康建喜 景 輝

(咸陽陶瓷研究設(shè)計(jì)院有限公司 陜西 咸陽 712000)

前言

我國是建筑衛(wèi)生陶瓷的生產(chǎn)、消費(fèi)大國和出口大國，陶瓷產(chǎn)量多年位居世界首位。而窯爐作為陶瓷產(chǎn)品的主要燒成設(shè)備，輥道窯是近幾十年發(fā)展起來的一種新型快燒的連續(xù)式窯爐，目前已廣泛應(yīng)用于建筑陶瓷、日用陶瓷、衛(wèi)生陶瓷等工業(yè)生產(chǎn)中。但輥道窯能耗較高，如何在確保產(chǎn)量的前提下降低能耗已成為陶瓷行業(yè)的研究熱點(diǎn)之一。為了響應(yīng)國家號召，節(jié)能降耗已成為窯爐行業(yè)新的研究方向，從事窯爐調(diào)試和科學(xué)研究的專家學(xué)者已經(jīng)從燒嘴的噴射角度、排煙結(jié)構(gòu)的設(shè)置、窯內(nèi)氣體流動特點(diǎn)等方面進(jìn)行了研究，為實(shí)際生產(chǎn)提供了科學(xué)理論依據(jù)。本研究采用數(shù)值模擬的方法，基于CFD 技術(shù)，利用Fluent軟件對煙氣余熱利用前后兩種燒嘴布置方案的窯爐內(nèi)部氣體流場及溫度場的數(shù)值模擬進(jìn)行分析對比，從而驗(yàn)證了余熱利用方案的合理性。

1 數(shù)值模擬方法簡介

陶瓷窯爐的熱工特性是在燒制陶瓷過程中燃料燃燒、氣體流動、傳熱綜合作用的過程，其影響因素很多，如窯爐結(jié)構(gòu)、燃料燃燒、氣體流動以及壓力和氣氛的控制等。陶瓷窯爐結(jié)構(gòu)龐大且工作系統(tǒng)復(fù)雜，加上現(xiàn)有儀器設(shè)備的限制，以實(shí)驗(yàn)的方式對其研究而獲取準(zhǔn)確參數(shù)具有很大的難度。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)對工程問題進(jìn)行數(shù)值模擬已廣泛應(yīng)用于軍事、核工業(yè)、冶金、化工和環(huán)保等行業(yè)，其中CFD 技術(shù)及Fluent軟件的應(yīng)用最為突出。

1.1 CFD 技術(shù)

CFD為計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics)的簡稱，最早起源于20世紀(jì)70年代的美國，但是其得到真正應(yīng)用還是在近十幾年。它是通過計(jì)算機(jī)計(jì)算過程，分析包含流體流動規(guī)律在內(nèi)的相關(guān)物理現(xiàn)象，并將其以圖像或者數(shù)值方法表達(dá)出來的系統(tǒng)。CFD 的基本思想為：將原來在時(shí)間和空間上的連續(xù)的壓力場和速度場，用一系列的有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值來代替，通過某些特定的關(guān)系建立起這些離散點(diǎn)上變量之間的代數(shù)關(guān)系式。

CFD 計(jì)算的一般步驟為：

1)建立反映實(shí)際問題的數(shù)學(xué)模型，建立微分方程及相應(yīng)的定解條件；

2)尋求高效率、高準(zhǔn)確度的計(jì)算方法，即離散化方法。如：有限元法，有限差分法，有限體積法；

3)編寫程序及進(jìn)行計(jì)算；4)顯示計(jì)算結(jié)果及分析。

CFD 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)，省時(shí)省力，并且應(yīng)用過程中有較多的靈活性，容易模擬那些高溫，易燃等實(shí)驗(yàn)中不方便操作的問題。因此其被作為設(shè)計(jì)工具在水利工程、環(huán)境工程、海洋結(jié)構(gòu)工程、土木工程等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前，比較常用的CFD 軟件有：CFX、FIDIP、STAR-CD、Fluent等。

1.2 Fluent軟件

Fluent是一款用于模擬流動、熱傳導(dǎo)、兩相流和化學(xué)反應(yīng)等問題的商用計(jì)算流體力學(xué)軟件，F(xiàn)luent軟件具有強(qiáng)大的網(wǎng)格支持功能，用戶可以使用混合網(wǎng)格、不連續(xù)網(wǎng)格、滑動網(wǎng)格、變形網(wǎng)格等來解決復(fù)雜的流動狀況?？梢宰x入ICEM-CFD、GAMBIT 和CGNS等多種網(wǎng)格模型進(jìn)行計(jì)算分析，而且其計(jì)算結(jié)果可以用等直線圖、云圖、XY 散點(diǎn)圖、矢量圖等多種方式顯示。

