隧道窯冷卻帶流-固耦合散熱數(shù)值模擬

許寧，王雪峰，張柱銀，王 君，黃建軍，肖 慧，郅 曉（. 鹽城工學院機械工程學院，江蘇 鹽城 05；. 湖南工業(yè)大學機械工程學院，湖南 株洲 007；. 中國建材西安墻體材料研究設計院，陜西 西安 7006；. 中國建筑材料集團有限公司，北京 0006）

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隧道窯冷卻帶流-固耦合散熱數(shù)值模擬

許寧1， 2，王雪峰1，2，張柱銀2，王 君2，黃建軍1，肖 慧3，郅 曉4
（1. 鹽城工學院機械工程學院，江蘇 鹽城 224051；2. 湖南工業(yè)大學機械工程學院，湖南 株洲 412007；3. 中國建材西安墻體材料研究設計院，陜西 西安 710061；4. 中國建筑材料集團有限公司，北京 100036）

摘 要：以某燒結(jié)磚隧道窯為研究對象，為獲得隧道窯冷卻帶散熱溫度場數(shù)據(jù)，建立了隧道窯窯壁-磚塊-流體耦合傳熱物理模型與數(shù)學模型，采用FLUENT流體計算軟件對其進行了隧道窯窯壁-磚塊-流體耦合傳熱仿真，獲得了窯內(nèi)整體比較精確直觀的溫度場分布。仿真的結(jié)果表明：風速為5 m/s、孔隙率為0.5以及磚塊適當稀碼時，隧道窯冷卻帶降溫效果較好，其與隧道窯燒成曲線冷卻段吻合也較好，為風速調(diào)整、碼磚方式和孔隙率的選擇提供了理論依據(jù)，提高了燒成質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：隧道窯冷卻帶；流-固耦合；散熱；數(shù)值模擬

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0　引 言

隧道窯是現(xiàn)代化的連續(xù)式燒成的熱工設備，廣泛用于磚塊和陶瓷產(chǎn)品的焙燒生產(chǎn)，燒結(jié)磚隧道窯冷卻帶在燒成帶之后，主要的作用是使焙燒好的磚塊迅速冷卻。經(jīng)常在窯尾安裝風機，通過改變風速的大小從而控制磚塊冷卻的速率與溫度。磚塊內(nèi)部傳熱機理是比較復雜的，涉及流相及固相的熱傳導和對流換熱［1］。磚塊上下溫差受冷卻風影響較大，出磚時磚塊表面容易產(chǎn)生大的裂紋，影響磚塊的質(zhì)量。

隨著微型計算機技術(shù)的發(fā)展以及計算方法的不斷更新進步，計算機應用于燒結(jié)磚隧道窯冷卻帶的三維流-固耦合數(shù)值模擬成為現(xiàn)實。有關(guān)流固耦合的計算方法大致可以分為兩類：一類是解析解；一類是數(shù)值解。數(shù)值解法通常采用的是有限單元法或有限差分法。Anton is Antoniou等人計算了二維流-固耦合流場［2］。梅國棟等采用有限差分法分析三維流-固耦合問題［3］。浙江大學李迎博士建立了內(nèi)燃機活塞組-缸套-冷卻水-機體流固耦合系統(tǒng)。對柴油機穩(wěn)態(tài)工況下的耦合傳熱、周期性瞬態(tài)傳熱以及冷啟動、外特性的瞬態(tài)傳熱與流動進行了數(shù)值仿真［4］。Ed Bendel主要通過測量排氣管道表面的溫度值作為邊界條件進行數(shù)值模擬，并且利用Rad Therm和Star-CD的方法來分析對流、傳導的換熱特性［5］。劉上在FLUENT軟件平臺上，采用氣固耦合傳熱計算的方法模擬了二維擴散燃燒實驗器中的溫度、組分分布［6］。大連理工大學周禛建立了單缸的缸蓋- 缸套 - 冷卻水耦合傳熱模型并且進行了耦合傳熱仿真［7］。

本文運用FLUENT軟件對隧道窯冷卻帶流-固耦合散熱進行數(shù)值模擬。模擬不同的風速、孔隙率、氣體流動的數(shù)學模型以及磚塊碼放方式對隧道窯散熱的影響。為磚塊的散熱找到最佳的風速、孔隙率、數(shù)學模型以及碼磚的方式。為降低磚塊的裂縫，提高磚塊的質(zhì)量尋找有效途徑。

