隧道窯逆吹氣流對溫度場和速度場影響的數(shù)值模擬

鐘斌 馮青 宮小龍 陸琳

摘 要：本文使用計算流體動力學(xué)fluent軟件，建立了隧道窯預(yù)熱帶三維物理模型，并采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格對模型進行網(wǎng)格劃分，選擇realizable-k-e湍流模型，設(shè)置邊界條件，對隧道窯預(yù)熱帶窯內(nèi)氣體流動進行數(shù)值模擬，研究逆吹氣流的溫度對溫度場和速度場的影響。結(jié)果表明：逆吹氣流可以有效的減小上下溫差，提高截面溫度的均勻性;逆吹溫度為300～500℃時，截面溫度均勻性最好;逆吹氣流的溫度越低，越容易造成產(chǎn)品的局部溫差。

關(guān)鍵詞：隧道窯預(yù)熱帶;逆吹氣流;溫度場;數(shù)值模擬

1 前 言

隧道窯是一種先進的機械化自動化程度高、能耗低、產(chǎn)量高的連續(xù)式熱工設(shè)備。在隧道窯生產(chǎn)中，普遍存在著預(yù)熱帶上下溫差大的問題，一般情況下預(yù)熱帶上下溫差在200～300℃，甚至高達400℃。它不僅影響產(chǎn)品質(zhì)量，而且延長了燒成時間。目前解決隧道窯預(yù)熱帶上下溫差的措施有很多，如：設(shè)置高溫調(diào)速燒嘴、設(shè)置攪拌氣幕、設(shè)置窯門、采用輕質(zhì)窯車等。本文研究的是在隧道窯預(yù)熱帶窯頂設(shè)置一定數(shù)量的逆吹風(fēng)管，通過噴出逆向的氣流，壓迫煙氣向下流動，使得上部的高溫?zé)煔馀c下部的低溫?zé)煔饣旌?，從而達到減小上下溫差的目的。

近些年一些學(xué)者通過數(shù)值模擬對隧道窯內(nèi)部溫度場和速度場進行研究，但大多數(shù)是對燒成帶的溫度場和速度場的研究[1～3]，對預(yù)熱帶上下溫差的研究甚少。通過數(shù)值模擬對不同逆吹溫度對隧道窯預(yù)熱帶窯內(nèi)溫度場和速度場影響的研究，不僅更加直觀了解逆吹氣流在窯內(nèi)的流場分布，也可以找到合適的逆吹溫度，使得溫度場更加均勻，提高產(chǎn)品的燒成質(zhì)量。

2 物理模型及其網(wǎng)格劃分

2.1物理模型

本文以燒制大型酒缸、酒壇的隧道窯為模型。由于逆吹氣流對前后的溫度場都有影響，所以本文選取一組逆吹風(fēng)管的前后幾節(jié)窯體作為研究對象，其尺寸如下：

窯體結(jié)構(gòu)尺寸：長×內(nèi)高×內(nèi)寬=9000×2100×1630（mm）。

逆吹風(fēng)管：管徑為50mm;逆吹風(fēng)管之間的間距為420mm，離窯墻的距離為210mm;逆吹風(fēng)管出風(fēng)口中心到窯頂?shù)木嚯x為75mm，共5根逆吹風(fēng)管;

坯體尺寸：將大型酒缸、酒壇簡化為直徑為800mm的圓柱體;坯體到窯頂距離為150mm，到窯底的距離為80mm;

2.2網(wǎng)格劃分

為了更方便的劃分網(wǎng)格，將模型分為兩部分，逆吹風(fēng)管周圍劃為一部分，其余劃為另一部分。使用ICEM軟件對兩部分模型進行網(wǎng)格劃分，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，最后將兩部分網(wǎng)格進行組裝。生成的網(wǎng)格數(shù)量為2000多萬個，網(wǎng)格質(zhì)量在0.55以上。出口處的坯體為半圓柱型是為了避免出口回流，減少回流對出口附近的溫度場、速度場的影響。

