輥道窯不同窯頂結(jié)構(gòu)下氣體流場與溫度場的數(shù)值模擬

孟漢堃 蔣方樂

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，江西景德鎮(zhèn)333001）

輥道窯不同窯頂結(jié)構(gòu)下氣體流場與溫度場的數(shù)值模擬

孟漢堃 蔣方樂

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，江西景德鎮(zhèn)333001）

利用CFD軟件Fluent對不同窯頂結(jié)構(gòu)的輥道窯氣體流場和溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了不同窯頂結(jié)構(gòu)下窯內(nèi)氣體流場和溫度場的分布，分析了不同窯頂結(jié)構(gòu)對流場和溫度場的影響。

輥道窯；不同窯頂結(jié)構(gòu)；數(shù)值模擬

0 前言

輥道窯是目前陶瓷行業(yè)的主要燒成設(shè)備，其窯內(nèi)溫度場均勻，窯內(nèi)傳熱速率與傳熱效率大，保證了快燒的實(shí)現(xiàn)，而快燒又保證了產(chǎn)量，降低了能耗，是當(dāng)前陶瓷工業(yè)中優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗的先進(jìn)窯型[1]。輥道窯采用什么樣的窯頂結(jié)構(gòu)形式，已有學(xué)者也進(jìn)行了一系列的研究和分析[2,3]。它不僅會影響窯爐的造價及窯內(nèi)溫度的均勻性，而且還影響熱利用率。為此研究和探討輥道窯的拱頂和平頂結(jié)構(gòu)，對進(jìn)一步提高窯爐的產(chǎn)量，增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益有著重要的意義。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在對輥道窯的研究中，數(shù)值模擬是一種具有高速度運(yùn)算能力的模擬手段，它具有研究成本低，周期短的特點(diǎn)，并能得到完整的數(shù)據(jù)，不再受實(shí)驗儀器和研究方法的限制。本文以輥道窯窯頂結(jié)構(gòu)為研究對象，結(jié)合傳熱學(xué)、流體力學(xué)和溫度場理論等知識，借助Fluent流體力學(xué)模擬軟件，建立陶瓷輥道窯的窯體模型，對溫度場及流場進(jìn)行數(shù)值模擬，為生產(chǎn)實(shí)踐及以后的計算機(jī)自動控制系統(tǒng)提供有效的理論基礎(chǔ)。

1 物理模型與數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型

本文以某廠拱頂結(jié)構(gòu)的輥道窯為研究對象，并相對應(yīng)的建平頂結(jié)構(gòu)的輥道窯模型，如圖1和圖2?？紤]到數(shù)值模擬的計算量以及現(xiàn)有計算機(jī)資源的限制，故只選取輥道窯部分窯體作為模擬對象，其主要尺寸如表1，并對模型進(jìn)行以下簡化：磚坯距兩側(cè)窯墻的距離按經(jīng)驗取200mm；擋火板與擋火墻設(shè)置在兩節(jié)模型中間；燒嘴通道長度和端面直徑分別取230mm和80mm。

簡化后的計算模型結(jié)構(gòu)相對簡單和規(guī)整，采用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，窯內(nèi)結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)六面體網(wǎng)格，而燒嘴磚通道空間采用非結(jié)構(gòu)六面體網(wǎng)格，且生成網(wǎng)格質(zhì)量很好。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖3。

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 控制方程

本文模型為輥道窯燒成帶其中兩節(jié)以及預(yù)熱帶700℃和400℃左右各取兩節(jié)，窯內(nèi)氣體流動主要為湍流流動，選用標(biāo)準(zhǔn)K-湍流模型進(jìn)行湍流計算模型；燒成帶窯內(nèi)傳熱方式主要為輻射傳熱，選擇P-1輻射模型進(jìn)行輻射計算。由于400℃左右時主要傳熱方式為對流換熱，該模型忽略輻射傳熱。

數(shù)學(xué)模型中可用一個通用方程來描述連續(xù)、動量和能量方程，即：

表1 窯體燒成帶主要尺寸Tab.1 Main dimensions of the kiln's firing zone 單位：mm

表2 各邊界物理參數(shù)Tab.2 The physical parameters on each boundary

P-1輻射方程：

K方程和ε方程的模型常數(shù)(6)如下：

1.2.2 邊界條件

以平頂結(jié)構(gòu)模型為例進(jìn)行邊界條件的設(shè)置，邊界的物理模型如圖4所示。各邊界的物理參數(shù)如表2。煙氣物性參數(shù)取值如表3。

1.2.3 數(shù)值解法

數(shù)值計算方法采用分離求解法，能量方程，采用二階方程式，采用SIMPLE算法進(jìn)行求解，各控制方程的松弛因子采用默認(rèn)因子，對方程迭代求解直至最后收斂。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

