【正文】 33(1)：8589.[8] 馮青，[J].中國(guó)陶瓷，2006，42(4)： 2629.[9] 童劍輝，[J].陶瓷學(xué)報(bào)，2010，31(3)：502506.[10] 孟漢堃，[J].中國(guó)陶瓷工業(yè)， 2012，19(3)：1013.[11] [M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，1989，2225.[12] 周萍，周乃君，[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2006， 299301.[13] [D].武漢：武漢理工大學(xué)，2010，5：3637.[14] [D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2014，5：2728.[15] Filipiak M. Mesh Generation(Version 10). Edinburgh Parallel ComputingCentre, The University of Edinburgh, 2006.[16] 何志霞，王謙，[M].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)出版 社，2009，4049.[17] Fluent User39。 Technology, 1997,31, 25342539.二、研究?jī)?nèi)容，研究技術(shù)路線(xiàn)與驗(yàn)證過(guò)程；設(shè)計(jì)內(nèi)容、設(shè)計(jì)方案、預(yù)期成果。 （2）計(jì)算實(shí)際生產(chǎn)操作情況下，陶瓷輥道窯燒成帶在不同燃料入口速度、空燃比設(shè)置參數(shù)下的溫度均勻特性； （3）對(duì)已經(jīng)得到的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合分析，得到最優(yōu)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)控制參數(shù)。（2）選取輥道窯燒成帶單節(jié)窯爐作為計(jì)算區(qū)域，利用FLUENT數(shù)值模擬軟件建立相應(yīng)物理模型，采用切塊劃分網(wǎng)格方法對(duì)物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用Realizable模型、通用有限速度模型、P1輻射模型、SIMPLEC算法、二階迎風(fēng)離散格式建立計(jì)算區(qū)域數(shù)學(xué)模型。（3）對(duì)燃料入口速度、空燃比采用單因素分析方法分別計(jì)算分析燃料入口速度、空燃比兩種因素對(duì)燒成帶溫度均勻性的影響，獲得燒成帶燃料入口速度、空燃比的最優(yōu)設(shè)置參數(shù)。（2）完成本科生學(xué)位論文。（2）學(xué)習(xí)了一些國(guó)內(nèi)在輥道窯相關(guān)方面的仿真研究文獻(xiàn)，初步了解掌握了輥道窯燒成帶的模型建立和數(shù)值仿真過(guò)程，有利于為今后的研究奠定基礎(chǔ)，少走彎路。（4）大學(xué)期間做過(guò)工業(yè)爐窯、工業(yè)鍋爐等課程設(shè)計(jì)，具備一定經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)。（2）中南大學(xué)高性能計(jì)算機(jī)平臺(tái)，使查閱檢索文獻(xiàn)快捷、方便。階段階 段 內(nèi) 容起止時(shí)間第一階段文獻(xiàn)查閱、英文翻譯、FLUENT和Gambit軟件的學(xué)習(xí)、開(kāi)題～第二階段實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)～第三階段數(shù)據(jù)處理～第四階段撰寫(xiě)論文～第五階段答辯準(zhǔn)備，答辯及成績(jī)?cè)u(píng)定～五、指導(dǎo)教師意見(jiàn)指導(dǎo)教師（簽名） 年 月 日六、系所審查意見(jiàn)（對(duì)選題報(bào)告作出評(píng)價(jià)，提出是否通過(guò)的建議）系所負(fù)責(zé)人（簽名） 