基于GFM軟件的玻璃窯爐數(shù)值模擬

王　剛，楊國(guó)洪，張　峰，楊　威

（彩虹顯示器件股份有限公司，陜西 咸陽 712000）

基于GFM軟件的玻璃窯爐數(shù)值模擬

王剛，楊國(guó)洪，張峰，楊威

（彩虹顯示器件股份有限公司，陜西 咸陽 712000）

玻璃窯爐分為燃燒空間和玻璃熔化部分，以GFM軟件為研究平臺(tái)，通過建模、計(jì)算與結(jié)果分析對(duì)玻璃窯爐進(jìn)行數(shù)值模擬研究，從模擬計(jì)算結(jié)果客觀反映玻璃窯爐溫度和流場(chǎng)分布規(guī)律，為窯爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)、實(shí)際生產(chǎn)工藝提供理論參考。

玻璃窯爐；燃燒空間；玻璃熔化；GFM

玻璃的熔制是配合料在高溫條件下發(fā)生的一系列物理變化和化學(xué)變化，經(jīng)歷硅酸鹽形成、澄清、均化和冷卻4個(gè)階段后而形成均勻的、無氣泡的、并符合成形要求的玻璃液的過程［1］。隨著液晶平板產(chǎn)品高速發(fā)展，對(duì)核心部件平板玻璃質(zhì)量的要求也愈來愈高。玻璃窯爐是玻璃生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵核心設(shè)備，屬于高耗能設(shè)備［2］。對(duì)玻璃窯爐的深入研究，對(duì)于提高玻璃質(zhì)量，減少玻璃生產(chǎn)成本具有重要意義。

隨著CAE技術(shù)的發(fā)展，玻璃窯爐的數(shù)學(xué)模擬技術(shù)也得到了迅速發(fā)展［3］。玻璃窯爐模型（GFM）是捷克Glass Service公司針對(duì)玻璃窯爐設(shè)計(jì)開發(fā)的一種仿真計(jì)算軟件，用于玻璃窯爐的三維數(shù)學(xué)模擬。GFM通過對(duì)燃燒（CM）和玻璃（GM）兩部分耦合計(jì)算，可以獲得玻璃窯爐內(nèi)燃燒火焰空間氣體流動(dòng)、燃燒狀況以及溫度場(chǎng)分布，玻璃液流動(dòng)方向、玻璃液流速和玻璃液的溫度場(chǎng)分布等。通過模擬可以獲取窯爐內(nèi)玻璃液體流動(dòng)狀況以及燃燒空間的傳熱、燃燒狀況［4］。計(jì)算結(jié)果的分析對(duì)減少玻璃窯爐設(shè)計(jì)周期、降低了優(yōu)化成本，并且對(duì)實(shí)際生產(chǎn)工藝的調(diào)節(jié)有重要的指導(dǎo)意義。

本文以國(guó)內(nèi)某型玻璃窯爐為分析對(duì)象，建立全玻璃窯爐幾何仿真模型，利用數(shù)值模擬軟件GFM對(duì)整個(gè)玻璃窯爐進(jìn)行模擬計(jì)算。

1　幾何模型的建立與邊界

GFM軟件包分為PRE-PROCESSORS、SOLVERS和POST-PROCESSING 3部分，在前處理中用GS CAD建立分析模型，輸入邊界條件，流體（玻璃液）相關(guān)參數(shù)以及系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)，進(jìn)行求解，在后處理中查看計(jì)算結(jié)果，并進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算。

該型玻璃窯爐為電熔全氧燃燒型玻璃窯爐，玻璃熔池以電極加熱為主，通過焦耳熱直接給玻璃加熱［5］，燃燒空間以天然氣燃燒為輔助型，通過邊界耦合，形成一個(gè)整體數(shù)值模擬計(jì)算模型。

