（机械电子工程专业论文）陶瓷窑急冷段温度场的分析和控制.pdf

摘要 在陶瓷窑的加工过程中，陶瓷窑急冷段的流场是制品加工成功的关键因素， 对陶瓷窑的设计和调节，始终都是围绕流场的分布来确定的。窑炉中，温度场 是流场中最重要的一个对象。本文主要以温度场为研究对象，对温度场的研究 分为温度场的模拟分析和温度场的控制两部分。 温度场的模拟分析中采用大型的工程数值模拟软件a n s y s 对炉内的温 度场进行数值模拟，模拟结果符合窑炉实际的温度场分布，遂用此数值模拟的 方法对陶瓷窑急冷段中有无挡火板的窑炉结构进行了分析比较，证明了档火板 在控制温度场合理分布中的重要作用；通过以上结果，结合实际的流场分布， 证明了急冷段中冷气喷管的不同角度也直接影响了温度场的分前i ，在对不同的 喷管角度进行模拟的过程当中，找到了在冷气流量一定的情况下，最合理的喷 管角度，但在陶瓷窑的加工过程当中，喷管罩的冷气流量总在发生变化，并且 急冷段中的温度场的分布要受到上游和下游的流场的干扰，温度场的分布也会 随之发生变化，为了满足加工工艺要求，要能适时调节温度场的分布，使温度 场的分布总能趋于合理，这要求对喷管的角度能自动调节，角度的调节是根据 温度的变化和加工工艺的要求，必须是一个自动调节的过程，但对急冷段中所 有的喷管进行自动调节并不符合实际，通过模拟结果发现，对急冷段中温度场 影响最大的是最靠上游的两根喷管，在其他喷管角度不变的情况下，可通过调 节此两根的角度来优化温度场的分布，但喷管中的气压较高，要求密封性好， 所以目前，国内外陶瓷窑中的冷气喷管都是固定不动的，为了调节喷管中的冷 气流的方向，遂在原有的喷管结构的基础之上，增加了一套节式钢管，该节式 钢管结构简单，能自由伸缩摆动，可方便的调节冷气流的流向。 温度场的控制部分设计了一套自动控制系统来调节节式钢管转动的角度， 该系统以单片机为内核。根据热电偶采集的温度，通过步进电动机来调节节式 钢管的角度，其结构简单，不但提高了辊道窑的自动控制能力，还能有效的提 高温度场分布的合理性，为制品的成功加工提供了保障。 关键字：陶瓷窑，温度场，数值模拟，喷管角度，温度控制 a b s t r a c t i nt h ec o u r s eo f p r o c e s s i n gi l lp o t t e r yk i l n ，t h ef l o wf i e l d i nt h eu r g e n tc o l d s e c t i o no f p o t t e r yk i l ni sk e yf a c t o ro fp r o d u c t s s u c c e s s f u lp r o c e s s i n g a c c o r d i n g t o d i s t r i b u t i o no ff l o wf i e l dc o n f i r m st h ed e s i g na n dr e g u l a t i o no fk i l na l lt h et i m e i n k i l n ，t e m p e r a t u r e f i e l di st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o ro ft h ef l o wf i e l d t h i sp a p e r r e g a r d st e m p e r a t u r ef i e l da st h em a i n r e s e a r c ho b j e c t ，t h es t u d yo nt e m p e r a t u r ef i e l d i sd i v i d e di n t ot w op a r t s ：t h es i m u l a t i o n a n a l y s i s o ft e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e c o n t r o l l i n go f t e m p e r a l u r e f i e l d ， t h es i m u l a t i o no f t e m p e r a t u r e f i e l da d o p t st h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e - a n s y sw h i c hc a r i e so nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt ot h et e m p e r a t u r ef i e l di nt h e k i l n ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa c c o r dw i t ht h er e a ld i s t r i b u t eo ft e m p e r a t u r ef i e l di nt h e k i l n ，t h e ns i m u l a t i o na n da n a l y s i n gt w ok i n d so f s i t u a t i o n sb yt h i sw a y ：t h e r eb 1 - e r e t a i n i n gf i r eb o a r d sa n dt h e r ea r e n tr e t a i n i n gf i r eb o a r d s ，a n d i tp r o v e st h a tr e t a i n i n g f i r eb o a r d sd i s t r i b u t ei m p o r t a n tf