利用Fluent軟件可以解決的問題包括：不可壓縮流動和可壓縮流動問題；牛頓流體和非牛頓流體問題；層流、湍流問題；對流換熱問題；熱輻射問題；兩相流問題；在慣性坐標(biāo)系和非慣性坐標(biāo)系下的氣相流動問題等。

2 物理模型與數(shù)值求解

2.1 物理模型

本次模擬是以輥道窯的燒成帶高溫段(溫度1 200℃)為模擬對象。由于燒成帶中氣體流動特征基本相似，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，沒有必要對整個(gè)燒成帶進(jìn)行網(wǎng)格劃分和模擬計(jì)算，因此本次模擬只取燒成帶一節(jié)中的輥下空間作為計(jì)算區(qū)域。其計(jì)算域主要尺寸如表1所示，燒成帶實(shí)體結(jié)構(gòu)如圖1所示，并把窯體模型做以下簡化：

表1 輥道窯窯體簡化后主要參數(shù)

圖1 燒成帶實(shí)體結(jié)構(gòu)圖

1)對于燒成帶溫度在1 200℃左右時(shí)，窯內(nèi)主要的傳熱形式是熱輻射，熱傳遞可忽略不計(jì)；

2)忽略窯體附屬結(jié)構(gòu)，如觀察孔、事故處理孔等；

3)窯爐是連續(xù)式生產(chǎn)窯爐，正常條件下窯內(nèi)熱工參數(shù)相對穩(wěn)定，不會發(fā)生較大的變化，故將窯內(nèi)煙氣流動視為穩(wěn)態(tài)流動，傳熱視為穩(wěn)態(tài)傳熱；

4)燒嘴磚簡化為圓柱形；

5)窯內(nèi)煙氣密度變化忽略不計(jì)，視為不可壓縮氣體。

根據(jù)燒成帶實(shí)體結(jié)構(gòu)及數(shù)值模擬需求，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，根據(jù)簡化后的尺寸可得到簡化后的兩種窯體模型，分別如圖2、圖3所示。其中模型A 有2對，共計(jì)4個(gè)燒嘴；模型B只有2個(gè)燒嘴，是將每一對燒嘴中的其中一個(gè)燒嘴用于煙氣排出，煙氣通過蓄熱體進(jìn)行余熱利用。

圖2 模型A

圖3 模型B

物理模型建立完成之后對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的好壞直接影響到計(jì)算結(jié)果的精確度和穩(wěn)定性。窯體的劃分比較簡單，采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格對窯內(nèi)空間實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，燒嘴是柱體結(jié)構(gòu)，不能采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格劃分，這里采用Cooper方法對燒嘴進(jìn)行網(wǎng)格劃分。其部分網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.2 控制方程與邊界條件

2.2.1 控制方程

輥道窯燒成帶窯內(nèi)氣體流動主要為湍流流動并帶有渦旋和耗散，因此選用目前工程中運(yùn)用比較成熟的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行湍流計(jì)算；燒成帶內(nèi)制品主要進(jìn)行輻射傳熱，因此采用DO 輻射模型進(jìn)行輻射計(jì)算。

圖4 燒嘴部分網(wǎng)格

模型控制方程如下：

燒成帶的數(shù)學(xué)模型可用一個(gè)通用方程來描述連續(xù)、動量和能量方程，即：

k方程：

ε方程：

DO 輻射模型：

其中標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型常數(shù)如表2所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型常數(shù)表

2.2.2 邊界條件

以模型A 為例進(jìn)行邊界條件的設(shè)置，邊界的物理模型如圖2、圖3所示。各邊界的邊界值如表3所示。

表3 各邊界煙氣物理參數(shù)

另外，磚坯的物理參數(shù)為：內(nèi)部發(fā)射率ε=0.9，密度ρ=2 200 kg/m3，比熱Cp=1 200 kJ/kg·℃，導(dǎo)熱系數(shù)λ=1.1 W/m·℃。

2.2.3 數(shù)值求解

在本次數(shù)值求解中選用三維穩(wěn)態(tài)求解器，二階迎風(fēng)格式和SIMPLE 算法進(jìn)行求解。各控制方程的松弛因子采用Fluent軟件的默認(rèn)因子，最后對方程迭代求解。

3 數(shù)值模擬結(jié)果和分析

經(jīng)過3 000次的迭代計(jì)算，從Fluent軟件的監(jiān)視窗口中可以看出曲線已經(jīng)趨于穩(wěn)定，可以認(rèn)為計(jì)算收斂。現(xiàn)在取兩個(gè)模型不同位置的速度分布和溫度分布圖進(jìn)行分析和比較。

