【正文】 然 衛(wèi)生潔具輥道窯燒成帶溫度均勻性仿真研究 第 29 頁 共 34 頁 后逐漸改變空氣入口速度（即改變了空燃比），設(shè)置其他組別。 輥道窯燒成帶空燃比因素優(yōu)化研究 在研究空燃比因素影響時(shí)，應(yīng)該同樣將燃料入口速度設(shè)置為一個(gè)定值。 根據(jù)表 51可知，燃料入口速度為 ，空氣入口速度為 ，陶坯溫度離散系數(shù)最小為 104，此時(shí)陶瓷制品的溫度均勻性達(dá)到最佳。 由于求取陶瓷制品的溫度離散系數(shù) vc 的計(jì)算量太大，為了節(jié)約研究時(shí)間，本研究在探究燃料入口速度和離散系數(shù)的規(guī)律時(shí)，只選取了溫度均勻性較差的陶瓷制品壹為研究對象，認(rèn)為兩個(gè)陶瓷制品的規(guī)律變化是一樣的。 然后以第一組數(shù)據(jù)為中心，增加或減小燒料入口速度，并計(jì)算出各自對應(yīng)的空氣速度，將其分別設(shè)定為其他組別。本研究在優(yōu)化燃料入口速度時(shí)將空燃比設(shè)定為燒嘴噴出的燃料、空氣入口速度比為 （該值為現(xiàn)場實(shí)測值），即： 4 ? 空 氣 以第 4章的仿真模擬為基礎(chǔ)，設(shè)定第一組數(shù)據(jù)的燃料入口速度為 。 由于本課題需要同時(shí)研究燃料入口速度和空燃比對燒成帶溫度均勻性的影響，而這兩個(gè)因素會(huì)相互影響，且兩者同時(shí)影響燒成帶的溫 度均勻性，所以應(yīng)當(dāng)固定其中一個(gè)因素，改變另一個(gè)因素的數(shù)值來分別研究其影響效果。由于受到回流的影響，陶瓷制品貳的溫度均勻性要略好于陶瓷制品壹。 (2)火焰附近溫度分布處于 1500K1800K 之間，輥道 窯爐膛內(nèi)除煙氣出口附近的溫度分布受回流影響呈現(xiàn)梯度分布外，其余區(qū)域的氣流溫度一般在 1200K1400K 之間。所以位于左側(cè)的陶瓷制品貳的溫度均勻性要略好于右側(cè)的陶瓷制品壹的溫度均勻性。從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，陶瓷制品貳的三個(gè)評價(jià)指標(biāo)都要優(yōu)于陶瓷制品壹，這表明陶瓷制品貳的外表面溫度分布均勻性要比陶瓷制品壹好一些。 又陶瓷制品的溫度離散系數(shù)計(jì)算公式為： TTTNcNi iv??? 121 ）（， 所以計(jì)算得： ???壹vc ， ???貳vc 。 衛(wèi)生潔具輥道窯燒成帶溫度均勻性仿真研究 第 26 頁 共 34 頁 陶瓷制品外表面溫度均勻性分析與評價(jià) 根據(jù)章節(jié)（ ） 介紹的溫度分布均勻性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過計(jì)算表 43 和 44 的數(shù)據(jù)可得： ?壹T ， ?貳T 。4 的平均溫度為 1199K，平均溫差為 8K。陶瓷制品壹上表面 3 的平均溫度為 1195K，下表面 4 的平均溫度為 1204K，平均溫差為 9K；陶瓷制品貳上表面 39。39。1(1 的平均溫度最低，極大與極小溫 衛(wèi)生潔具輥道窯燒成帶溫度均勻性仿真研究 第 25 頁 共 34 頁 差分別為 51K、 39K，都比兩個(gè)陶瓷制品外表面平均溫度的 5%（約 ）要小，說明該輥道窯對陶瓷制品的燒制效果都比較好。 