3 控制方程與邊界條件

3.1控制方程

本文采用Realizable k-e湍流模型、DO輻射模型;使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù);使用UDF定義邊界條件及流體的物性參數(shù);使用SIMPLEC算法及二階迎風(fēng)格式。

從逆吹風(fēng)管噴出的高速氣流對窯內(nèi)煙氣產(chǎn)生強烈的擾動，使得窯內(nèi)煙氣流態(tài)為湍流，并且逆吹氣流與煙氣逆向，逆吹氣流會產(chǎn)生急劇的回轉(zhuǎn)，因此數(shù)值模擬中選用reliable k-ε湍流模型作為求解該段窯內(nèi)氣體湍流流動。模擬求解的過程還需要滿足質(zhì)量、動量和能量守恒定律。各方程表達式如下：

質(zhì)量方程：

（1）

動量方程：

（2）

（3）

（4）

能量守恒方程：

（5）

reliable k-ε模型方程包括了湍動能方程（k方程）和耗散方程（ε方程）。

湍動能方程（k方程）：

（6）

耗散方程（ε方程）：

（7）

3.2邊界條件

本文章模擬設(shè)置使用Fluent二階迎風(fēng)格式，算法使用SIMPLE，由于逆吹氣流存在高度扭曲區(qū)域的流動，故將Solve＼Method面板中的Pressure的空間離散格式設(shè)置為PRESTO！。求解器為三維穩(wěn)態(tài)分離式求解器。

本次模擬選擇預(yù)熱帶階段，平均溫度為600℃，上下溫差為300℃（上部溫度750℃，下部溫度450℃）。進口煙氣溫度使用了UDF，使其具有上下溫差;由于煙氣本身存在溫差，逆吹氣流與主煙氣之間也存在溫差，且煙氣的密度又與溫度有關(guān)，故將煙氣密度隨溫度變化的函數(shù)編譯為UDF導(dǎo)入fluent中。表1中的y表示的是y方向的數(shù)值。各邊界條件的具體參數(shù)及其大小如表1所示。

4 計算結(jié)果及分析

本文章的模擬結(jié)果在計算3500多次后達到穩(wěn)定，殘差曲線各項指標(biāo)均達到指定值，并且設(shè)置了出口速度和出口溫度的監(jiān)測，出口速度和出口溫度也保持穩(wěn)定。由此認(rèn)為計算結(jié)果達到收斂要求。

4.1 溫度場結(jié)果分析

該模型有兩排產(chǎn)品，布置了5根逆吹風(fēng)管，進口上下溫差為300℃（450～750℃），進口速度為0.502m/s，逆吹速度為25m/s，圖3（a）、（b）、（c）、（d）的逆吹氣流溫度分別為20℃、100℃、200℃、300℃。圖3是兩排產(chǎn)品之間截面（即Z=0m處）的溫度分布圖;

由圖3可以看出，在不同的逆吹溫度下，其溫度分布基本相同。高速的逆吹氣流從噴風(fēng)管噴出，逆吹氣流在噴出的過程中不斷的與煙氣換熱，并卷吸一部分高溫?zé)煔?，逆吹氣流溫度不斷升?上部高溫?zé)煔獗黄认蛳铝鲃樱c下部低溫?zé)煔饣旌?，提高下部溫度，并且上部高溫?zé)煔馀c低溫逆吹氣流混合，降低了上部高溫?zé)煔猓瑢崿F(xiàn)上部降溫，下部升溫，上下溫差減小，截面溫度均勻性提高;逆吹氣流與煙氣之間會形成一個交界面，在這個交界面前后，有較為密集的等溫線，即在這附近的溫度變化劇烈，容易造成產(chǎn)品的局部溫差;如圖3（a）所示，對于較低的逆吹溫度時，會導(dǎo)致上部溫度偏低，形成了上低、中高、下低的溫度分布，其截面溫度均勻性相對較差，并且上部的升溫曲線將從正常升溫變?yōu)樯郎亍⒔禍?、急劇升溫三個階段，不利于產(chǎn)品的燒成;隨著逆吹氣流溫度的升高，逆吹氣流所引起的低溫區(qū)域減小，上述三個階段將會得到緩解，截面溫度均勻性也得以提高;