1.1玻璃窯爐模型建立

建立的仿真模型如圖1至圖2所示。

圖1　火焰燃燒空間

圖2　玻璃熔化池

玻璃窯爐燃燒空間有3組燃槍，非等距排列，純氧槍距離玻璃液面高度為40 cm，玻璃熔化池池壁有3組電極，電極之間等距排列，第一第三組電極距離前后墻45 cm。

1.2邊界條件與網(wǎng)格

在GFM軟件CAD模塊中，進(jìn)行模型的建立與網(wǎng)格的劃分，并進(jìn)行邊界條件的設(shè)定。表1為整個(gè)玻璃窯爐的邊界條件。

表1　玻璃窯爐邊界條件

依據(jù)GFM軟件邊界參數(shù)設(shè)置條件，設(shè)定投入料數(shù)值，玻璃液流出量，燃燒槍的天然氣量和氧氣量，玻璃熔化部分設(shè)置電極功率和電極電壓，整個(gè)玻璃窯爐與空氣之間按照自然對(duì)流換熱進(jìn)行邊界設(shè)置，玻璃熔化池與燃燒空間設(shè)定耦合邊界。初始溫度設(shè)定為1 400℃。

2　模擬計(jì)算結(jié)果與分析

2.1溫度場(chǎng)分布

圖3至圖6為玻璃窯爐不同截面溫度分布，從計(jì)算結(jié)果分析可知，火焰稱排列，保持水平狀態(tài)，圖4和圖5所示，窯爐內(nèi)部燃燒空間、玻璃流場(chǎng)溫度場(chǎng)沿中心線基本呈對(duì)稱分布，燃燒熱很好的輻射到玻璃表面，通過玻璃流場(chǎng)循環(huán)，傳遞燃燒熱能。

圖3　玻璃窯爐中心軸線溫度梯度分布

圖4　燃燒空間燃槍中心溫度梯度分布

圖5　窯爐中心（側(cè)視）溫度梯度分布

圖6　玻璃液面（俯視）溫度梯度分布

2.2流場(chǎng)分布

圖7至圖10分別為不同截面燃燒空間和玻璃液流動(dòng)方向示圖，圖7玻璃液流動(dòng)形成一個(gè)大循環(huán)和一個(gè)后部小循環(huán)，大循環(huán)逆時(shí)針流動(dòng)，傳遞燃燒熱，混合配合料使得玻璃液和新配合料充分融合，均化，熔化完成的玻璃液沿著后部小循環(huán)從出料口進(jìn)入通道。環(huán)流對(duì)于配合料的熔化、玻璃液的均化以及澄清起著重要的作用［6］。綜合圖示結(jié)果可知，玻璃流動(dòng)穩(wěn)定，形成的玻璃環(huán)流，助于形成高質(zhì)量均勻玻璃。

圖7　玻璃窯爐中心軸線流場(chǎng)分布

圖8　玻璃窯爐中心（側(cè)視）流場(chǎng)分布

圖9　燃燒空間燃槍中心面流場(chǎng)分布

圖10　玻璃液表面（俯視）流場(chǎng)分布

2.3玻璃熔化池焦耳熱與電流密度分布

該玻璃窯爐為電熔全氧燃燒型，在后處理結(jié)果中，可以得到熔化池焦耳熱分布和電流密度分布，圖11和圖12分別為該模型焦耳熱與電流密度分布示意圖，由圖可知，電極加熱效果良好，更好地作用在玻璃液上，電極之間池壁磚得到很好的保護(hù)，提高池壁磚使用壽命。