年 月 日七、學(xué)院審核意見(jiàn)教學(xué)副院長(zhǎng)（簽章） 單位（簽章） 年 月 日衛(wèi)生潔具輥道窯燒成帶溫度均勻性仿真研究摘要本文以44m衛(wèi)生潔具輥道窯燒成帶為研究對(duì)象，針對(duì)陶瓷制品在燒成過(guò)程中存在溫度分布不均勻的問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并對(duì)燃料入口速度、空燃比等主要工藝控制參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下：（1） 建立了輥道窯燒成帶物理模型和數(shù)學(xué)模型，其中湍流流動(dòng)采用realizable 湍流模型，燃料燃燒采用有限速率燃燒模型、輻射采用輻射模型，算法采用SIMPLE算法，控制方程的離散化采用一階迎風(fēng)格式。（2） 對(duì)基準(zhǔn)工況下輥道窯燒成帶內(nèi)溫度場(chǎng)、流場(chǎng)等進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果表明：燒嘴射流最大速度為10m/s,火焰長(zhǎng)度為300mm500mm；射流火焰受主流煙氣影響產(chǎn)生偏移形成有利制品換熱的流體循環(huán)。（3） 采用離散系數(shù)為潔具表面溫度均勻性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)燃料入口速度和空燃比兩個(gè)主要工藝控制參數(shù)進(jìn)行了仿真優(yōu)化研究，結(jié)果表明：，潔具溫度分布均勻性最好；天然氣、潔具溫度分布均勻性最好。陶瓷燒成工藝技術(shù)的提高和發(fā)展需要依耐窯爐的發(fā)展來(lái)實(shí)現(xiàn)，而窯爐設(shè)備的技術(shù)改進(jìn)又必然促進(jìn)陶瓷燒成技術(shù)的發(fā)展。目前，陶瓷生產(chǎn)用窯爐主要有梭式窯、隧道窯和輥道窯三種，其中輥道窯是陶瓷窯爐的發(fā)展方向。主要用于陶瓷磚、日用陶瓷、衛(wèi)生潔具等陶瓷制品的生產(chǎn)。輥道窯窯體內(nèi)是定常傳熱過(guò)程，沒(méi)有積熱損失，且輥道窯截面較小，窯內(nèi)溫度均勻性較梭式窯、隧道窯好，燒成周期較短，能夠快速燒成[[] 宋耑，武立行，[M].武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1996，2023.]?，F(xiàn)如今則有了隧道窯、輥道窯等各式各樣的窯爐。本文主要研究連續(xù)式窯爐中的輥道窯，其在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展歷程如下：輥道窯在20世紀(jì)20年代最先被應(yīng)用在冶金工業(yè)，30年代后才逐漸應(yīng)用到陶瓷制品的燒制工藝。世界上最先將輥道窯燒成技術(shù)應(yīng)用到建筑陶瓷和衛(wèi)生潔具陶瓷上的國(guó)家是蘇聯(lián)，臨近70年代時(shí)，蘇聯(lián)建筑陶瓷科學(xué)研究院設(shè)計(jì)出許多類(lèi)型的輥道窯，將其應(yīng)用到建筑陶瓷工業(yè)等領(lǐng)域，借此取得了巨大的成功。一直到20世紀(jì)30年代初期，我國(guó)首條燒成釉面磚輥道窯才成功在沈陽(yáng)試驗(yàn)建成。80年代初期我國(guó)著名陶瓷爐窯專(zhuān)家劉振群教授對(duì)陶瓷爐窯提出了“輕體化、煤氣化、輥道化、自動(dòng)化”的現(xiàn)代化目標(biāo),指出輥道窯代表先進(jìn)陶瓷爐窯生產(chǎn)技術(shù)，我國(guó)雖然已成功建立陶瓷輥道窯生產(chǎn)線(xiàn)，但與西方輥道窯技術(shù)相比差距仍然較大。 輥道窯的研究現(xiàn)狀目前，國(guó)外對(duì)輥道窯的文獻(xiàn)研究所見(jiàn)較少，部分學(xué)者從輥道窯的氟化物的排放、窯爐控制系統(tǒng)的選用以及窯內(nèi)傳熱多個(gè)方面對(duì)輥道窯進(jìn)行了有關(guān)研究。