜上方扩散,火炬筒体背风面的高温区域大幅度减小。由上可见,破风圈对提高火炬头的使用寿命有重要意义。