表 44 陶瓷制品（壹）各測溫點(diǎn)溫度值（單位： K） 測溫點(diǎn) 溫度 測溫點(diǎn) 溫度 測溫點(diǎn) 溫度 測溫點(diǎn) 溫度 測溫點(diǎn) 溫度 測溫點(diǎn) 溫度 1壹P 1 1178 2壹P 1 1208 3壹P 1 1211 4壹P 1 1204 5壹P 1 1207 6壹P 1 1206 1壹P 2 1172 2壹P 2 1214 3壹P 2 1207 4壹P 2 1202 5壹P 2 1202 6壹P 2 1211 1壹P 3 1165 2壹P 3 1211 3壹P 3 1204 4壹P 3 1207 5壹P 3 1198 6壹P 3 1214 1壹P 4 1171 2壹P 4 1206 3壹P 4 1199 4壹P 4 1199 5壹P 4 1195 6壹P 4 1211 1壹P 5 1181 2壹P 5 1196 3壹P 5 1192 4壹P 5 1208 5壹P 5 1188 6壹P 5 1209 1壹P 6 1184 2壹P 6 1192 3壹P 6 1188 4壹P 6 1202 5壹P 6 1183 6壹P 6 1207 1壹P 7 1189 2壹P 7 1188 3壹P 7 1185 4壹P 7 1202 5壹P 7 1181 6壹P 7 1203 1壹P 8 1196 2壹P 8 1185 3壹P 8 1181 4壹P 8 1206 5壹P 8 1177 6壹P 8 1208 1壹P 9 1179 2壹P 9 1201 3壹P 9 1196 4壹P 9 1204 5壹P 9 1189 6壹P 9 1211 1壹P 10 1177 2壹P 10 1208 3壹P 10 1210 4壹P 10 1203 5壹P 10 1205 6壹P 10 1212 1壹P 11 1173 2壹P 11 1216 3壹P 11 1206 4壹P 11 1205 5壹P 11 1200 6壹P 11 1207 1壹P 12 1165 2壹P 12 1212 3壹P 12 1202 4壹P 12 1206 5壹P 12 1199 6壹P 12 1213 1壹P 13 1170 2壹P 13 1205 3壹P 13 1197 4壹P 13 1198 5壹P 13 1196 6壹P 13 1216 1壹P 14 1179 2壹P 14 1217 3壹P 14 1190 4壹P 14 1211 5壹P 14 1191 6壹P 14 1215 1壹P 15 1183 2壹P 15 1193 3壹P 15 1185 4壹P 15 1209 5壹P 15 1185 6壹P 15 1211 1壹P 16 1187 2壹P 16 1187 3壹P 16 1182 4壹P 16 1203 5壹P 16 1179 6壹P 16 1212 1壹P 17 1193 2壹P 17 1183 3壹P 17 1178 4壹P 17 1206 5壹P 17 1174 6壹P 17 1209 平均值 1179 1201 1195 1204 1191 1210 在基礎(chǔ)工況和初始燃料入口速度和空燃比條件下，測得的陶瓷制品壹、貳的外表面最高溫度分別 為 1216K 和 1214K，最低溫度分別為 1165K 和 1175K；且兩個(gè)陶瓷制品的后表面 ）以及 39。制品壹、貳的其他面也用同樣的方式選取測溫點(diǎn)，并逐一找到各點(diǎn)的對應(yīng)坐標(biāo)，然后使用 FLUENT 軟件輸出各點(diǎn)對應(yīng)的溫度模擬數(shù)值。 654321 、 ，如圖 47 所 示。39。39。 陶瓷制品外表面溫度分布 首先設(shè)定兩個(gè)陶瓷制品分別為制品壹、制品貳，然后分別命名兩個(gè)坯體的六個(gè)面為面 654321 、 和面 39。 maxT 與 minT 則顯示出最高溫度和最低溫度與平均值的偏差。它是一個(gè)無量綱量。 溫度離散系數(shù) vc 的計(jì)算公式為： Tcv ?? （ 44） 公式（ 44）中的 ? 是溫度的標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算公式為： 21 )(1 TTN Ni i ?? ??? （ 45） 公式（ 45）中， N 是交叉直線上選取的節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。 