【文章內(nèi)容簡介】 窯內(nèi)燃燒情況與正對燒嘴的火焰長度。窯內(nèi)出現(xiàn)一些小故障時也可以通過觀察孔觀測。其與事故處理孔一樣在模擬工況時可忽略。 膨脹縫 :窯體的四個面都要留有膨脹縫，膨脹縫用于緩沖耐火材料在溫度變化下的膨脹和收縮。在一般工況下，膨脹縫間隙里面充以耐火纖維棉，防止?fàn)t窯漏風(fēng)，相當(dāng)于窯墻的一部分。 輥道窯燒成帶運行原理 在燒成帶入口處，通過輥道窯預(yù)熱帶加熱到一定溫度的陶瓷制品整齊地碼放在棍子上進入燒成帶。制 品的前進方向與窯內(nèi)煙氣流動方向相反。制品在行進過程中經(jīng)熱氣流的不斷加熱 ,發(fā)生一系列物理化學(xué)變化 ,直至燒成。 天然氣和空氣通過燒嘴兩根管道以預(yù)定的速度噴入爐窯，快速混合后點火燃燒，使窯內(nèi)溫度保持在一定范圍內(nèi)。高溫?zé)煔庾詿蓭蚋G頭流動，與制品充分換熱后進入排煙孔，經(jīng)煙道及排煙機排出。 衛(wèi)生潔具輥道窯燒成帶溫度均勻性仿真研究 第 8 頁 共 34 頁 第 3 章 輥道窯燒成帶數(shù)學(xué)模型的建立 陶瓷制品在輥道窯燒成帶中的燒制過程是一個十分復(fù)雜的演變過程，其涉及到流體運動、傳熱、傳質(zhì)等復(fù)雜的物理變化過程，同時還伴隨有不同的化學(xué)反應(yīng)與變化。由于實驗條件的限制，采用現(xiàn)場實測手段對燒 成帶內(nèi)的溫度場和流場變化情況進行研究較為困難。本研究采用 FLUENT 數(shù)值模擬軟件對輥道窯燒成內(nèi)的溫度場和流場變化情況進行研究。為方便研究輥道窯燒成帶爐膛內(nèi)的溫度分布特性，本章首先建立一個合理的物理模型，然后確定與其相對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并對解析域進行合理的網(wǎng)格劃分，為下一章輥道窯燒成帶基準(zhǔn)工況的數(shù)值模擬和綜合優(yōu)化做好鋪墊。 簡化與假設(shè) 為便于幾何模型的建立，合理利用計算資源，對輥道窯窯體的建立以及計算進行了適當(dāng)?shù)暮喕c假設(shè)，具體如下： （ 1）陶瓷制品在輥棒間的傳動是一個動態(tài)的過程，但由于設(shè)備配置無法滿 足過高要求，對燒成帶內(nèi)的溫度場變化過程進行動態(tài)仿真較為困難，故在建模時忽略了輥棒，且只選取兩個特定的衛(wèi)生潔具來分析其各個表面的溫度分布特點。 （ 2）在實際生產(chǎn)條件中，本研究對象的后方，即燒成帶末段為零壓面，無氣流通過，故將該零壓面按絕熱壁面進行簡化處理。 （ 3）忽略窯墻透風(fēng)對爐溫的影響 ,假設(shè)窯體氣密性較好。 （ 4）陶瓷制品體在燒成過程中因物理化學(xué)反應(yīng)吸收和排出的氣體的質(zhì)量較小，在建立模型時忽略其對爐窯溫度場、流場的影響，即在燒成過程中假設(shè)陶瓷制品質(zhì)量與體積不變。 （ 5）忽略燒成過程中陶瓷制品內(nèi)因化學(xué)物理反應(yīng) 產(chǎn)生的熱源對溫度場的變化影響，即在燒成過程中不考慮制品內(nèi)熱源問題。 （ 6）由于不同陶瓷衛(wèi)生潔具形狀各異，本研究在建模時將其簡化為兩個并排的mm540420540 ?? 的立方體。 物理模型 本研究選取衛(wèi)生潔具輥道窯燒成帶的一節(jié)作為研究對象，輥道窯燒成帶結(jié)構(gòu)尺寸如圖 31 所示。 衛(wèi)生潔具輥道窯燒成帶溫度均勻性仿真研究 第 9 頁 共 34 頁 輥道窯模型的中心點是坐標(biāo)原點。該模型窯長 1000mm、窯內(nèi)空寬 1220mm、窯內(nèi)空高 1194mm，輥棒下側(cè)交錯布置兩個垂直于窯墻的燒嘴，每兩個交錯燒嘴間距為 250mm，燒 嘴距窯體兩端間距也為 250mm，擋火墻在窯底 ,高 198mm。