4.2 速度場結(jié)果分析

圖4是兩排產(chǎn)品之間截面的速度矢量圖，即Z=0m處的速度矢量圖，進口上下溫差為300℃（450～750℃），進口速度為0.502m/s，逆吹風(fēng)速為25m/s，圖4（a）、（b）、（c）、（d）的逆吹氣流溫度分別為20℃、100℃、200℃、300℃。

由圖4可以看出，在相同逆吹速度，不同逆吹溫度下的速度矢量圖基本一致。上部高溫?zé)煔庥忻黠@的往下流動的趨勢，上部高溫?zé)煔夂拖虏康蜏責(zé)煔饣旌?，下部溫度升高，減小了截面上下溫差;高速的逆吹氣流在噴風(fēng)管出口處形成局部的負(fù)壓，大量的煙氣被卷吸進去，與逆吹氣流混合，使得逆吹氣流溫度升高;在逆吹氣流的前端，一些向下流動的高溫?zé)煔獗痪砦M入逆吹氣流中，與逆吹氣流相混合，使得逆吹氣流溫度進一步升高，有效的減小逆吹氣流所引起的低溫區(qū)域;

4.3 不同逆吹溫度對溫度場的影響

4.3.1溫度標(biāo)準(zhǔn)差

如何準(zhǔn)確的判斷截面溫度均勻性的好壞至關(guān)重要，對于有明顯溫度分層的截面，可以計算截面的最大溫度和最小溫度的差值大小來判斷溫度的均勻性，對于溫度分布比較混亂，或者有小部分極值出現(xiàn)的截面時，采用計算溫差的方法來判斷溫度均勻性就不太可靠。在統(tǒng)計學(xué)中，標(biāo)準(zhǔn)差可以衡量一組數(shù)據(jù)的波動大小，標(biāo)準(zhǔn)差越大，其數(shù)據(jù)的偏離程度越大，標(biāo)準(zhǔn)差越小，其數(shù)據(jù)偏離程度小。同樣，在截面內(nèi)提取若干溫度點，計算標(biāo)準(zhǔn)差，若標(biāo)準(zhǔn)差越大，其截面溫度均勻性越差，若標(biāo)準(zhǔn)差越小，其溫度均勻性越好。

4.3.2 不同逆吹溫度的各截面的標(biāo)準(zhǔn)差

由于逆吹氣流對前后溫度場都有影響，所以選取逆吹風(fēng)管前后六個截面，每個截面提取109×141=15369個溫度點進行標(biāo)準(zhǔn)差的求解。截面1為x=3m處的截面（即第二列和第三列產(chǎn)品之間的截面）;截面2、截面3、截面4、截面5、截面6分別是x=2m、x=1m、x=0m、x=-1m、x=-2m處的截面;逆吹氣流與窯內(nèi)煙氣之間存在一個交界面，交界面處存在強烈的熱交換和冷、熱氣流的混合，截面溫度極度混亂，使得處于交界面處的截面溫度均勻性往往是最差的。

圖5為不同逆吹溫度下各截面的標(biāo)準(zhǔn)差。逆吹溫度在20～300℃時，各截面的標(biāo)準(zhǔn)差隨著逆吹溫度的升高而降低，;逆吹溫度在300～500℃時，各截面的標(biāo)準(zhǔn)差基本不變;逆吹溫度高于500℃時，各截面的標(biāo)準(zhǔn)差緩慢上升。逆吹溫度在20～300℃階段，過低的逆吹溫度使得上部出現(xiàn)低溫區(qū)域，由于逆吹氣流壓迫的作用，上部高溫?zé)煔庀蛳铝鲃?，使得中部溫度偏高，而底部雖然有高溫?zé)煔獾幕旌?，但還是低于中部溫度，形成上部溫度低，中部溫度高，下部溫度低的狀態(tài)，隨著逆吹溫度升高，上部溫度也隨之升高，隨著上部溫度緩慢接近中部溫度，其截面溫度均勻性變好，即標(biāo)準(zhǔn)差減小;逆吹溫度在300～500℃階段，逆吹氣流的溫度比較接近中部的溫度，其上部的溫度變化不大，所以截面溫度均勻性較為平穩(wěn)，即標(biāo)準(zhǔn)差基本不變;當(dāng)逆吹溫度超過500℃時，上部和中部的溫度整體升高，而底部的溫度升溫速度慢，從而加大了上下的溫差，使得截面溫度均勻性變差，即標(biāo)準(zhǔn)差開始增加。

