隧道窯冷卻帶噴嘴布置對窯內氣流動的影響

摘 要 利用計算流體力學軟件Fluent中的標準紊動能-紊動能耗散率（k-ε）模型和多孔介質模型，對隧道窯冷卻帶內氣體流場進行了三維數值模擬，研究噴嘴的數量和布置方式對窯內氣體流動的影響。研究表明，噴嘴的安裝布置應為：上排噴嘴靠近窯頂，下排噴嘴靠近窯車臺面；當維持噴入總風量和噴嘴噴出速度不變時，噴嘴個數應有一定范圍，不能太多；上排噴嘴和下排噴嘴應對稱安裝。

關鍵詞 隧道窯，冷卻帶，數值模擬，速度分布，冷卻

1引言

隧道窯冷卻帶位于燒成帶之后，主要用來冷卻高溫制品。冷卻帶的結構參數直接影響窯內氣體流動，從而影響制品的冷卻效率及產品質量。影響窯內氣體流動的因素主要有料垛碼法、燒嘴噴射角度及規格等[1～5]。本文應用計算機數值模擬技術，利用計算流體力學軟件Fluent中的標準紊動能-紊動能耗散率（k-ε）模型和多孔介質模型，研究冷卻風噴嘴安裝位置、噴嘴數量、上下噴嘴是否對稱安裝對窯內氣體流動的影響，為隧道窯設計提供參考。

2模 型

2.1 計算模型

某隧道窯內截面寬2.65 m（有效寬2.4 m），高1.14 m（火道高0.24 m，碼料區高0.75 m，制品距窯頂0.15 m）。冷卻帶長10 m，冷卻風入口噴嘴與熱風抽出口呈周期性分布，每節下排和上排各有兩個冷卻風入口，窯頂有一個熱風抽出口。取隧道窯的一小節進行模擬，為簡化計算，假設如下：

（1）每節吹入的冷卻風全部由相應的熱風抽出口抽出；

（2）流場中間對稱，取一半幾何體劃分網格和計算。

計算模型如圖1所示。

2.2 網格劃分

劃分網格時，先劃分面網格再劃分體網格。面網格劃分采用Quad/Pave方法，劃分前先對代表噴嘴的小圓孔進行網格劃分。體網格劃分采用混合網格方案。為提高計算精度，小圓孔網格的節點間距要與其尺寸相適應。最終劃分的網格如圖2所示。

2.3邊界條件的設置和算法

工質為空氣。固體壁面均為無滑移絕熱壁面；上下兩排噴嘴為速度入口；排熱風口為自由出口；碼料區與火道為多孔介質[6]區。在隧道窯內制品區裝滿大量的形狀不規則制品；火道內有支柱分布，使氣體在制品區和火道內流動空間減小且流動阻力增大，因此可將它們設為參數不同的多孔介質區。可根據窯內制品碼放情況調整多孔介質參數，近似模擬窯內氣體流動。

壓力與速度的耦合采用SIMPLE算法求解。因網格數目較大，為加快收斂，動量方程、能量方程和κ-ε方程采用一階迎風格式。

3數值模擬結果和分析

為具體研究隧道窯的噴嘴布置對窯內氣體流動的影響，安排如表1所示的實驗。

3.1 噴嘴垂直安裝位置

下排噴嘴的垂直安裝位置可在距離窯車臺面0～0.24 m范圍內即火道內；上排噴嘴安裝的位置可在距離窯頂0～0.15 m的范圍內。上下兩排噴嘴距離窯車臺面或窯頂由近至遠（距離制品由遠至近）分成A～D四種方法安裝，如表2所示。

由于線段上的速度分布比較直觀，做一條過窯內制品中心附近且平行于隧道窯橫截面的直線，考察該線段上窯內氣體的速度分布情況（以下3.2～3.3都是模擬分析該線段上的窯內氣體速度分布）。設上下噴嘴的氣體噴出速度為120 m/s，經迭代計算后，該線段上的速度分布如圖3所示。由圖3可以看出，噴嘴垂直安裝靠近窯車臺面或窯頂，如安裝方法A，窯內線段上速度分布均勻，制品區速度在0.5～2.0 m/s之間，主要集中在0.5 m/s左右；噴嘴安裝在距離窯車臺面或窯頂的中間位置，如安裝方法B，速度大小在0.25～1.2 m/s之間，主要在0.4 m/s左右，窯內線段上速度減小且大小不均勻；噴嘴與窯車臺面或窯頂的距離繼續增大，即安裝位置稍微靠近制品時，如分布方法C，此時窯內線段上速度增大而且大小分布均勻，與安裝位置A的情況幾乎相同；噴嘴與窯車臺面（或窯頂）的距離增大到噴嘴靠近制品時，如安裝方法D，窯內線段上速度增大，但大小不均勻，氣體流速在0.2～0.8m/s之間，主要集中在0.6m/s左右。由此看出，噴嘴安裝位置在距離窯車臺面（或窯頂）的中間位置時平均速度最小；靠近或遠離窯車臺面（或窯頂）時平均速度大。這是因為噴嘴在中間位置時，噴出的氣流有足夠的空間擴散，速度減小得快；靠近或遠離窯車臺面和窯頂時，噴出氣流的擴散空間相對減小，速度減小得慢。在熱風抽出口負壓的帶動下，制品區氣體流動的速度后者大于前者。安裝位置A和C的速度大且較均勻。但是考慮到溫度因素，噴嘴離制品近，急冷風未充分與周圍進行熱交換，急冷風與制品的溫差大，易造成制品開裂。所以，噴嘴合適的安裝位置是下排靠近窯車臺面，上排靠近窯頂。