1　隧道窯冷卻帶的物理模型

在GAMBIT中建立了隧道窯冷卻帶的物理模型。為了減少計算量，提高運算效率對模型進行適當?shù)暮喕?，選取六節(jié)窯車進行流-固耦合散熱的數(shù)值模擬。隧道窯冷卻帶的截面寬度為Y=3600 mm，窯車頂面到窯頂之間的距離Z=1200 mm，冷卻帶的長度為X=8000 mm。對模型進行假設：冷卻帶要求保溫性良好；窯壁可以假設為絕熱；窯尾的風機可以簡化為速度入口；出口設為壓力出口；不考慮磚塊之間的傳熱影響以及磚垛之間的輻射傳熱影響。

圖1　隧道窯冷卻帶的物理模型Fig.1 Physical model of the tunnel kiln cooling zone

隧道窯冷卻帶的物理模型分為磚塊區(qū)、流體區(qū)。根據(jù)數(shù)值模擬要求采用Tet/Hybrid混合網(wǎng)格劃分方法，即結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合的劃分方法。對磚塊區(qū)的網(wǎng)格劃分，格間距為4，流體區(qū)的網(wǎng)格劃分格間距為6?？傆嬀W(wǎng)格總數(shù)為670155。檢查網(wǎng)格質(zhì)量確保minimum volume不為負數(shù)。采用有限體積法對控制方程進行離散化，動量方程和能量方程用一階迎風格式，迭代直至收斂。合理的劃分網(wǎng)格有利于減少計算時間節(jié)約計算成本。

2　隧道窯冷卻帶的數(shù)學模型

本文計算中運用的控制方程為三維常物性不可壓縮流動的連續(xù)性方程及能量方程。計算域為磚塊與空氣、粉塵流動的區(qū)域。

2.1標準的k-ε模型

式中，Gk是由于平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生；Gb是由于浮力影響引起的湍動能產(chǎn)生；YM為可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗常數(shù)，F(xiàn)LUENT中默認值為C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09；σk=1.0、σε=1.3。

2.2流固耦合控制方程簡化

隧道窯冷卻帶內(nèi)氣體的流動看做粘性不可壓縮的湍流流動。它在流動與傳熱的過程中遵循三大守恒方程：質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程（N-S方程）、能量守恒方程。

質(zhì)量守恒方程

最后在求解過程中采用非耦合隱式格式（即SIMPLE算法）。該算法占用的內(nèi)存小，計算快捷靈活。用有限容積法導出的離散方程可以保證具有守恒特性，而且離散方程系數(shù)的物理意義明確，是目前流動與傳熱問題的數(shù)值計算中應用最廣的一種方法。

2.3模型邊界條件及參數(shù)設定

在對隧道窯冷卻帶三維流固耦合散熱數(shù)值模擬的研究中，將流體的進口設置為速度入口，流體初始速度方向要與源面垂直；流體的出口設定為壓力出口［8-10］；隧道窯的窯壁在整個計算的過程中設為絕熱壁；內(nèi)部窯壁與磚塊的區(qū)域設為流體區(qū)域［11］，流體不可壓縮，流體中有氣相和固相，將固相中的顆粒假設為密度相同直徑均勻的顆粒［12］，忽略粒子之間的相互作用。磚塊的密度為2500 kg/m3，導熱系數(shù)為80 w/m.k，熱生成率為0.57。

3　數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1隧道窯冷卻帶流-固耦合溫度場分布

根據(jù)FLUENT軟件數(shù)值模擬計算經(jīng)驗，流體從隧道窯窯尾以5 m/s左右的速度進入，進入窯內(nèi)流體的溫度為常溫。

圖2是從窯長方向取得XY截面，從圖中可以看出，顏色越深代表溫度越高，氣體從窯尾進入對磚塊進行冷卻，磚塊運動的方向與氣體運動方向相反，散熱溫度隨窯車運動的方向逐漸降低。截面內(nèi)溫度分層情況比較均勻，磚塊的左右平均溫差不超過42 ℃。且在磚垛與窯壁之間或者磚垛與磚垛之間的間隙冷卻的速度較快，主要因為磚垛與窯壁或者磚垛與磚垛之間的阻力較小氣體流速較快。

圖2　Z=0.5m截面溫度場分布圖Fig.2 Temperature feld distribution on the cross-section of Z = 0.5 m