u n c t i o ni nc o n t r o l l i n gt e m p e r a t u r ef i e l d ；t h ea b o v e r e s u l t s ，c o m b i n i n gt h e r e a l f l o w i n gf i e l dd i s t r i b u t i o n ，p r o v ed i f f e r e n ta n g l e s o f n o z z l ei nt h e u r g e n t c o l ds e c t i o ni n f l u e n c et h ed i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l d d i r e c t l y , i nt h ec o u r s eo fi m i t a t i n gt od i f f e r e n tn o z z l ea n g l e ，w ef i n dt h eb e s tn o z z l e a n g l ei nt h es i t u a t i o nt h a tt h ea i rf l o wi sc e r t a i n b u ti nt h ep r o c e s s i n gc o u r s eo f t h e p o t t e r yk i l n ，t h ef l o wo fc o l da i rc o n d i t i o n i n gi nt h en o z z l ei sa l w a y sc h a n g i n g ，a n d t h ed i s t r i b u t i o no f t e m p e r a t u r ef i e l di nt h eu 唱e n tc o l ds e c t i o nw o u l d b ei n f l u e n c e db y t h eu p p e rr e a c h e sa n dl o wr e a c h e so ft h ef i e l df l o w s ，t h ed i s t r i b u t i o no f t e m p e r a t u r e f i e l dw i l lc h a n g et h e r e u p o nt o o ，i no r d e rt om e e tt h et e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n to f p r o c e s s i n g ，w es h o u l dr e g u l a t et h ed i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l di ng o o dt i m e o p t i m i z i n gt h ed i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l dr e q u i r e st h en o z z l ea n g l ec a nb e a u t o m a t i c t h er e g u l a t i o no ft h ea n g l ei s a c c o r d i n gt ot h er e q u e s to ft h ec h a n g eo f t e m p e r a t u r ea n dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , i tm u s tb eac o u r s eo fa u t o m a t i cr e g u l a t i o n ， b u tc o n t r o l l i n ga l ln o z z l e si nu r g e n tc o l ds e c t i o na u t o m a t i c a l l yi su n r e a l i s t i c ，t h r o u g h s i m u l a t i o n sw ec a nf i n dt h a tt h em o s ta n t e r i o rt w on o z z l e sa n g l ei st h em o s ti m p o r t a n t f a c t o rt od i s t r i b u t i o no f t e m p e r a t u r ef i e l di nt h eu r g e n tc o l ds e c t i o n ，i nt h es i t u a t i o n t h a to t h e rn o z z l e s a n g l e d u e sr i o t c h a n g e ，r e g u l a t i n g t h i st w oc a no p t i m i z et h e d i s t r i b u t i o no f t e m p e r a t u r e f i e l d ，b u ta t m o s p h e r i cp r e s s u r ei nn o z z l e sr e l a t i v e l yh i g h ， i td e m a n d st h es e a l i n gi sg o o d ，s oa tp r e s e n t ，t h en o z z l e si np o t t e r yk i l ni nd o m e s t i c a n di n t e r n a t i o n a