基于CFD 輥道窯內氣體流場及溫度場的數值模擬*

康建喜 景 輝

(咸陽陶瓷研究設計院有限公司 陜西 咸陽 712000)

前言

我國是建筑衛生陶瓷的生產、消費大國和出口大國，陶瓷產量多年位居世界首位。而窯爐作為陶瓷產品的主要燒成設備，輥道窯是近幾十年發展起來的一種新型快燒的連續式窯爐，目前已廣泛應用于建筑陶瓷、日用陶瓷、衛生陶瓷等工業生產中。但輥道窯能耗較高，如何在確保產量的前提下降低能耗已成為陶瓷行業的研究熱點之一。為了響應國家號召，節能降耗已成為窯爐行業新的研究方向，從事窯爐調試和科學研究的專家學者已經從燒嘴的噴射角度、排煙結構的設置、窯內氣體流動特點等方面進行了研究，為實際生產提供了科學理論依據。本研究采用數值模擬的方法，基于CFD 技術，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部氣體流場及溫度場的數值模擬進行分析對比，從而驗證了余熱利用方案的合理性。

1 數值模擬方法簡介

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，如窯爐結構、燃料燃燒、氣體流動以及壓力和氣氛的控制等。陶瓷窯爐結構龐大且工作系統復雜，加上現有儀器設備的限制，以實驗的方式對其研究而獲取準確參數具有很大的難度。

隨著科學技術的發展，利用計算機對工程問題進行數值模擬已廣泛應用于軍事、核工業、冶金、化工和環保等行業，其中CFD 技術及Fluent軟件的應用最為突出。

1.1 CFD 技術

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

CFD 計算的一般步驟為：

1)建立反映實際問題的數學模型，建立微分方程及相應的定解條件；

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

3)編寫程序及進行計算；4)顯示計算結果及分析。

CFD 技術的優點是適應性強，省時省力，并且應用過程中有較多的靈活性，容易模擬那些高溫，易燃等實驗中不方便操作的問題。因此其被作為設計工具在水利工程、環境工程、海洋結構工程、土木工程等領域得到廣泛的應用。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、兩相流和化學反應等問題的商用計算流體力學軟件，Fluent軟件具有強大的網格支持功能，用戶可以使用混合網格、不連續網格、滑動網格、變形網格等來解決復雜的流動狀況。可以讀入ICEM-CFD、GAMBIT 和CGNS等多種網格模型進行計算分析，而且其計算結果可以用等直線圖、云圖、XY 散點圖、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；在慣性坐標系和非慣性坐標系下的氣相流動問題等。

2 物理模型與數值求解

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，為了節省計算時間，沒有必要對整個燒成帶進行網格劃分和模擬計算，因此本次模擬只取燒成帶一節中的輥下空間作為計算區域。其計算域主要尺寸如表1所示，燒成帶實體結構如圖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

圖1 燒成帶實體結構圖

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

2)忽略窯體附屬結構，如觀察孔、事故處理孔等；

3)窯爐是連續式生產窯爐，正常條件下窯內熱工參數相對穩定，不會發生較大的變化，故將窯內煙氣流動視為穩態流動，傳熱視為穩態傳熱；

4)燒嘴磚簡化為圓柱形；

5)窯內煙氣密度變化忽略不計，視為不可壓縮氣體。

根據燒成帶實體結構及數值模擬需求，對其結構進行簡化，根據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4個燒嘴；模型B只有2個燒嘴，是將每一對燒嘴中的其中一個燒嘴用于煙氣排出，煙氣通過蓄熱體進行余熱利用。

圖2 模型A

圖3 模型B

物理模型建立完成之后對其進行網格劃分，網格劃分的好壞直接影響到計算結果的精確度和穩定性。窯體的劃分比較簡單，采用結構化六面體網格對窯內空間實體進行網格劃分，燒嘴是柱體結構，不能采用結構化六面體網格劃分，這里采用Cooper方法對燒嘴進行網格劃分。其部分網格結構如圖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用比較成熟的標準k-ε湍流模型進行湍流計算；燒成帶內制品主要進行輻射傳熱，因此采用DO 輻射模型進行輻射計算。