溫度分布均勻性評價(jià)體系的建立 本研究采用三個(gè)無量綱量 [1920]對陶瓷制品外表面的溫度分布均勻性進(jìn)行評估。從圖中還可以看出，爐窯中部的陶瓷制品所在區(qū)域溫度場比較均勻。天然氣在空氣中燃燒產(chǎn)生高溫，使得火焰區(qū)域溫度瞬間提高到 2021K 以上，然后隨著燃燒過程結(jié)束，高溫氣流不斷向周邊進(jìn)行散熱，最終達(dá)到了溫度平衡。射流火焰周圍的溫度一般在 1500K1800K 之間； 爐膛內(nèi)氣流主流溫度一般在 1200K1400K 之間。從圖上可以看出，燒嘴附近溫度不高，因?yàn)闊旄浇烊粴馊紵粍×?，而在離開燒嘴一段距離之后，天然氣和空氣已經(jīng)充分混合后進(jìn)行充分燃燒，此時(shí)火焰的溫度最高。 圖 44中為燒嘴中心水平截面上的溫度分布情況，天然 氣和空氣在燒嘴中混合，點(diǎn)火燃燒。 截面溫度分布等值線圖如圖 45所示，截取 Y=0 中心截面的溫度分 布等值線圖如圖 46所示： 圖 44 燒嘴中心 XY截面溫度 (K)分布等值線圖 衛(wèi)生潔具輥道窯燒成帶溫度均勻性仿真研究 第 21 頁 共 34 頁 （ X=） （ X=） 圖 45 X=177。 從圖 43 可以看出，爐窯中心的流體速度基本穩(wěn)定在 ，只有少部分區(qū)域的流體流速由于受到燒嘴噴出的射流影響而出現(xiàn)較小的提高。 從圖 42可以看出燒嘴在噴出射流流體時(shí)初始時(shí)沿著爐窯壁面流動(dòng)，之后主流方向發(fā)生變化，流體逐漸分散匯入了爐膛中。由于天然氣在空氣中的燃燒強(qiáng)度隨距離增加大幅度降低，靠近對面窯壁的流體速度也下降迅速，最終只有 。天然氣和空氣劇烈燃燒之后， 衛(wèi)生潔具輥道窯燒成帶溫度均勻性仿真研究 第 20 頁 共 34 頁 燃燒產(chǎn)物的焓值會(huì)大大增加，增加的焓值一部分轉(zhuǎn)化成了氣流的熱能，其余轉(zhuǎn)化成了氣流的動(dòng)能。射流產(chǎn)生的循環(huán)流體又促進(jìn)各股射流之間的混合，強(qiáng)化了燒成帶內(nèi)的傳熱過程，改善了爐窯的溫度場均勻性，提升陶瓷制品與煙氣的換熱效率。這兩股射流都向煙氣出口方向發(fā)生了一些偏移，靠近出口的燒嘴產(chǎn)生的射流最為明顯，原因是煙氣主流改變了射流煙氣的運(yùn)動(dòng)方向。 的兩個(gè)截面（兩個(gè)燒嘴的中心位置分別位于這兩個(gè)截面上）的速度矢量圖如圖 42所示，再截取 Y=0 中心截面的速度矢量圖如圖 43所示： 圖 41 燒嘴中心位置的 XY截面速度 (m/s)矢量圖 （ a) X= 衛(wèi)生潔具輥道窯燒成帶溫度均勻性仿真研究 第 19 頁 共 34 頁 （ b) X= 圖 42 X=177。 計(jì)算結(jié)果分析 流場分析 按照 算，通過在模型中選取一些特殊的截面，得到其速度場分布特性，可以以此為依據(jù)分析輥道窯燒成帶內(nèi)的流場特性。 根據(jù)表 43可知，兩點(diǎn)溫度的模擬值與實(shí)測值相對誤差都小于 5%，模型驗(yàn)證可行， 衛(wèi)生潔具輥道窯燒成帶溫度均勻性仿真研究 第 18 頁 共 34 頁 認(rèn)為模型可靠。模型驗(yàn)證方法如下： 在模型寬度方向上距離兩邊窯壁 5mm處各選取一個(gè)測溫點(diǎn)，首先通過數(shù)值模擬得出兩點(diǎn)的溫度數(shù)值，然后分別這兩點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測對得到實(shí)測值，根據(jù)相對誤差公式計(jì)算模擬值與實(shí)測值的相對誤差，再對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。