圖5(a)和圖6(a)分別顯示了目前使用的輥道窯燒成帶模型(即模型A)內(nèi)部流場的速度分布云圖和速度分布等高線圖，通過對此模型Y=200截面(即沿?zé)炜v截面所截平面)速度分布云圖和等高線圖分析發(fā)現(xiàn)，其燒成帶空間速度場分布比較均勻，速度在各個(gè)燒嘴的噴口處達(dá)到了最大值，在窯內(nèi)形成了強(qiáng)烈的渦旋氣流。

圖5(b)和圖6(b)顯示了將原來每一對燒嘴中的一個(gè)燒嘴改為煙氣出口，達(dá)到煙氣余熱利用目的燒成帶模型(即模型B)內(nèi)部流場的速度分布云圖和速度分布等高線圖。通過對模型Y=200截面速度分布云圖和等高線圖的分析可以發(fā)現(xiàn)，與模型A 相比其速度場分布更加均勻，仍然各個(gè)燒嘴在噴口處速度達(dá)到了最大值，窯內(nèi)也形成了強(qiáng)烈的渦旋氣流。

圖5 Y=200截面速度分布云圖

圖6 Y=200截面速度分布等高線圖

圖7 Y=200截面溫度分布云線圖

圖7(a)和圖8(a)分別顯示了目前正常使用的輥 道窯燒成帶模型(即模型A)內(nèi)部溫度場的溫度分布云圖和溫度分布等高線圖，通過對此模型Y=200截面(即沿?zé)炜v截面所截平面)溫度分布云圖和溫度分布等高線圖的分析發(fā)現(xiàn)，其燒成帶內(nèi)部溫度場分布與所對應(yīng)速度場分布類似，由于速度等高線越密集的地方，氣體渦旋程度越強(qiáng)，這樣溫度分布也就越均勻，因此在中間區(qū)域溫度分度比較均勻，各個(gè)燒嘴在噴口處溫度達(dá)到了最大值。

圖8 Y=200截面溫度分布等高線圖

圖7(b)和圖8(b)顯示了將原來每一對燒嘴中的一個(gè)燒嘴改為煙氣出口，達(dá)到煙氣余熱利用目的燒成帶模型(即模型B)內(nèi)部溫度場的溫度分布云圖和溫度分布等高線圖。通過對模型Y=200截面溫度分布云圖和溫度分布等高線圖的分析可以發(fā)現(xiàn)，與模型A 相比其溫度場分布仍然比較均勻，且各個(gè)燒嘴在噴口處溫度達(dá)到了最大值。

4 結(jié)論

通過CFD 技術(shù)，利用Fluent軟件中的DO 輻射模型對輥道窯燒成帶內(nèi)部速度場和溫度場的模擬，經(jīng)過對模擬結(jié)果的分析可得到以下結(jié)論：

1)模型A 和模型B燒成帶內(nèi)部溫度流場相似，但模型B 只使用了2個(gè)燒嘴，相對模型A 更加精益化。精益化后空余的2個(gè)燒嘴位置，可以設(shè)置為排煙孔，通過排煙孔的設(shè)置實(shí)現(xiàn)燒嘴燃燒后的高溫?zé)煔庠跓崃勘怀浞掷煤笸ㄟ^排煙孔輸出，輸出的高溫?zé)煔馑鶐С龅臒崃繉说臒焖柚硷L(fēng)進(jìn)行加熱升溫，從而實(shí)現(xiàn)在溫度流場沒有變化的前提下，煙氣熱量充分利用的效果。所以，該研究成果實(shí)現(xiàn)了既精益又節(jié)能的效果。

2)對溫度分布云圖和溫度分布等高線的分析發(fā)現(xiàn)，無論是模型A，還是模型B，燒嘴噴口處的溫度場與其它流體場的溫度場都存在一定的差異，這種差異會導(dǎo)致整個(gè)溫度流場出現(xiàn)斷面溫度差異。為減少溫度差異，模型B的精益化效果有進(jìn)一步深化的條件。經(jīng)過進(jìn)一步的研究，我們對每一對燒嘴+排煙口設(shè)置設(shè)計(jì)為定時(shí)切換，即燒嘴位置在某個(gè)時(shí)間段會切換為排煙口，排煙口在對應(yīng)的時(shí)間段會切換為燒嘴。通過這種切換對燃燒的精益化效果進(jìn)一步深化，對輥道窯的節(jié)能效果也進(jìn)一步深化。

3)該研究成果的最終意義是通過對高溫帶溫度場的研究，發(fā)現(xiàn)更加精益化的燃燒方案。并在該研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)新型換向燃燒裝置，既改善了現(xiàn)有燃燒方式的溫度場，還可實(shí)現(xiàn)輥道窯煙氣余熱的深度利用。該項(xiàng)研究成果還可以推廣應(yīng)用在隧道窯、梭式窯等高溫窯爐上。