隧道窯逆吹氣流對溫度場和速度場影響的數值模擬

鐘斌 馮青 宮小龍 陸琳

摘 要：本文使用計算流體動力學fluent軟件，建立了隧道窯預熱帶三維物理模型，并采用結構化六面體網格對模型進行網格劃分，選擇realizable-k-e湍流模型，設置邊界條件，對隧道窯預熱帶窯內氣體流動進行數值模擬，研究逆吹氣流的溫度對溫度場和速度場的影響。結果表明：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，越容易造成產品的局部溫差。

關鍵詞：隧道窯預熱帶;逆吹氣流;溫度場;數值模擬

1 前 言

隧道窯是一種先進的機械化自動化程度高、能耗低、產量高的連續式熱工設備。在隧道窯生產中，普遍存在著預熱帶上下溫差大的問題，一般情況下預熱帶上下溫差在200～300℃，甚至高達400℃。它不僅影響產品質量，而且延長了燒成時間。目前解決隧道窯預熱帶上下溫差的措施有很多，如：設置高溫調速燒嘴、設置攪拌氣幕、設置窯門、采用輕質窯車等。本文研究的是在隧道窯預熱帶窯頂設置一定數量的逆吹風管，通過噴出逆向的氣流，壓迫煙氣向下流動，使得上部的高溫煙氣與下部的低溫煙氣混合，從而達到減小上下溫差的目的。

近些年一些學者通過數值模擬對隧道窯內部溫度場和速度場進行研究，但大多數是對燒成帶的溫度場和速度場的研究[1～3]，對預熱帶上下溫差的研究甚少。通過數值模擬對不同逆吹溫度對隧道窯預熱帶窯內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，提高產品的燒成質量。

2 物理模型及其網格劃分

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管的前后幾節窯體作為研究對象，其尺寸如下：

窯體結構尺寸：長×內高×內寬=9000×2100×1630（mm）。

逆吹風管：管徑為50mm;逆吹風管之間的間距為420mm，離窯墻的距離為210mm;逆吹風管出風口中心到窯頂的距離為75mm，共5根逆吹風管;

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網格劃分

為了更方便的劃分網格，將模型分為兩部分，逆吹風管周圍劃為一部分，其余劃為另一部分。使用ICEM軟件對兩部分模型進行網格劃分，采用結構化網格，最后將兩部分網格進行組裝。生成的網格數量為2000多萬個，網格質量在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;使用標準壁面函數;使用UDF定義邊界條件及流體的物性參數;使用SIMPLEC算法及二階迎風格式。

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

質量方程：

（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

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

本次模擬選擇預熱帶階段，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，故將煙氣密度隨溫度變化的函數編譯為UDF導入fluent中。表1中的y表示的是y方向的數值。各邊界條件的具體參數及其大小如表1所示。

4 計算結果及分析

本文章的模擬結果在計算3500多次后達到穩定，殘差曲線各項指標均達到指定值，并且設置了出口速度和出口溫度的監測，出口速度和出口溫度也保持穩定。由此認為計算結果達到收斂要求。

4.1 溫度場結果分析

該模型有兩排產品，布置了5根逆吹風管，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，并卷吸一部分高溫煙氣，逆吹氣流溫度不斷升高;上部高溫煙氣被迫向下流動，與下部低溫煙氣混合，提高下部溫度，并且上部高溫煙氣與低溫逆吹氣流混合，降低了上部高溫煙氣，實現上部降溫，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，容易造成產品的局部溫差;如圖3（a）所示，對于較低的逆吹溫度時，會導致上部溫度偏低，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為升溫、降溫、急劇升溫三個階段，不利于產品的燒成;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 速度場結果分析

圖4是兩排產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。上部高溫煙氣有明顯的往下流動的趨勢，上部高溫煙氣和下部低溫煙氣混合，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管出口處形成局部的負壓，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煙氣被卷吸進入逆吹氣流中，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域;

4.3 不同逆吹溫度對溫度場的影響

4.3.1溫度標準差

如何準確的判斷截面溫度均勻性的好壞至關重要，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。在統計學中，標準差可以衡量一組數據的波動大小，標準差越大，其數據的偏離程度越大，標準差越小，其數據偏離程度小。同樣，在截面內提取若干溫度點，計算標準差，若標準差越大，其截面溫度均勻性越差，若標準差越小，其溫度均勻性越好。

4.3.2 不同逆吹溫度的各截面的標準差

由于逆吹氣流對前后溫度場都有影響，所以選取逆吹風管前后六個截面，每個截面提取109×141=15369個溫度點進行標準差的求解。截面1為x=3m處的截面（即第二列和第三列產品之間的截面）;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準差。逆吹溫度在20～300℃時，各截面的標準差隨著逆吹溫度的升高而降低，;逆吹溫度在300～500℃時，各截面的標準差基本不變;逆吹溫度高于500℃時，各截面的標準差緩慢上升。逆吹溫度在20～300℃階段，過低的逆吹溫度使得上部出現低溫區域，由于逆吹氣流壓迫的作用，上部高溫煙氣向下流動，使得中部溫度偏高，而底部雖然有高溫煙氣的混合，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，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，即標準差減小;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，即標準差基本不變;當逆吹溫度超過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，即標準差開始增加。

4.3.3 逆吹風管中心線的溫度分布

圖6是中間噴風管中心線上的溫度分布。由圖可以看出，逆吹風管之后的溫度比較平穩。到達逆吹風管口時，由于有逆吹風的吹出，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域，在核心區域之內，溫度不變;第二階段溫度迅速上升，是因為隨著位置前移，脫離了核心區域，此時存在強烈的熱交換、外部高溫煙氣卷吸混合，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高溫煙氣的交界面，中心線溫度由逆吹氣流的溫度過度為窯內煙氣溫度。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結論

通過對不同逆吹角度對隧道窯預熱帶溫度場和速度場數值模擬的分析可以得出以下結論：

（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）適當的增加逆吹溫度，可以提高截面溫度均勻性。并且逆吹溫度在300～500℃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，容易造成產品的受熱不均，導致開裂;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