各模型經(jīng)過2000多次的迭代計算，殘差曲線監(jiān)視窗口中可以看出曲線已經(jīng)趨于穩(wěn)定，認(rèn)為計算收斂?，F(xiàn)在取各個模型的速度分布和溫度分布圖進(jìn)行分析和比較。

表3 煙氣物性參數(shù)Tab.3 The physical parameters of flue gas

從圖5、6溫度分布圖可以直觀看出，在燒成帶不同窯頂結(jié)構(gòu)下溫度分布略有不同，都在1560～1570K之間，溫差都在10K左右，溫度在靠近窯頂和窯墻的地方都較低。輥上下溫度拱頂結(jié)構(gòu)較平頂結(jié)構(gòu)下更為均勻。從圖7、8可以看出由燒嘴向窯墻方向速度逐漸變小，拱頂結(jié)構(gòu)下速度分布更為均勻。

從圖9、10溫度圖分布可以看出不同窯頂結(jié)構(gòu)下溫度都很均勻，都在964～966K左右，拱頂結(jié)構(gòu)下溫度較高，966K溫度分布更廣，也更均勻，在窯墻與窯頂、窯底交界處溫度都低5K。從速度分布圖11、12可以看到，在中空處速度都較大，溫度稍高，窯墻與窯頂、窯底交界處速度較慢，近壁面處阻力較大，故傳熱效果要差，溫度也就較中空處低。

從圖13、14可以看出拱頂結(jié)構(gòu)下溫度要略高，但是溫差較平頂結(jié)構(gòu)下更大，相比之下，平頂結(jié)構(gòu)下的溫度場更為均勻。從圖15、16可以看到拱頂結(jié)構(gòu)下的速度略高，有利于對流換熱，但是煙囪排出的煙氣溫度也會更高，不利于熱量的利用。

3 結(jié)論

通過對不同窯頂結(jié)構(gòu)的輥道窯進(jìn)行建模和數(shù)值模擬分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）輥道窯在不同窯頂結(jié)構(gòu)下的煙氣的溫度場和速度流場略不相同，窯頂結(jié)構(gòu)的不同對溫度場和流場有一定的影響，合理的窯頂結(jié)構(gòu)可以得到更均勻的溫度場，在一定程度上可以保證產(chǎn)品的質(zhì)量，降低能耗并提高產(chǎn)量。

（2）在燒成帶拱頂結(jié)構(gòu)較平頂結(jié)構(gòu)更優(yōu)一些，這時溫度較高，傳熱方式主要以輻射傳熱為主，拱頂?shù)拿黠@優(yōu)勢是空間大，輻射平均射線程較大，煙氣的輻射率也大，溫度較平頂結(jié)構(gòu)下略高且更為均勻。

（3）模型溫度在700℃左右時，拱頂結(jié)構(gòu)也是相對平頂結(jié)構(gòu)下溫度更均勻。模型溫度在400℃左右時，平頂結(jié)構(gòu)溫度更為均勻，拱頂結(jié)構(gòu)溫度較高，溫差也較大，煙氣流速大，帶走熱量相對較多，熱利用率較平頂結(jié)構(gòu)低。

（4）拱頂結(jié)構(gòu)的選擇還要考慮拱頂?shù)母叨群徒嵌鹊纫蛩?，如果不合理可能會增加窯頂?shù)纳崃?，窯內(nèi)煙氣速度偏大，不利于熱量的利用，以及可能會對施工和事故的處理帶來不便。對比上述模型后，在700℃左右至燒成帶采用拱頂結(jié)構(gòu)，400℃左右采用平頂結(jié)構(gòu)比較合理。

1 胡國林.建陶工業(yè)輥道窯.北京:中國輕工業(yè)出版社,1998

2 王成禮,范文遠(yuǎn).論隧道窯的平頂結(jié)構(gòu).硅酸鹽通報,1994,(5)

3 J.諾衣曼著.江容廣譯.玻璃熔窯拱頂輻射熱的利用.化學(xué)世界,第十一卷

4 陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)（第2版）.西安:西安交通大學(xué)出版社,2001

5 孫晉濤.硅酸鹽工業(yè)熱工基礎(chǔ).武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社,1992

6 王福軍.計算流體動力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用.北京:清華大學(xué)出版

7 楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)（第四版）高等教育出版社,2006

Numerical Simulation of Gas Flows and Temperature Fields for Roller Kilns with Different Roofs

MENG HankunJIANG Fangle
(Jingdezhen Ceramic Institute,Jingdezhen,Jiangxi 334003)

Numerical simulation of gas flows and temperature fields within roller kilns with different roofs are realized through CFD software Fluent.The distributions of gas flow and temperature inside these kilns are investigated,and their dependence on different roof structures is analyzed.

roller kiln;different kiln roof;numerical simulation

on Apr.8,2012

TQ174.6+5

A

1006-2874（2012）03-0010-05

2012-04-08