燃天然氣橫焰玻璃熔窯火焰燃燒及玻璃液流動(dòng)的三維CFD耦合分析

任清海，耿　鐵

(1.安陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安陽(yáng)　455000；2.河南工業(yè)大學(xué)，鄭州　450007)

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燃天然氣橫焰玻璃熔窯火焰燃燒及玻璃液流動(dòng)的三維CFD耦合分析

任清海1，耿鐵2

(1.安陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安陽(yáng)455000；2.河南工業(yè)大學(xué)，鄭州450007)

本文在全面考慮火焰空間的燃燒與玻璃液傳熱、流動(dòng)的耦合的基礎(chǔ)上，建立了燃天然氣橫焰玻璃熔窯火焰空間和玻璃液傳熱、流動(dòng)過(guò)程的三維數(shù)學(xué)模型。然后以某燃天然氣連通式橫焰玻璃熔窯為對(duì)象，利用商用CFD軟件進(jìn)行了火焰燃燒和玻璃液傳熱、流動(dòng)的耦合數(shù)值模擬，研究了該熔窖燃燒空間內(nèi)氣體流動(dòng)和溫度梯度分布以及熔池內(nèi)玻璃液的流動(dòng)和溫度梯度分布，為提高玻璃窯爐的運(yùn)行與設(shè)計(jì)水平提供理論依據(jù)，從而指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)和玻璃熔窖設(shè)計(jì)。

橫焰玻璃熔窯； 燃燒； 流動(dòng)； 耦合數(shù)值模擬； CFD

1　引　言

玻璃熔制是組成玻璃的所有物質(zhì)在燃料燃燒所釋放的高熱條件下進(jìn)過(guò)一系列物理化學(xué)反應(yīng)而形成符合成型要求的無(wú)氣泡、均勻的玻璃熔體的過(guò)程，是玻璃制品制造過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)[1]。在玻璃熔制過(guò)程中，玻璃溶液的溫度梯度分布和流動(dòng)速度是形成均化的、無(wú)氣泡的玻璃熔體的重要條件。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，全面考慮了燃燒空間中復(fù)雜的氣體燃燒、化學(xué)反應(yīng)、湍流流動(dòng)和輻射、對(duì)流傳熱以及火焰空間的燃燒與玻璃液傳熱、流動(dòng)的耦合關(guān)系，建立了燃天然氣橫焰玻璃熔窯燃燒空間火焰燃燒過(guò)程和熔池內(nèi)玻璃液傳熱、流動(dòng)過(guò)程的三維數(shù)學(xué)模型。然后借助商用CFD軟件模擬了天燃?xì)庠谀尺B通式橫火焰玻璃熔窯燃燒空間的燃燒過(guò)程和玻璃液的傳熱、流動(dòng)狀況，旨在用來(lái)優(yōu)化熔窯設(shè)計(jì)參數(shù)及工藝控制參數(shù)，為設(shè)計(jì)出具有好的可控性和優(yōu)良運(yùn)行性能的玻璃熔窯提供理論依據(jù)，從而指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)和玻璃熔窖設(shè)計(jì)。

2　火焰燃燒及玻璃液傳熱、流動(dòng)的三維數(shù)學(xué)模型

本次數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型包括火焰燃燒模型和玻璃液傳熱、流動(dòng)模型。

燃天然氣玻璃熔窯燃燒空間的三維數(shù)學(xué)模型主要是研究連通式橫焰玻璃熔窯燃燒空間中的氣體流動(dòng)和傳熱過(guò)程。所以燃燒空間的三維數(shù)學(xué)模型包括氣相流動(dòng)模型、燃燒化學(xué)反應(yīng)和輻射傳熱模型[2]。

氣相流動(dòng)模型包括連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程和湍流模型[3]。

連續(xù)性方程：

(1)

x、y和z三個(gè)方向的動(dòng)量方程：

(2)

(3)

(4)

能量守恒方程：

(5)

湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型：

(6)

(7)

燃燒化學(xué)反應(yīng)模型采用組分輸運(yùn)與有限速度模型。

幅射傳熱模型采用P-1模型。

對(duì)于玻璃液的傳熱流動(dòng)，模型認(rèn)為玻璃液為均質(zhì)的牛頓粘性流體，玻璃液的流動(dòng)速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)在一個(gè)換向周期內(nèi)為穩(wěn)定狀態(tài)，且不考慮化學(xué)反應(yīng)及氣泡對(duì)其流動(dòng)和溫度的影響[4-6]。又由于玻璃液表面與燃燒氣體接觸呈自由界面狀態(tài)，吸收火焰空間燃燒釋放的高熱量，二者之間存在強(qiáng)烈的耦合關(guān)系，所以本次以火焰空間燃燒計(jì)算的結(jié)果作為玻璃液傳熱及流動(dòng)的溫度熱邊界來(lái)模擬玻璃液傳熱及流動(dòng)。