這一結論可以從隧道窯某一橫截面上的溫度分布等高線上進一步論證。過冷卻帶的中間作一橫截面，考察該面上的溫度分布情況。其計算結果如圖4所示。由圖4可以看出，位置為A和C時，溫度等高線比較均勻，溫度也較高，窯內的氣體形成環流；其它兩個噴嘴的安裝位置，由于窯內氣流速度較慢，流動不暢通，制品與氣體換熱速度慢，造成窯內氣體溫度較低。其原因是熱源相同時，合適的噴嘴安裝位置會使窯內氣體的流速增大，而流速增大加強了氣體與制品的換熱強度，所以窯內制品溫度高且分布均勻。因此可得出結論：噴嘴安裝位置靠近窯車臺面和窯頂時（安裝位置A），溫度最高、最有利于制品冷卻，是最合適的安裝位置。

事實上，在以下的模擬中，噴嘴的布置方法有利于窯內氣體均勻快速地流動、氣體溫度也比較高，有利于制品的冷卻。

3.2 噴嘴數量

假設隧道窯急冷帶的一小節內有2個噴嘴，在總風量與噴風速度不變的情況下，噴嘴分別增加到4個、6個和8個，其內徑相應減小。設噴嘴的氣體噴出速度為120m/s，經迭代計算后窯內某線段上速度分布如圖5所示。

急冷風噴嘴分別為2個和4個時，窯內某線段上的速度分布幾乎相同，中間速度線比較平直、速度大小比較均勻，制品區速度大小在0.5～2.0 m/s之間，主要在0.5 m/s左右；當噴嘴個數增加到6個時，制品區靠近噴嘴處速度增大，但是速度線有起伏、大小不夠均勻，主要速度集中在0.5 m/s左右，但是最小速度為0.3 m/s，速度有減小的趨勢；噴嘴數為8個時，制品區域速度減小到0.2～0.4 m/s之間，而且速度線起伏較大，不利于制品快速均勻冷卻。由此可以看出，噴嘴數量增加，窯內氣體流動均勻度減小，不利于制品快速均勻冷卻。其原因是在總流量不變的情況下，噴嘴個數增加，單個噴嘴的送風量減小，對窯內氣體的擾動作用減小，導致窯內氣體流速減小而且流動不均勻。由此可知隧道窯的一小節內噴嘴的個數應為2至6個，不能太多。

3.3 噴嘴布置方式

急冷風入口的排布方式分上下噴嘴的對排和錯排，而錯排又分為兩種：一是上排噴嘴對準熱風抽出口，下排噴嘴和上排噴嘴交錯排列（錯排1）；二是下排噴嘴對準熱風抽出口，上排噴嘴和下排噴嘴交錯排列（錯排2）。設上下兩排噴嘴的氣體噴出速度為120 m/s，計算結果如圖6所示。

由圖6可以看出，錯排1的左邊（下排噴嘴安裝的一邊）速度明顯高于錯排2和對排左邊的速度。這是因為其上排噴嘴對準熱風抽出口，吹出的急冷風易被抽走，下排噴嘴吹入的冷風在熱風抽出口負壓的帶動下更快地向出口處流動。錯排2和對排的速度分布線幾乎相同，因為它們的上排噴嘴都不對準熱風抽出口，只是排布方式分別為對排和錯排；對排的制品區速度比錯排2的要大些，而且大小更均勻，有利于制品均勻快速冷卻。

4結論

（1） 噴嘴垂直安裝位置應是上排噴嘴靠近窯頂，下排噴嘴靠近窯車臺面處；

（2） 當維持總噴入風量及噴嘴噴風速度不變時，噴嘴個數應保持在一定范圍，不能太多；

（3） 上下噴嘴的對稱布置有利于窯內氣體流動均勻。

參考文獻

1 吳建青，劉振群.梭式窯爐對流換熱的模擬研究[J].硅酸鹽學報，1997，25(2):152～156

2 高 暉，郭烈錦，顧漢祥.梭式窯空氣動力模型中紊流流動與對流傳熱的數值模擬研究[J].硅酸鹽學報，2002，30(5): 602～607

3 馮 青，陸 琳，曾德生等.輥道窯燒嘴噴射角度對窯內湍流氣流影響的研究[J].中國陶瓷工業，2004(1):22～25

4 趙越清.快燒陶瓷隧道窯的截面溫度分布及其均衡措施[J].中國陶瓷工業，2005，12(1):32～35

5 陳國紅，黃紹明，王世剛.空氣推板式隧道窯高溫間接冷卻系統[J].電子工業專用設備，2004(111):51～52

6 Fluent.inc.Fluent uer's guid[EB/OL].Http://www.Fluent.com.

Effect of Nozzle Quantity and Arrangement on the Airflow in Cooling Section of Tunnel Kiln

Ai Mingxiang1Wang Shifeng1，2 Liu Guangxia1

(1 School of Material Science and EngineeringShandong Institute of Light IndustryJinan Shandong250353

2 Space Thermal Science Research InstituteShandong UniversityJinan Shandong 250061)

Abstract: By using the CFD software Fluent's k-ε model and porous media conditions，the airflow in a kiln's cooling section was numerically simulated to provide guidance for the quantity and arrangement of nozzle.The results showed that the upper and lower nozzles should be symmetrically installed and they should be close to the kiln ceiling and the kiln car's table-board respectively，the quantity of nozzle should be appropriate instead of too many.

Keywords: tunnel kiln，sharply cooling section，numerical simulation，velocity distribution，cooling