建陶輥道窯預熱帶流場特征分析

童劍輝 馮 青

（景德鎮(zhèn)陶瓷學院，景德鎮(zhèn)：333001）

1 引言

閘板和擋墻作為輥道窯的結(jié)構(gòu)之一，在控制調(diào)節(jié)窯內(nèi)熱工參數(shù)（如壓力、溫度等）時起到重要的作用，這一點，文獻[1，2]有過詳細的闡述。設(shè)置(或調(diào)節(jié))閘板之所以能夠改變熱工參數(shù)，主要是因為改變了窯內(nèi)煙氣的流場，也就是改變了煙氣的壓力、速度等參數(shù)的分布，從而改變了窯內(nèi)溫度和壓力制度。因此若能掌握調(diào)節(jié)閘板時煙氣流場的特征，可為輥道窯的生產(chǎn)運行提供一定的理論參考，但一直以來，受實驗條件和研究方法的限制，人們對包括輥道窯在內(nèi)的陶瓷窯爐內(nèi)氣體流場很難有一個全面的了解。直至近年來，隨著計算機技術(shù)飛速發(fā)展，一種基于數(shù)值計算的傳熱與流體流動的研究方法--數(shù)值模擬的廣泛應(yīng)用，才使人們對這方面的研究成為可能，如文獻[3-6]通過數(shù)值模擬的方法，研究得到了梭式窯、隧道窯窯內(nèi)的流場和溫度場，并分析了它們對制品燒成的影響。對于輥道窯氣體流場的數(shù)值模擬研究，受窯長和計算機資源的限制，一般只選取各帶中典型的一節(jié)或幾節(jié)為代表進行研究，從筆者查閱的相關(guān)文獻來看，對其燒成帶的數(shù)值研究較多[7-11]，冷卻帶的研究卻較少[12-14]，而文獻[12]也僅就輥道窯閘板開度對預熱帶內(nèi)氣體流場進行了2維的研究，并未對閘板呈不同形狀開度時的流場進行研究。為此，本文采用數(shù)值模擬方法，利用大型流體計算軟件FLUENT模擬計算，對輥道窯閘板呈不同形狀開度時預熱帶內(nèi)的煙氣流場進行研究。

2 數(shù)學模型和物理模型及網(wǎng)格劃分

2.1 數(shù)學模型

考慮到煙氣流過閘板和擋墻時，在它們上游附近和下游的煙氣流動為比較強烈的湍流，因此氣體流動的控制方程除基本控制方程組外，還應(yīng)包括描述湍流的湍流模型k-ε兩方程,且所有控制方程可用一個通用表達式表達如下[16]：

上式中，?為通用因變量，Γ?為?的擴散系數(shù)，S?為氣相源項。

2.2 物理模型的簡化和建立

圖1 閘板呈3種形狀開度的示意圖Fig.1 Schematics for the three kinds of fire gate opening

圖2 預熱帶窯體結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Structure of the preheating zone in the kiln

表1 計算邊界參數(shù)Tab.1 Parameters for boundary conditions

圖3 閘板呈3種形狀開度時的煙氣斷面流速矢量分布（沿窯長方向）Fig.3 Distributions of flue gas velocity vectors at the cross-section for the three kinds of fire gate opening(along the length of the kiln)

如文獻[1]所述，為了滿足制品燒成的需要，閘板經(jīng)常被調(diào)節(jié)呈各種形狀的開度。由于形狀種類繁多，無法（也沒有必要）對此一一進行流場研究。因此本文只選取文獻[1]中的典型3種形狀的開度進行模擬研究，如圖1。另外，在建立計算窯體模型時，考慮模型的真實有效性和計算機資源的限制，窯體模型的長度取1.5節(jié)標準窯體長（3m），模型的其它結(jié)構(gòu)參數(shù)可參考文獻[9，15]。因閘板和擋墻的厚度相對自身兩方向的尺寸和窯內(nèi)空間尺寸很小，故可將它們的厚度簡化為0mm，這對煙氣流動產(chǎn)生的影響非常小，可忽略不計；窯墻同文獻[9，15]相同，為絕熱0厚度墻。簡化后的物理模型網(wǎng)格全都采用四面體網(wǎng)格。物理計算模型如圖2。

3 邊界條件

為了便于分析比較閘板3種形狀開度下的煙氣流場特征，3種計算模型的計算邊界條件相同，見表1。

4 流場分析

圖4 閘板呈3種形狀開度時的煙氣斷面壓力場（沿窯長方向）Fig.4 Flue gas pressure fields at the cross-section for the three kinds of fire gate opening(along the length of the kiln)