3　研究對(duì)象

以圖1所示的某燃天然氣連通式橫焰玻璃熔窯為研究對(duì)象，其日產(chǎn)玻璃熔液180 T/D，熔池面積146 m2，長(zhǎng)寬比3.46，左右兩側(cè)布置8對(duì)小爐，相鄰兩小爐中心線間距2.285 m。其小爐的燃燒方式為低壓對(duì)插式燃燒，蓄熱式采用連通式。

熔窯包括上側(cè)的天然氣燃燒空間和下部的玻璃熔化池兩部分，燃燒室底面與玻璃熔化池液表面進(jìn)行耦合。

4　CFD耦合數(shù)值模擬結(jié)果與分析

圖1　某設(shè)計(jì)出料量為180 T/D的連通式橫火焰玻璃窯爐幾何模型Fig.1　Geometric model of a natural gas fired cross-connected-type glass furnace which discharge amount is 180 T/D

從圖2所示的燃燒空間在玻璃液表面處的溫度分布上可以看出：2號(hào)～6號(hào)小爐的燃燒火焰比較強(qiáng)烈，具有較高的溫度，而1號(hào)、7號(hào)和8號(hào)小爐的燃燒火焰比較微弱，溫度比較低，從而沿玻璃熔池縱向(熔體流動(dòng)方向)，熔池中部的玻璃液溫度高，進(jìn)出料兩端溫度逐漸變低；熔池表面溶液溫度高，池底方向溫度逐漸變低，如圖4所示，這與實(shí)際玻璃熔制的情況一致。正是由于玻璃液中存在溫度梯度，造成了不同部位的玻璃液的粘度和密度的不同，有利于形成玻璃配合料的熔化和“泡界線”[3]，進(jìn)而有利于玻璃液的均勻化。另外泡界線還具有阻止未熔化完成的生料及泡沫進(jìn)入澄清區(qū)域的能力，并且傳給配合料大量的熱量,保證了配合料穩(wěn)定地熔化[3,4]。而6號(hào)到8號(hào)小爐處的溫度逐漸變低，這又有利于玻璃液的澄清。從圖3所示的燃燒空間在5號(hào)小爐中心線處YZ截面上的溫度分布上可以看出：在燃燒空間的底部靠近5號(hào)小爐的位置溫度最高，形成高熱區(qū)，而燃燒空間的垂直上方煙氣的對(duì)流比較弱，且隨著高度的增加，溫度也慢慢降低，這減輕了煙氣對(duì)熔窖碹頂?shù)臒龘p，有利于延長(zhǎng)碹頂使用壽命。

圖2　玻璃液表面溫度分布Fig.2　Temperature distribution in glass surface

圖3　5號(hào)小爐中心線YZ截面上燃燒空間的溫度分布Fig.3　Temperature distribution on the YZ section plane of combustion at the 5th small furnace

圖4　熔池縱向?qū)ΨQ(chēng)面上玻璃液的溫度分布圖Fig.4　Temperature distribution of glass on the vertical symmetry plane of glass tank

圖5　5號(hào)小爐中心線YZ截面上燃燒空間的速度分布Fig.5　Velocity distribution on the YZ section plane of combustion at the 5th small furnace

從圖5所示的5號(hào)小爐中心線處YZ截面上的燃燒空間的氣體速度分布上可以看出：高熱煙氣從小爐一側(cè)流向另一側(cè)，并在靠近碹頂處形成回流，燃燒火焰得到的充分?jǐn)U展，使得天然氣能夠充分燃燒，釋放充足的熱量。從圖6所示的對(duì)應(yīng)5號(hào)小爐中心線處YZ截面上玻璃液的速度分布上可以看出：位于5小爐號(hào)燃燒火焰下方的玻璃液由于直接受到火焰的加熱而具有較高的溫度，玻璃液面與熔池底部存在大的溫差，產(chǎn)生上下熱冷玻璃液的物質(zhì)交換，從而形成從熔池側(cè)壁到內(nèi)部的玻璃液回流，起到了攪拌的作用，加速了玻璃的熔融和均化。

從圖7所示的玻璃熔池縱向?qū)ΨQ(chēng)面上的玻璃液流動(dòng)的速度分布圖上可以看到流場(chǎng)中存在兩個(gè)明顯的環(huán)流，這是由于配合料被已經(jīng)熔融的玻璃液卷向熔窯底部，然后順著熔窯底部流向熱點(diǎn)附近， 一部分向加料端流動(dòng)，形成一個(gè)環(huán)流，把玻璃液的熱量傳遞給配合料，起到熔融的作用；另一部分向橋墻方向流動(dòng)，然后又下降到流液洞口，一部分玻璃液流出流液洞，一部分又流向熱點(diǎn)，構(gòu)成另一個(gè)環(huán)流，這一環(huán)流起到澄清、均化玻璃的作用。