2.4其他分析計(jì)算結(jié)果

圖13是該玻璃窯爐模型進(jìn)行的玻璃液內(nèi)部氣泡行為分析，圖14為玻璃粒子流動(dòng)軌跡。由圖可知，玻璃液中的氣泡得到很好的澄清，有利于形成高質(zhì)量的玻璃。表2為玻璃液質(zhì)量參數(shù)計(jì)算，是通過玻璃模型中對(duì)粒子的計(jì)算跟蹤得到，包括滯留時(shí)間、熔化指數(shù)、澄清指數(shù)和均化指數(shù)。滯留時(shí)間最小的粒子軌跡成為臨界軌跡；融化指數(shù)是玻璃沿軌跡的熔化質(zhì)量，數(shù)值越高意味玻璃粒子滯留在高溫區(qū)域的時(shí)間越長(zhǎng)；澄清指數(shù)是玻璃沿軌跡的澄清質(zhì)量，數(shù)值越高意味玻璃粒子滯留在典型澄清溫度區(qū)域時(shí)間越長(zhǎng)；均化指數(shù)反映1 cm厚的條紋沿軌跡能被稀釋的次數(shù)。玻璃質(zhì)量參數(shù)計(jì)算對(duì)玻璃窯爐設(shè)計(jì)有很高的參考價(jià)值。

圖11　玻璃熔化池焦耳熱分布（俯視）

圖13　玻璃液內(nèi)部氣泡行為分析

圖14　玻璃粒子軌跡行為分析

表2　玻璃窯爐玻璃液質(zhì)量參數(shù)計(jì)算

3　結(jié)語

本文以某型玻璃窯爐為分析對(duì)象，對(duì)整個(gè)玻璃窯爐的燃燒空間和玻璃熔化池多物理耦合場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得到了玻璃窯爐整體的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)以及焦耳熱、電流密度等分布情況，并根據(jù)玻璃窯爐實(shí)際運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，玻璃溫度和空間溫度分布趨勢(shì)與實(shí)際一致性比較好，具有很高的參考價(jià)值。在實(shí)際生產(chǎn)中，可通過不同設(shè)計(jì)方案的調(diào)整，對(duì)玻璃窯爐進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，對(duì)比分析結(jié)果，提高玻璃窯爐設(shè)計(jì)水平和生產(chǎn)工藝調(diào)整水平，節(jié)約生產(chǎn)成本，并能對(duì)下一步玻璃窯爐設(shè)計(jì)提供有力依據(jù)。

［1］趙彥釗，殷海榮.玻璃工藝學(xué)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006（7）：236-237.

［2］劉宗明，韓韜，段廣彬.全氧燃燒玻璃纖維窯爐數(shù)值模擬研究［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2011，14（2）：196-201.

［3］孫承緒，李會(huì)平.數(shù)字窯爐［J］.玻璃與搪瓷，2006，34（2）：58-61.

［4］金偉，杜鳳英，段廣彬，等.基于FLUENT平臺(tái)的玻璃窯爐燃燒空間的數(shù)值模擬［J］.山東化工，2011，40（9）：26-29.

［5］唐偉，朱永昌.數(shù)學(xué)模擬在電熔玻璃窯爐中的應(yīng)用［J］.建筑玻璃與工業(yè)玻璃，2013（4）：47-48.

［6］沈錦林，朱劍飛，顏暉.玻璃池窯內(nèi)配合料及玻璃液流的三維數(shù)值模擬［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，1999（4）：398-403.

Numerical Simulation of Glass Furnace Based on GFM Software

WANG Gang，YANG Guohong，ZHANG Feng，YANG Wei
（IRICO Display Devices Co.，Ltd，Xianyang 712000，Shaanxi，China）

Glass furnace is divided into the combustion space and glass melting.This paper takes GFM software as the research platform，based on mathematical modeling，calculation and analysis of the results of the numerical simulation of a glass furnace，anduses the simulation results which objectively reflect the glass furnace temperature and flow field distribution，to provide some theory reference for the optimization design and actual production process.

glass melting furnace；combustion space；glass melting；GFM

TQ171

A

1672-2914（2015）04-0049-03

2014-12-01

王 剛（1980-），男，陜西咸陽市人，彩虹顯示器件股份有限公司CAE工程師，研究方向?yàn)椴ＡЦG爐仿真技術(shù)。