等在控制系統(tǒng)選用方面對(duì)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)兩種控制方式進(jìn)行了比較研究，認(rèn)為神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)在輥道窯溫度控制上全面優(yōu)于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，但該研究的不足在于研究成果并未經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)[[] Nguyen Quoc Dinh, Nitin V. Afzulpurkar. Neurofuzzy MIMO nonlinear control for ceramic roller kiln[J]. Simulation Modelling Practice and Theory, 2007,15:12391258.]。、等人對(duì)輥道窯內(nèi)陶瓷瓷磚在工業(yè)燒成中磚內(nèi)溫度分布進(jìn)行了理論熱力計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究，得出瓷磚頂部表面與底部表面之間存在超過(guò)100℃的顯著溫差且瓷磚表面溫度與窯爐熱電偶所測(cè)得的溫度總會(huì)存在較大差異的結(jié)論。在基礎(chǔ)傳熱研究方面，胡國(guó)林、胡曦等人對(duì)輥道窯內(nèi)壁溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬， 得出輥道窯預(yù)熱帶與燒成帶的內(nèi)壁溫度比制品溫度高的定量結(jié)論，證實(shí)了輥道窯內(nèi)壁溫度比制品表面溫度高這一猜想[[] 胡國(guó)林，[J].陶瓷學(xué)報(bào)，2000，21(1)：3236.]。林依翰、胡國(guó)林等人對(duì)輥道窯的窯內(nèi)空間傳熱進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，得出輥道窯內(nèi)煙氣中的和的黑度的經(jīng)驗(yàn)公式以及計(jì)算輥道窯內(nèi)煙氣對(duì)制品傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式[[] 林依翰，[J].陶瓷學(xué)報(bào)，2012，33(1)：8589.]。童劍輝、汪和平對(duì)輥道窯內(nèi)閘板的結(jié)構(gòu)對(duì)預(yù)熱帶中煙氣流動(dòng)的影響效果進(jìn)行了一些研究。馮清、陸琳、李柯、張柏清等人分別對(duì)燒嘴的噴射角度、流速以及布置等方面對(duì)窯爐內(nèi)溫度均勻性的影響進(jìn)行了研究，得出了有利于窯內(nèi)氣體流動(dòng)和溫度均勻性的最佳燒嘴設(shè)置參數(shù)。 綜上可知，對(duì)于燃料入口速度和空燃比對(duì)輥道窯燒成帶內(nèi)溫度場(chǎng)的影響方面，目前國(guó)內(nèi)外的研究資料較少，本研究重點(diǎn)探尋這兩個(gè)因素對(duì)燒成帶溫度場(chǎng)的影響，以期獲得最優(yōu)操作參數(shù)。由于輥道窯保證了陶瓷制品比較優(yōu)良的燒制過(guò)程，所以陶瓷行業(yè)特別是建筑陶瓷行業(yè)在輥道窯方面有著非常廣泛的應(yīng)用。輥道窯采用輥棒傳動(dòng)來(lái)進(jìn)行連續(xù)式生產(chǎn)，沒(méi)有使用窯車(chē)、匣缽，與傳統(tǒng)隧道窯相比，減少了因窯車(chē)運(yùn)動(dòng)所帶走的一部分熱量而產(chǎn)生的熱能損失，從而提升了熱效率；并且由于沒(méi)有使用窯車(chē)，輥棒上下均可加熱，窯內(nèi)溫差較隧道窯、梭式窯小，溫度分布更加均勻，在很大程度上減小了產(chǎn)品的燒成周期，為實(shí)現(xiàn)窯爐高效節(jié)能環(huán)保奠定了基本條件。