圖4 燒嘴部分網格

模型控制方程如下：

燒成帶的數學模型可用一個通用方程來描述連續、動量和能量方程，即：

k方程：

ε方程：

DO 輻射模型：

其中標準k-ε湍流模型常數如表2所示。

表2 標準k-ε湍流模型常數表

2.2.2 邊界條件

以模型A 為例進行邊界條件的設置，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

另外，磚坯的物理參數為：內部發射率ε=0.9，密度ρ=2 200 kg/m3，比熱Cp=1 200 kJ/kg·℃，導熱系數λ=1.1 W/m·℃。

2.2.3 數值求解

在本次數值求解中選用三維穩態求解器，二階迎風格式和SIMPLE 算法進行求解。各控制方程的松弛因子采用Fluent軟件的默認因子，最后對方程迭代求解。

3 數值模擬結果和分析

經過3 000次的迭代計算，從Fluent軟件的監視窗口中可以看出曲線已經趨于穩定，可以認為計算收斂。現在取兩個模型不同位置的速度分布和溫度分布圖進行分析和比較。

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(即沿燒嘴縱截面所截平面)速度分布云圖和等高線圖分析發現，其燒成帶空間速度場分布比較均勻，速度在各個燒嘴的噴口處達到了最大值，在窯內形成了強烈的渦旋氣流。

圖5(b)和圖6(b)顯示了將原來每一對燒嘴中的一個燒嘴改為煙氣出口，達到煙氣余熱利用目的燒成帶模型(即模型B)內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現，與模型A 相比其速度場分布更加均勻，仍然各個燒嘴在噴口處速度達到了最大值，窯內也形成了強烈的渦旋氣流。

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(即沿燒嘴縱截面所截平面)溫度分布云圖和溫度分布等高線圖的分析發現，其燒成帶內部溫度場分布與所對應速度場分布類似，由于速度等高線越密集的地方，氣體渦旋程度越強，這樣溫度分布也就越均勻，因此在中間區域溫度分度比較均勻，各個燒嘴在噴口處溫度達到了最大值。

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燒嘴改為煙氣出口，達到煙氣余熱利用目的燒成帶模型(即模型B)內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現，與模型A 相比其溫度場分布仍然比較均勻，且各個燒嘴在噴口處溫度達到了最大值。

4 結論

通過CFD 技術，利用Fluent軟件中的DO 輻射模型對輥道窯燒成帶內部速度場和溫度場的模擬，經過對模擬結果的分析可得到以下結論：

1)模型A 和模型B燒成帶內部溫度流場相似，但模型B 只使用了2個燒嘴，相對模型A 更加精益化。精益化后空余的2個燒嘴位置，可以設置為排煙孔，通過排煙孔的設置實現燒嘴燃燒后的高溫煙氣在熱量被充分利用后通過排煙孔輸出，輸出的高溫煙氣所帶出的熱量對近端的燒嘴所需助燃風進行加熱升溫，從而實現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，該研究成果實現了既精益又節能的效果。

2)對溫度分布云圖和溫度分布等高線的分析發現，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，這種差異會導致整個溫度流場出現斷面溫度差異。為減少溫度差異，模型B的精益化效果有進一步深化的條件。經過進一步的研究，我們對每一對燒嘴+排煙口設置設計為定時切換，即燒嘴位置在某個時間段會切換為排煙口，排煙口在對應的時間段會切換為燒嘴。通過這種切換對燃燒的精益化效果進一步深化，對輥道窯的節能效果也進一步深化。

3)該研究成果的最終意義是通過對高溫帶溫度場的研究，發現更加精益化的燃燒方案。并在該研究的基礎上設計新型換向燃燒裝置，既改善了現有燃燒方式的溫度場，還可實現輥道窯煙氣余熱的深度利用。該項研究成果還可以推廣應用在隧道窯、梭式窯等高溫窯爐上。