取兩個 540 420 540 的陶瓷坯體按照實際工況放置在傳動輥棒上，輥棒距窯底高度為 402mm，陶 瓷 坯 體離窯壁距離為 160mm，中間火焰平衡帶間隔為 60mm，由于陶瓷坯體上表面距窯頂只有 252mm，所以無需設(shè)置上擋火閘板。 圖 31 燒成帶結(jié)構(gòu)尺寸圖 從圖 31可以看出，該節(jié)輥道窯主體部分是一個臥式矩形爐膛，在輥道窯爐壁下方兩側(cè)交錯分布有燒嘴。該輥道窯使用的燒嘴是低速噴射燒嘴，其天然氣管徑為 14mm，空氣管徑為 62mm（水 力直徑為 48mm），燒嘴的高溫氣流噴射速度在理想狀況下可達到10m/s，天然氣與空氣在燒嘴噴頭處攪動混合后點火燃燒。 數(shù)學(xué)模型和解析域 數(shù)學(xué)建模是基于計算流體力學(xué)、計算燃燒學(xué)、計算傳熱學(xué)而建立起來的熱工理論，數(shù)值模擬的核心部分就是建立合理的數(shù)學(xué)模型。 衛(wèi)生潔具輥道窯的燒成過程涉及有氣體燃燒、熱量傳遞、煙氣流動等過程，本研究中用到的數(shù)學(xué)模型包含湍流模型 、 通用有限速率燃燒模型、 1?p 傳熱模型等，本節(jié)將對這些主要數(shù)學(xué)模型進行詳 細說明。 控制方程 衛(wèi)生潔具輥道窯燒成帶溫度均勻性仿真研究 第 10 頁 共 34 頁 (1)質(zhì)量守恒方程 質(zhì)量守恒方程也被稱作連續(xù)性方程，該方程表明在任意封閉控制體系中，流體質(zhì)量總是保持恒定的。即對于在輥道窯內(nèi)部，處于穩(wěn)態(tài)流動的流體滿足以下條件 [12]： 0)()()( ????????? zwyvxu ??? （ 31） 公式（ 31）中 ? 是流體的密度， u 、 v 、 w 是流體在坐標(biāo)系上 x 、 y 、 z 三個方向的速度分量。 （ 2）能量守恒方程 能量守恒定 律是熱力學(xué)第一定律在流體力學(xué)中的具體表現(xiàn) ,即控制體中凈熱流率與體積力、表面力對體系作功功率之和等于流體內(nèi)能量的增加率。其方程如下： Tp Sgr ad Tckdi vuTdi v ?? )()( ? （ 32） 公式（ 32）中， T 是溫度， vc 是比熱容， k 是流體的傳熱系數(shù)， TS 是粘性耗散項。 （ 3）動量守恒方程 動量守恒方程是牛頓第二定律在流體力學(xué)中的體現(xiàn)，在 x 、 y 、 z 三個方向上的動量守恒控制方程如下： uSxpgr adudi vuudi v ????? )()( ?? （ 33a） vSypgr advdi vvudi v ????? )()( ?? （ 33b） wSzpgr adwdi vwudi v ????? )()( ?? （ 33c） 湍流模型 在陶瓷輥道窯實際運行過程中，由于窯內(nèi)存在劇烈燃燒反應(yīng)，氣流波動較大，所以氣體流動狀態(tài)基本上都處于湍流 狀態(tài)。因此在本研究中，對衛(wèi)生潔具輥道窯內(nèi)的氣體流動的數(shù)值模擬選擇采用湍流模型。 湍流數(shù)值模擬有很多種類， Reynolds 平均法 (RANS)在工程應(yīng)用上效果良好。本研究使用 Realizable εk? 雙方程模型對陶瓷制品燒制過程中爐窯中的氣體流動進行模擬。 Realizable εk? 湍流模型的 k 和 ? 的輸運方程分別如下 : 衛(wèi)生潔具輥道窯燒成帶溫度均勻性仿真研究 第 11 頁 共 34 頁 ?????? ???????????? jjkTjjj Gxkxx kutk )( （ 34） )()( 21 ?????????? ???CGCkxxxut jjTjjj ???????????? （ 35） 相關(guān)模型常數(shù)如表 31所示。 