4.1 閘板呈3種形狀開度時的煙氣速度場

由圖3可以看出，當煙氣流過閘板、擋墻、窯墻和磚坯表面形成的氣流通道時，由于通道面積發(fā)生突縮，煙氣流速急速增大，方向也發(fā)生很大變化，都形成一股流速較其他地方煙氣質(zhì)點都大的主流。受主流卷吸作用，在閘板和擋墻下游附近處形成較其他地方都大的負壓，使主流上下兩側(cè)的煙氣發(fā)生倒流，形成兩個較大的漩渦。進一步觀察3個上側(cè)的氣流漩渦，發(fā)現(xiàn)它們的大小和強度都有所不同，閘板呈“一”字形開度時的漩渦大小和強度最大，呈鋸齒形開度時的有所減小，而“凹”字形開度的漩渦強度和大小較前兩者的小的多。產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象主要是由于閘板不同形狀的開度使氣流通道的面積和形狀不同，通道內(nèi)煙氣質(zhì)點的主流速度也不盡相同，它們之間產(chǎn)生了不同的干擾。

4.2 閘板呈3種形狀開度時的煙氣壓力場

圖4為模擬得到的閘板呈3種不同形狀開度時，閘板下游煙氣的斷面壓力分布。由圖可以看出，受閘板截流的影響，煙氣流過閘板時，在下游附近都有一個較其他地方負壓值都大的負壓區(qū)，且不同形狀的開度對負壓區(qū)的范圍和負壓值都有影響。“凹”字形開度時，形成的負壓區(qū)和負壓值最小，鋸齒形的次之，“一”字形的最大，這也進一步為圖3中形成的漩渦區(qū)大小和強度不同提供了佐證。在負壓漩渦區(qū)的下游，由于受到的漩渦干擾逐漸減弱，下游斷面的壓力分布逐漸趨于均勻，但它們的大小始終小于閘板上游的壓力值。

再考察閘板呈3種不同形狀開度時，輥下斷面壓力場的分布。比較它們的壓力分布可以看出，由于輥下?lián)鯄σ渤省耙弧弊中伍_度，故輥下壓力分布與“一”字形開度的閘板的輥上壓力分布幾乎相同，而與“凹”字形和鋸齒形的有一定的差別，在相同位置的沿高度方向存在一定的壓差，會使煙氣流速不同，影響制品與煙氣對流換熱的均勻性。

5 結(jié)論

通過以上分析，可得出當閘板呈3種形狀開度時，輥道窯預熱帶內(nèi)煙氣流場有以下幾個重要的特征：

（1）受閘板截流的影響，在閘板下游附近產(chǎn)生一個較其他地方負壓都大的區(qū)，結(jié)果在此形成漩渦。

（2）不同形狀開度產(chǎn)生的漩渦區(qū)的大小和強度不同，“一”字形開度時的最大，鋸齒形開度的較前者略有減小，而“凹”字形開度的較前兩者的小的多。

（3）閘板呈“一”字形開度時的輥上和輥下斷面壓力分布幾乎相同，而呈“凹”字形和鋸齒形時有一定的差別，且在相同位置沿高度方向存在一定的壓差。

1孔海發(fā).輥道窯窯道閘板及擋火墻的設(shè)置.陶瓷,2001,154(6): 30～35

2張明,曾令可等.輥道窯窯道閘板及擋火墻的設(shè)置.中國陶瓷, 1998,34(3):22～24

3高暉,郭烈錦等.梭式窯空氣動力模型中紊流流動與對流傳熱的數(shù)值模擬.硅酸鹽學報,2002.30(5):602～607

4馮青,宮小龍等.梭式窯吸入式燒嘴的三維數(shù)值模擬研究.工業(yè)爐,2006,28(6):8～11

5劉東亮,金永中等.梭式窯溫度場影響因素的數(shù)值研究.中國陶瓷.2006,42(5):16～18

6艾明香,王世等.隧道窯冷卻帶噴嘴噴射速度對窯內(nèi)氣體流動的影響.硅酸鹽通報,2007,26(3):598～601

7張柏清,盧立用等.氣燒明焰輥道窯燒嘴的三維數(shù)值模擬.陶瓷學報,2005,26(3):15～157

8徐婷,馬曉茜.輥道窯燒成帶富氧燃燒及火焰空間數(shù)值模擬.中國陶瓷,2009,45(3):40～43

9童劍輝,馮青等.輥道窯燒成帶氣體流場與溫度場的三維數(shù)值模擬.中國陶瓷,2006,42(10):27～30

10黎水平,吳武輝.基于數(shù)值方法的陶瓷輥道窯溫度場模擬研究.武漢理工大學學報,2008,30(9):101～103,142

11王雪瑤,劉石等.陶瓷輥道窯高溫帶流場的數(shù)值模擬研究.中國陶瓷,2007,43(5):29～32

12馮青,李柯等.輥道窯擋火板開度對預熱帶氣流影響的數(shù)值研究.中國陶瓷,2006,42(4):26～29

13童劍輝,汪和平.建陶輥道窯急冷段內(nèi)氣體流動特征模擬研究.陶瓷學報,2009,30(1):96～100

14童劍輝,馮青等.輥道窯急冷噴風小孔與制品夾角對急冷段內(nèi)氣體流動的影響.中國陶瓷,2010,46(255):38～40

15胡國林.建筑陶瓷工業(yè)輥道窯.北京:中國輕工業(yè)出版社, 1998,81～82

16王福軍.計算流體力學分析CFD軟件原理與應(yīng)用.北京:清華大學出版社,2004