圖3　X=3.6m截面溫度場分布圖Fig.3 Temperature feld distribution on the cross-section of X = 3.6 m

圖4　X=0.8m　截面溫度場分布圖Fig.4 Temperature feld distribution on the cross-section of X = 0.8 m

圖3、圖4分別是沿著窯寬方向取得兩個YZ截面。圖5是沿著窯長方向取得XZ截面。從圖中都可以看到窯頂?shù)臏囟纫雀G車臺面的溫度低，溫度的變化梯度均勻。氣體從窯體進入磚垛時速度會加大，這是由于進入窯體的風速為5 m/s，馬赫數(shù)小于0.2可以認為氣體的流動是低速，不考慮氣體的壓縮性，氣體的速度與截面積成反比。氣體進入磚垛時截面積變小則速度增大。氣體與固相邊界（即：磚垛）相互流動時還會產(chǎn)生湍流。在整個流-固耦合散熱的過程中，磚垛附近產(chǎn)生較強的湍流影響冷卻速度，在磚垛與窯頂之間主要是層流，冷卻的速度較快，則出現(xiàn)窯頂?shù)臏囟纫雀G車臺面附近區(qū)域的溫度低。

3.2計算結(jié)果分析

為了研究不同風速對磚塊的平均溫度和上下溫差影響。選擇了10組不同風速進行數(shù)值模擬，計算殘差取為10-3，在計算迭代過程中，當監(jiān)測點的溫度呈現(xiàn)穩(wěn)定不變或者近似穩(wěn)定不變時，即認為收斂。對比結(jié)果如下：

從圖6可以看出，要保證隧道窯冷卻帶磚塊冷卻的溫度與速度，同時還要保持窯內(nèi)截面的溫差最小，就要控制進入窯尾冷卻風的風速。風速過低（風速小于5 m/s）時，隨著氣體流速升高溫度逐漸降低，截面上下溫差也在逐漸降低。風速達到5 m/s時，氣體與磚垛達到產(chǎn)生湍流的條件，此時截面的上下溫差達到最低。風速繼續(xù)增加時，湍流的強度也隨著風速增加逐漸降低，此時磚垛附近區(qū)域的散熱平均溫度下降逐漸變緩，截面的上下溫差也在不斷的增大。

從圖7可以看出，孔隙率不斷增大，磚塊碼放逐漸變得稀疏。Z=0.5 m時，XY截面的平均溫度逐漸降低。XY截面的上下溫差先減小后增大再減小的過程，主要是因為孔隙率小于0.5時，隨著孔隙率的逐漸增加流體與磚垛的相互流動時還沒有產(chǎn)生湍流，溫差還在逐漸減小。當孔隙率在0.5-0.7之間時，湍流逐漸形成并且逐漸加強，影響散熱溫差也在逐漸增大。當孔隙率大于0.7時，磚塊已經(jīng)很稀疏，湍流現(xiàn)象逐漸消失，截面的溫差也在逐漸降低。但考慮生產(chǎn)的產(chǎn)量與成本選取孔隙率為0.5較為合適。

從圖8可以看出，二種不同氣體的流動模型冷卻曲線與隧道窯燒成曲線冷卻段曲線對比結(jié)果，兩條冷卻曲線都與隧道窯燒成曲線冷卻段曲線接近，但采用模型方式對磚塊進行冷卻曲線更接近隧道窯冷卻曲線。主要因為氣體在磚垛內(nèi)流動的方式還是湍流，同時在做數(shù)值模擬時對物理模型和數(shù)學模型都進行了適當?shù)暮喕吔鐥l件以及參數(shù)設定與實際有點差別，計算的方法也不夠完善。

圖5　Y=1.7m　截面溫度場分布圖Fig.5 Temperature feld distribution on the cross-section of Y = 1.7 m

圖6　Z=0.5m時不同風速對XY截面平均溫度和溫差的影響Fig.6 Effect of different draft speed on average temperature and temperature difference on XY cross-section when Z = 0.5 m

圖7　Z=0.5m時不同孔隙率對XY截面平均溫度和溫差的影響Fig. 7 Effect of different pore rate on average temperature and temperature difference on XY cross-section when Z = 0.5 m

圖8　不同氣體流動模型冷卻曲線與隧道窯燒成曲線冷卻段對比Fig.8 Contrast of the cooling curves of different fuid-fow models with the cooling segment of the tunnel kiln fring curve