表 31 Realizable ??k 湍流模型數(shù)值 常量 ?C 1?C 2?C k? ?? 數(shù)值 燃燒模型選取 輥道窯的燃 燒過程比較復(fù)雜，天然氣在輥道窯內(nèi)完全充分燃燒的前提是有兩點：燃燒時間足夠，燃燒速度可控且氧氣充足。爐窯內(nèi)的天然氣能否充分燃燒，對陶瓷產(chǎn)品質(zhì)量和輥道窯的能源利用率評估有著重要的影響。 本文所研究的燃燒類型屬于非預(yù)混合燃燒，并且輥道窯內(nèi)氣流為湍流。有限速率燃燒模型可以模擬大多數(shù)氣象燃燒問題，且模型實施簡便，且計算容易收斂，故本研究采用有限速率燃燒模型。 爐窯的燃燒計算是通過熱平衡和物料平衡進行的，其基本方程是燃燒所需空氣量、燃燒產(chǎn)物組分、燃燒產(chǎn)物生成量、燃料發(fā)熱量、燃燒溫度等計算公式 [13]。其能量方程為： sjsjjsjs wxYDxvYxYt ????????? ?????????? ??? )()( （ 36） 公式（ 36）中， ? 為氣體密度； sY 為氣體焓熵； sw 為氣體源項。 輻射傳熱模型選取 在陶瓷制品燒制過程中，熱煙氣與陶瓷制品之間存在輻射換熱， 且輻射換熱在兩者熱量傳遞過程中占主導(dǎo)地位。 常用的輻射模型有： DTRM 模型、 1?P 模型、 DO 模型等。由于 1?P 模型與 DO 模型通用性強、計算時間短、計算誤差小等特點，所以現(xiàn)在工程計算中運用得較為廣泛的輻射模型主要是 1?P 模型和 DO 模型。 1?P 模型主要適合于大尺度的輻射計算，其主要思想是把輻射強度展開為正交；離散坐標(biāo) DO 模型是從有限個立體角發(fā)出的傳播方程出發(fā)進行求解，每個立體角對應(yīng)著坐標(biāo)系下的固定的方向角，該模型把方程轉(zhuǎn)化為空間坐 衛(wèi)生潔具輥道窯燒成帶溫度均勻性仿真研究 第 12 頁 共 34 頁 標(biāo)系下的輻射強度的輸運方程 [14]。 經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn) 1?P 輻射模型有以下三個優(yōu)點： （ 1） 1?P 輻射模型為一個擴散方程，求解使用 CPU 時間較少。 （ 2） 對于光學(xué)深度比較大（如燃燒應(yīng)用中）的對象， 1?P 模型表現(xiàn)非常好。 （ 3） 1?P 模型使用曲線坐標(biāo)很容易處理復(fù)雜幾何問題。 綜上所述，本研究所建立的輥道窯燒成帶模型選擇采用 1?P 輻射模型。 解析域分析 解析域就是模型的計算區(qū)域，進行模型的數(shù)值模擬計算，第一步要分析其解析域。陶瓷制品在爐窯內(nèi)燒制的過程中伴隨有導(dǎo)熱、對流換熱和輻射換熱：陶瓷制品內(nèi)部傳熱為導(dǎo)熱傳熱；陶瓷制品與煙氣之間 同時存在對流換熱和輻射換熱，陶瓷制品與爐窯壁面之間也有輻射換熱；爐窯壁面與煙氣之間有對流換熱與輻射換熱。 天然氣燃燒產(chǎn)生的熱能有三個流向：一部分與陶瓷制品進行換熱，另一部分與爐窯壁面進行換熱，余下的熱能伴隨煙氣從出口排出。因此該模型的解析域包含燒嘴燃氣區(qū)域、爐膛煙氣區(qū)域、陶瓷制品區(qū)域三個部分。窯爐中煙氣是由燒嘴噴出的天然氣在空氣中燃燒生成，流動方向由窯后 (X軸負方向 )流向窯前 (X軸正方向 )，具體方向參考圖 21。實際生產(chǎn)過程中，陶瓷制品是從窯前傳向窯后，與煙氣反向流動換熱。 網(wǎng)格劃分 在對傳遞過程 的問題進行數(shù)值仿真時，首先要對其計算區(qū)域進行離散化處理，得到代數(shù)方程組。