4.3.3 逆吹風(fēng)管中心線的溫度分布

圖6是中間噴風(fēng)管中心線上的溫度分布。由圖可以看出，逆吹風(fēng)管之后的溫度比較平穩(wěn)。到達逆吹風(fēng)管口時，由于有逆吹風(fēng)的吹出，中心線上的溫度驟降。隨著位置前移，中心線的溫度先是保持不變一段距離，然后迅速上升，接著緩慢升溫，最后又快速升高。第一階段溫度保持不變是由于中心溫度處于逆吹氣流的核心區(qū)域，在核心區(qū)域之內(nèi)，溫度不變;第二階段溫度迅速上升，是因為隨著位置前移，脫離了核心區(qū)域，此時存在強烈的熱交換、外部高溫?zé)煔饩砦旌?，使得溫度迅速上升。第三階段溫度平緩上升，此時中心溫度與周圍的溫度相近，升溫速度較慢。第四階段溫度又急劇上升，這是因為處于逆吹氣流和窯內(nèi)高溫?zé)煔獾慕唤缑?，中心線溫度由逆吹氣流的溫度過度為窯內(nèi)煙氣溫度。逆吹氣流的溫度越高，第二階段的升溫速率越慢，這是因為逆吹氣流與煙氣的溫度差越來越小，之間的熱交換也隨之減小，逆吹氣流的溫度上升較慢。第四階段的升溫速率也變緩，這是因為逆吹氣流的溫度逐漸接近煙氣溫度，并且在前三個階段的升溫，逆吹氣流的溫度進一步的接近煙氣溫度，兩者之間的溫差減小，其升溫速率也變小。

5結(jié)論

通過對不同逆吹角度對隧道窯預(yù)熱帶溫度場和速度場數(shù)值模擬的分析可以得出以下結(jié)論：

（1）逆吹氣流可以有效的減小上下溫差，提高截面溫度的均勻性;

（2）適當(dāng)?shù)脑黾幽娲禍囟?，可以提高截面溫度均勻性。并且逆吹溫度?00～500℃時的截面溫度均勻性最好。逆吹溫度超過500℃，截面溫度均勻性開始變差;

（3）逆吹溫度越低，逆吹氣流與煙氣交界面的溫度梯度越大，容易造成產(chǎn)品的受熱不均，導(dǎo)致開裂;逆吹溫度越高，逆吹氣流與煙氣交界面的溫度梯度越小;

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Numerical Simulation of Temperature Field and Velocity Field Influenced by the Reverse Airflow in the Tunnel Kiln

ZHONG Bin， FENG Qing， GONG Xiao-long， Lu Lin

（Jingdezhen Ceramic Institute，Jingdezhen 333001， China）

Abstract： This paper uses computational fluid dynamics fluent software to establish a three-dimensional physical model of the tunnel kiln preheating zone and uses a structured hexahedral grid to mesh the model， select the realizable-k-e turbulence model， set the boundary conditions， and preheat the tunnel kiln Numerical simulation of the gas flow in the belt kiln is carried out to study the influence of the angle of the back-blowing airflow on the temperature field and velocity field. The results show that Reverse blowing air flow can effectively reduce the temperature difference and improve the temperature uniformity of the cross-section; the temperature uniformity of the cross-section is the best when the temperature is 300 ～ 500℃;the lower the temperature is easy to cause the local temperature difference of the product.

Keywords： Tunnel kiln preheating; Reverse blowing airflow; Temperature field; Numerical simulations