由于既要保證計(jì)算精度，又要提高計(jì)算速度，并且燒成帶內(nèi)的燃燒反應(yīng)光學(xué)深度比較大，所以 本研究的控制方程采用了一階迎風(fēng)格式。 本研究的目的是研究陶瓷制品外表面平均溫度和其溫度分布的均勻性，對輥道窯燒成帶模型采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算，忽略了熱響應(yīng)等瞬態(tài)過程。 從爐窯燒嘴噴射出的天然氣 (主要成分為甲烷 )和空氣混合后劇烈燃燒，這個(gè)過程必將影響輥道窯爐膛內(nèi)煙氣的溫度、速度等參數(shù)，從而影響陶瓷坯體外表面溫度均勻性。煙氣、窯壁與陶瓷制品之間存在輻射換熱，換熱量在總換熱量中占據(jù)很大的比例，所以在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)必須考慮。該湍流模型適合本研究針對的輥道窯的流場、溫度場的模擬運(yùn)算，精度也 符合工程要求。得到的邊界條件數(shù)據(jù)如表 42所示。 窯壁墻面發(fā)射率設(shè)置為： ?? 。 K））： + 103t 陶瓷坯體密度（ kg/m3 ): 720 比熱容（ kJ/kg窯壁邊界條件釆用無滑移壁面邊界條件，即忽略靠近窯壁的極小區(qū)域內(nèi)的氣體流動(dòng)。邊界條件類型如下表 41所示。 選擇邊界類型 不同的物質(zhì)其性質(zhì)不同，所對應(yīng)的邊界條件也不同。設(shè)置網(wǎng)格邊界條件時(shí)必須以實(shí)際控制參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，并且網(wǎng)格邊界條件和數(shù)學(xué)模型邊界條件必須一樣。 邊界條件和求解方法 本研究通過實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的控制參數(shù)確定了邊界條件，邊界條件是數(shù)學(xué)模型所必須的已知量。 本章主要通過數(shù)值模擬軟件 FLUENT[17]對輥道窯內(nèi)的溫度場、流場進(jìn)行模擬仿真，獲得所建物理模型內(nèi)的物性空間分布特征，針對陶瓷制品外表面的溫度分布情況進(jìn)行分析。 衛(wèi)生潔具輥道窯燒成帶溫度均勻性仿真研究 第 15 頁 共 34 頁 第 4 章 輥道窯燒成帶基準(zhǔn)工況數(shù)值模擬 輥道窯燒成帶內(nèi)溫度比較高 ,一般在 1200K 以上，一般測量方法很難得到 整個(gè)爐窯內(nèi)的物理特性分布情況。 章節(jié)小結(jié) 本章節(jié)對陶瓷輥道窯進(jìn)行了一定的簡化與假設(shè)，建立了輥道窯燒成帶的物理模型以及數(shù)學(xué)模型，分析了該模型的解析域，并對解析域進(jìn)行了適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格劃分，其中網(wǎng)格數(shù)228096，網(wǎng)格最差扭曲度為 ，網(wǎng)格質(zhì)量良好。 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(dòng)，較少用于求解可壓縮流動(dòng)，這種算法現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用在流動(dòng)與傳熱問題的數(shù)值模擬上。 計(jì)算方法及模型 得到離散方程后，將要對離散 方程進(jìn)行求解。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