區(qū)域離散化也被稱為網(wǎng)格生成，計算過程中待求的參數(shù)就是通過網(wǎng)格節(jié)點傳遞的，所以網(wǎng)格與算法對傳遞過程中的數(shù)值仿真結(jié)果的最終精度與計算過程的效率有著重要影響，網(wǎng)格的優(yōu)劣直接影響到整個數(shù)值模擬計算結(jié)果 [15]。 網(wǎng)格類型分為：結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。 本研究重點在于對輥道窯燒成帶內(nèi)溫度場分布均勻性進行數(shù)值模擬，所建立的輥道窯物理模型的爐膛和陶瓷坯體都是簡單的長方體結(jié)構(gòu)，應(yīng)該采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中的六面體網(wǎng)格對該模型進行網(wǎng)格劃分。輥道窯物理模型包含燒嘴 、坯體、爐窯壁面、爐膛以及出煙口。其中坯體、爐窯壁面、爐膛和出煙口使用結(jié)構(gòu)化六面體進行網(wǎng)格劃分；燒嘴比較特殊，由于其結(jié)構(gòu)為圓柱體，先將其進行適當(dāng)?shù)那蟹郑缓笤偈褂媒Y(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)化分。 此外，隨著煙氣的流動，越接近煙氣出口的區(qū)域溫度分布越均勻，而在燒嘴附近區(qū)域的速度和溫度梯度都明顯變大，因此對燒嘴附近區(qū)域需要增大網(wǎng)格密度。網(wǎng)格劃分圖如圖 32 所示，最終獲得的網(wǎng)格數(shù)為 257052，網(wǎng)格最差扭曲度為 ，網(wǎng)格質(zhì)量良好。 衛(wèi)生潔具輥道窯燒成帶溫度均勻性仿真研究 第 13 頁 共 34 頁 圖 32 網(wǎng)格劃分圖 控制方程的離散化 離散化的實質(zhì)就是用有限 個可測量離散點來替代原本的連續(xù)空間，能夠降低某些計算的復(fù)雜度，對于一些低效率計算格外有效。本研究所建立的模型的控制方程都是偏微分方程，如果直接計算解析解，計算量巨大，所以采用離散法求解十分有效。 在常用的離散化方法中，有限體積法由于其較高的計算效率，近年來被廣泛應(yīng)用于CFD 領(lǐng)域，其關(guān)鍵在于如何將控制體積界面上的物理量及其導(dǎo)數(shù)通過離散點物理量插值求出，插值的方式主要有中心差分格式、迎風(fēng)格式和混合格式等 [16]。 本研究采用的插值法為迎 風(fēng)格式。迎風(fēng)格式分為一階迎風(fēng)格式和二階迎風(fēng)格式兩種。一階迎風(fēng)格式誤差較高，適用于密集的網(wǎng)格條件或較低的精度要求條件，但其計算容易收斂；二階迎風(fēng)格式比一階迎風(fēng)格式精度更高，計算更加穩(wěn)定，對于復(fù)雜流動而言，可以獲得更為精確的結(jié)果，但其計算時間長，設(shè)備要求更高。 本文所研究的輥道窯的燒成帶陶瓷制品的燒制過程屬于復(fù)雜的湍流燃燒過程，一階迎風(fēng)格式和二階迎風(fēng)格式均滿足條件，但考慮到本次研究對精度要求不高，為了提高計算速度，本課題的控制方程離散化全部使用一階迎風(fēng)格式。 計算方法及模型 得到離散方程后，將要對離散 方程進行求解。 本研究選取分離式求解法。 SIMPLE 算法是分離式求解法中的一種算法，主要用于 衛(wèi)生潔具輥道窯燒成帶溫度均勻性仿真研究 第 14 頁 共 34 頁 求解不可壓縮流動，較少用于求解可壓縮流動，這種算法現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用在流