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)于輥道窯溫度場(chǎng)均勻性開(kāi)展了較多研究工作，研究?jī)?nèi)容主要集中在“研究集中和分散排煙”、“不同的擋火板開(kāi)度對(duì)預(yù)熱帶內(nèi)氣體流動(dòng)的影響”以及“不同窯頂結(jié)構(gòu)下窯內(nèi)氣體流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布”等方向，研究成果頗為豐碩。 研究?jī)?nèi)容 本文主要針對(duì)衛(wèi)生陶瓷輥道窯燒成帶內(nèi)溫度均勻性較差的問(wèn)題進(jìn)行研究，研究工作以工程熱力學(xué)、流體力學(xué)和溫度場(chǎng)理論等理論知識(shí)為基礎(chǔ)，借助Fluent流體力學(xué)模擬軟件，建立輥道窯燒成帶仿真模型，得出有利于輥道窯窯內(nèi)溫度均勻性的最優(yōu)燃料入口速度、空燃比等工藝控制參數(shù)，為生產(chǎn)實(shí)踐及窯爐的自動(dòng)控制提供有效的指導(dǎo)。（2）研究基準(zhǔn)工況下燒成帶燃料入口速度、空燃比這兩個(gè)工藝控制參數(shù)對(duì)輥道窯燒成帶內(nèi)溫度場(chǎng)均勻性的影響。 第2章 衛(wèi)生潔具輥道窯燒成帶結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理 本文以湖南臨澧某陶瓷廠(chǎng)一44m衛(wèi)生潔具輥道窯燒成帶為研究對(duì)象，輥道窯實(shí)物圖如圖21所示。表21 輥道窯部分設(shè)備參數(shù)序號(hào)項(xiàng)目單位技術(shù)指標(biāo)備注1爐窯規(guī)格尺寸m2產(chǎn)品名稱(chēng)衛(wèi)生陶瓷3設(shè)備產(chǎn)量件/天16004燒成周期h95窯體材料聚輕莫來(lái)石外敷硅酸鋁纖維 輥道窯燒成帶結(jié)構(gòu) 燒成帶窯體結(jié)構(gòu)主要包括有窯墻、窯頂、窯底、輥棒、燒嘴和一些附屬結(jié)構(gòu)[[] [M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，1989，2225.]。（1）窯墻窯墻外部包有45mm的薄鋼板結(jié)構(gòu)。通過(guò)選擇材料，最終決定窯墻最里層使用232mm厚的高溫聚輕莫來(lái)石質(zhì)絕熱磚，中間使用233mm厚的耐火纖維，最外層包裹含鋯針刺保溫氈、高鋁針刺保溫氈及硅酸鋁纖維保溫毯(板)等保溫層，窯墻總厚度為495mm?？紤]到該衛(wèi)生潔具輥道窯工作溫度并非很高，采用和窯墻同樣的材料也能滿(mǎn)足要求，故本著節(jié)約簡(jiǎn)便的原則，該型輥道窯窯頂最里層使用250mm厚的高溫聚輕莫來(lái)石質(zhì)絕熱磚，中間使用140mm厚耐火纖維，最外層包裹含鋯針刺保溫氈、高鋁針刺保溫氈及硅酸鋁纖維保溫毯(板)等保溫層。如果衛(wèi)生潔具制品的潮氣過(guò)重，可以針對(duì)性采用吊頂結(jié)構(gòu)和堇青石一莫來(lái)石平吊頂板，如此便能有效防止潮濕煙氣的侵蝕，并且也能較好地降低窯體對(duì)外的熱量喪失。該型輥道窯燒成帶窯底采用三層結(jié)構(gòu)，最里層使用134mm厚的高溫聚輕莫來(lái)石質(zhì)絕熱磚，中間使用67mm厚耐火纖維，最外層填充134mm厚輕質(zhì)粘土。（4）輥棒實(shí)踐證明衛(wèi)生潔具陶瓷輥道窯中的輥棒的材質(zhì)和數(shù)量以及其運(yùn)動(dòng)對(duì)溫度場(chǎng)的影響非常小。（5）燒嘴輥棒將窯內(nèi)空間分為上下兩個(gè)通道，燒嘴交錯(cuò)布置在窯墻輥棒下方兩側(cè)，本課題研究的輥道窯為新型節(jié)能輥道窯，使用的燃料為天然氣。（6）擋火墻本課題所研究的輥道窯燒成帶結(jié)構(gòu)，只在窯底每?jī)晒?jié)之間設(shè)置有高為402mm的擋火墻。（7）制作物理模型時(shí)可忽略的附屬結(jié)構(gòu)測(cè)溫孔:主要用于對(duì)溫控點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，有利于使?fàn)t窯按照預(yù)定的燒制程序?qū)μ沾芍破愤M(jìn)行燒制。本課題在制作模型時(shí)考慮到測(cè)溫孔對(duì)溫度場(chǎng)影響比較微弱，所以忽略了該結(jié)構(gòu)。