圖9　不同碼放方式對磚塊散熱溫度變化的影響Fig.9 Effect of different bricks arrangement on brick heat transfer

從圖9可以看出，隨著風速加快Z=0.5 m的XY截面平均溫度下降，在相同風速、孔隙率下磚塊稀碼比磚塊密碼的平均溫度低。從圖中曲線下降的斜率可以看出：磚塊稀碼溫度隨著風速下降的速度快于磚塊密碼。主要因為磚塊稀碼時，氣體與磚垛接觸面積加大，溫度降低速度也會加快，平均溫度也會相對較低。磚塊稀碼時氣體在磚垛內(nèi)部的湍流強度小于磚塊密碼，其散熱效果也要優(yōu)于磚塊密碼。

4　結(jié) 論

本文運用FLUENT對隧道窯冷卻帶六節(jié)窯車段進行流-固耦合散熱數(shù)值模擬，結(jié)論如下：

（1）用數(shù)值模擬的方法對隧道窯冷卻帶磚塊的散熱進行模擬，可以代替大量的反復實驗，節(jié)約大量的人力物力縮短研究時間。

（2）文中分別從風速、孔隙率、碼磚方式的角度展開研究。研究表明：風速5 m/s，孔隙率0.5時磚塊散熱時上下溫差較小，平均溫度較低；在相同風速與孔隙率的條件下磚塊稀碼比磚塊密碼的散熱條件好。

（3）選擇合適的數(shù)學計算模型可以有效的模擬隧道窯冷卻帶散熱的過程，為以后的實驗研究提供理論依據(jù)。

（4）文中的散熱數(shù)值模擬均基于實際生產(chǎn)條件，模擬的結(jié)果與實際數(shù)據(jù)相吻合，表明文章中數(shù)值模擬的結(jié)果是可行的，接下來進一步的工作將模擬的結(jié)果應用于實際生產(chǎn)中，針對生產(chǎn)的實際情況做適當?shù)恼{(diào)整。

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通信聯(lián)系人：許寧，男，博士，教授。

Received date:2015-12-18. Revised date: 2015-12-20.

Correspondent author:XU Ning， male， Ph.D.， Professor.

Numerical Simulation of Fluid - Solid Coupling Heat Transfer in Tunnel Kiln Cooling Zone

XU Ning1， 2， Wang Xuefeng1， 2， ZHANG Zhuyin2， WANG Jun2， HUANG Janjun1， XIAO Hui3， ZHI Xiao4
（1. School of Mechanical Engineering， Yancheng Institute of Technology， Yancheng 224051， Jiangsu， China； 2. School of Mechanical Engineering， Hunan University of Technology， Zhuzhou 412007， Hunan， China； 3. Xi'an Research & Design Institute of Wall & Roof Materials， Xi'an 710061， Shaanxi， China； 4. China National Materials Group Corporation， Beijing 100036， China）

Abstract:In order to obtain the cooling temperature feld data in the tunnel kiln cooling zone， the tunnel kiln wall bricks-fuid coupling heat transfer physical model and mathematic model were established， taking a sintered brick tunnel kiln as the research object. The tunnel kiln wall bricks-fuid coupling heat transfer simulations were performed by commercial software FLUENT， and the overall accurate intuitive temperature feld distribution was obtained. The simulation results show: the cooling effect on the tunnel kiln cooling zone is better when the draft speed is 5 m/s， the pore rate is 0.5， and the bricks arrangement is sparse， and that is also agreeable with the tunnel kiln fring curve's cooling segment. This information provides a theoretical basis for the adjustment of the draft speed， pore rate and bricks arrangement to improve the quality of bricks fring and productivity.

Key words:tunnel kiln cooling zone； fuid - solid coupling； heat transfer； numerical simulation

基金項目：國家科技支撐項目水泥、墻材窯爐大氣污染治理關(guān)鍵技術(shù)研究與示范（2013BCA13B01）；湖南省自然科學基金資助項目（13JJ9034）；江蘇省新型環(huán)保重點實驗室資助項目（AE201109）。

收稿日期：2015-12-18。

修訂日期：2015-12-20。

DOI:10.13958/j.cnki.ztcg.2016.02.006

中圖分類號：TQ174.6+53

文獻標志碼：A

文章編號：1006-2874（2016）02-0026-05