圖6　對(duì)應(yīng)5號(hào)小爐中心線YZ截面上玻璃液的速度分布Fig.6　Velocity distribution on the YZ section plane of glass at the 5th small furnace

圖7　熔池縱向?qū)ΨQ(chēng)面上的玻璃液流動(dòng)的速度分布圖Fig.7　Velocity distribution of the glass flow on the vertical symmetry plane of the glass tank

圖8　熔池中玻璃液的三維立體流動(dòng)速度分布圖Fig.8　Three dimensional flow velocity distribution of glass in glass tank

圖8為熔窯中玻璃液的三維立體流動(dòng)速度分布圖，從圖中可知熔窯內(nèi)玻璃溶液同時(shí)在縱向和橫向兩個(gè)方向，都存在環(huán)流。這是由于熔池中部的玻璃液溫度高，玻璃液密度小，速度大，從而熔窯表層的玻璃液向進(jìn)出料兩端流動(dòng)，引起底部的玻璃液向上運(yùn)動(dòng)以進(jìn)行補(bǔ)充，形成環(huán)流；同時(shí)，在窯池兩側(cè)，玻璃液的水平和側(cè)向速度均很小，主要受上下玻璃液溫度差和重力作用上下交換，也形成環(huán)流。即熔池內(nèi)玻璃液同時(shí)在縱向和橫向兩個(gè)方向上存在環(huán)流，呈現(xiàn)出高度的三維特性，在很大程度上起到了攪拌的作用，有利于玻璃的熔融、氣泡的逸出以及均化。

5　結(jié)　論

本文在全面考慮火焰空間的燃燒與玻璃液傳熱、流動(dòng)的耦合的情況下，建立了燃天然氣橫焰玻璃熔窯燃燒空間和以燃燒計(jì)算的溫度結(jié)果為熱邊界的玻璃液傳熱流動(dòng)過(guò)程的三維數(shù)學(xué)模型。

通過(guò)運(yùn)用CFD軟件對(duì)天燃?xì)庠谀尺B通式橫火焰玻璃熔窯燃燒空間的燃燒過(guò)程和玻璃液傳熱流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了耦合模擬。結(jié)果表明，該火焰燃燒與玻璃液傳熱流動(dòng)的耦合計(jì)算能夠全面反映燃燒空間和玻璃液流的流動(dòng)速度分布和溫度梯度分布，并且通過(guò)優(yōu)化燃燒空間和玻璃液流的流動(dòng)速度分布和溫度梯度分布可以指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)和玻璃熔窖設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)出具有良好可控性和優(yōu)良運(yùn)行性能的玻璃熔窯提供理論依據(jù)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的不足。

[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] Geng T, Ren Q H, Zhang Y Y. Three-dimensional numerical simulation of the combustion chamber of glass furnace[J].ICEICE,2011:3774-3776.

[3] 耿鐵，任清海. 玻璃熔窯中玻璃液流動(dòng)的三維CFD數(shù)值模擬[J].硅酸鹽通報(bào)，2011,30(2)：394-397.

[4] 賀建雄，姜宏，魯鵬,等．全氧燃燒型浮法玻璃熔窯液流流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模擬[J]．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2014,36(12)：12-17.

[5] 張玉敏．淺議玻璃窯爐的溫度控制[J]．玻璃，2014,(2)：30-38.

3D-CFD Coupling Analysis of Combustion and Glass Melt Flow in the Natural Gas Fired Glass Furnace

RENQing-hai1,GENGTie2

(1.Anyang Vocational and Technical College,Anyang 455000,China;2.Henan University of Technology,Zhengzhou 450007,China)

Considering the coupling of the combustion and the glass melt heat transfer and flow，the 3 d mathematical model of the combustion glass melt heat transfer and flow of the natural gas fired glass furnace was established. And then taking a natural gas fired cross-connected-type glass furnace as research object, the combustion and the glass melt flow were coupling simulated by the commercial CFD software, and the gas flow and temperature distribution in combustion space and the flow and temperature distribution of the glass melt were studied. It provide a theoretical basis about designing of good operating performance and controllability glass melting furnace, and also made up the defect of experience design of technician.

glass furnace;combustion;flow;coupling numerical simulation;CFD

國(guó)家自然科學(xué)基金(51375143).

任清海(1976-)，男，工學(xué)碩士，工程師，講師.主要從事塑料及玻璃成型過(guò)程數(shù)值模擬及可視化方面的研究.

耿鐵，工學(xué)博士，教授.

TU526

A

1001-1625(2016)06-1716-04