爐窯運(yùn)行時(shí)有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)輥棒折斷，制品掉落甚至發(fā)生倒窯事故。觀(guān)察孔:觀(guān)察孔稱(chēng)也被稱(chēng)作觀(guān)火孔，一般設(shè)置在燒嘴正對(duì)面的窯墻上，用于觀(guān)察窯內(nèi)燃燒情況與正對(duì)燒嘴的火焰長(zhǎng)度。其與事故處理孔一樣在模擬工況時(shí)可忽略。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。制品的前進(jìn)方向與窯內(nèi)煙氣流動(dòng)方向相反。天然氣和空氣通過(guò)燒嘴兩根管道以預(yù)定的速度噴入爐窯，快速混合后點(diǎn)火燃燒，使窯內(nèi)溫度保持在一定范圍內(nèi)。 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(guò)程是一個(gè)十分復(fù)雜的演變過(guò)程，其涉及到流體運(yùn)動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)等復(fù)雜的物理變化過(guò)程，同時(shí)還伴隨有不同的化學(xué)反應(yīng)與變化。本研究采用FLUENT數(shù)值模擬軟件對(duì)輥道窯燒成內(nèi)的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)變化情況進(jìn)行研究。 簡(jiǎn)化與假設(shè)為便于幾何模型的建立，合理利用計(jì)算資源，對(duì)輥道窯窯體的建立以及計(jì)算進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化與假設(shè)，具體如下：（1）陶瓷制品在輥棒間的傳動(dòng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，但由于設(shè)備配置無(wú)法滿(mǎn)足過(guò)高要求，對(duì)燒成帶內(nèi)的溫度場(chǎng)變化過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真較為困難，故在建模時(shí)忽略了輥棒，且只選取兩個(gè)特定的衛(wèi)生潔具來(lái)分析其各個(gè)表面的溫度分布特點(diǎn)。（3）忽略窯墻透風(fēng)對(duì)爐溫的影響,假設(shè)窯體氣密性較好。（5）忽略燒成過(guò)程中陶瓷制品內(nèi)因化學(xué)物理反應(yīng)產(chǎn)生的熱源對(duì)溫度場(chǎng)的變化影響，即在燒成過(guò)程中不考慮制品內(nèi)熱源問(wèn)題。 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(duì)象，輥道窯燒成帶結(jié)構(gòu)尺寸如圖31所示。該模型窯長(zhǎng)1000mm、窯內(nèi)空寬1220mm、窯內(nèi)空高1194mm，輥棒下側(cè)交錯(cuò)布置兩個(gè)垂直于窯墻的燒嘴，每?jī)蓚€(gè)交錯(cuò)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。 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(gè)臥式矩形爐膛，在輥道窯爐壁下方兩側(cè)交錯(cuò)分布有燒嘴。 數(shù)學(xué)模型和解析域數(shù)學(xué)建模是基于計(jì)算流體力學(xué)、計(jì)算燃燒學(xué)、計(jì)算傳熱學(xué)而建立起來(lái)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。 (1)質(zhì)量守恒方程質(zhì)量守恒方程也被稱(chēng)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。（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(duì)體系作功功率之和等于流體內(nèi)能量的增加率。