lw e r ea j lf i x e d i no r d e rt o r e g u l a t et h ed i r e c t i o no ft h ec o l da i r c u r r e n ti nt h en o z z l e ，t h ep a p e r d e s i g n e sas e to f s t e e lt u b e so nt h ef o u n d a t i o no f t h e a l r e a d ve x i s t i n gn o z z l es t r u c t u r e ，s t e e lt u b eo f t h i st y p ec a nf r e et os w i n g ，a n di t i s c o n v e n i e n tt or e g u l a t ef l o wd i r e c t i o no fc o l da i rc u r r e n t s e c t i o no fc o n t r o l l i n g t e m p e r a t u r e f i e l d d e s i g n e s o n ea u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e mw h i c h c a l la u t o m a t i c a l l y r e g u l a t en o z z l ea n g l e ，a n di t i sb a s e do nt h ea t 8 9 s 5 1 ， a c c o r d i n gt ot e m p e r a t u r eg a t h e r e df r o m t h et h e r m o c o u p l e ，a t 8 9 s 51c a nr e g u l a t et h e a n g l eo f t h es t e e lt u b et h r o u g hs t e p - m o t o r t h i sk i n do f s y s t e mi so fs i m p l es t r u c t u r e ， i tn o t o n l yi m p r o v e s a u t o m a t i cc o n t r o la b i l i t i e s ，b u ta l s oe f f e c t i v e l yi m p r o v e s r a t i o n a l i t yo f d i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l d ，a n dp r o v i d e ss a f e g u a r df o rs u c c e s so f t h ep r o d u c t s k e yw o r d s ：p o t t e r yk i l n ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，n o z z l ea n g l e t e m p e r a t u r e c o n t r o l 垫坚垄：! ：查堂堡主鲎堡堡苎 一 第1 章绪论 1 1 课题的研究目的及意义 陶瓷窑急冷段的温度场是制品加工成功的关键因素，炉内温度场的分嘶i 直 接决定陶瓷的结晶体和结晶体的致密程度，在陶瓷窑的设计和凋节中，始终都 是围绕温度场的分布来安排的，温度场的具体分布情况是我们设计和调节陶瓷 窑的最终依据。但窑炉结构的设计和温度场的测量需要消耗大量的人力，物力 和财力，通过的反复的实验才能得出结论，要进一步提高陶瓷产品的产量，质 量和品质，就需进一步控制好炉内的温度，但辊道窑炉体大，炉内温度高，温 度变化快以及昂贵的实验费用和繁重的实验劳动等问题使得采用连续测温手段 来研究炉内温度场是不现实的。而且不可能对所有无限小区域测温，导致采用 测温方法来研究温度场规律具有严重的局限性和不准确性。在研究中，分析温 度场的有效途径之一是模拟温度场，分析不同的温度场对瓷砖的质量影响，并 根据工艺需要自动控制和调节温度场的分布，结合陶瓷窑的具体结构，以实现 加工制品的最优化的温度场分布。即研究的目的在于掌握辊道窑急冷段的温度 分布状况。温度变化规律，热量传递规律，温度梯度变化规律以及各种工艺参 数对温度分布和热量传递的影响，从而指导辊道窑瓷砖的工业生产，和冷气喷 管的角度的自动化控制。基于此目的，论文的研究内容主要包括：( 1 ) 对实际 的辊道窑炉进行一定的简化，假设和约定，确定急冷段温度场初始条件和边界 条件，采用二维强制对流模型，用k 一两方程模型进行计算：建立炉内的温度 场有限元分析的几何模型和数值计算模型，采用现在最流行的数值计算方法一 有限单元法对炉内温度场迸行有限分析。在有限元几何模型和数学模型的基础 上，采用a n s y s 软件模拟炉内急冷段中流场的分布情况。( 2 ) 分析了挡火板的 作用；急冷段中冷气喷管的不同角度对流场分布的影响，以及急冷段中流场上 游的两根冷气喷管对流场分布的影响，为了方便控制，对原有的喷管结构进行 了改进，该进后的结构简单，经济，安装容易，不受钢架的弯曲变形等影响， 并维护方便。( 3 ) 急冷段中冷气喷管的不同角度就会形成不同的流场分布，结 合模拟结果，并根据具体的加工情况，在原有的温度控制系统的基础之上，设 计一套能自动控制急冷段喷管角度的系统，以在急冷段的温度场发生变化的时 候，自动调节喷管的角度，实现最接近理想的湿度场分布。这项研究将有助于 提高辊道窑产品的产量和品质。为降低瓷砖的能耗奠定基础。同时也为辊道窑 温度场的研究提出了新的思路。 武汉理1 ：人学硕士学位论文 1 2 温度场模拟和控制在国内外的现状和发展 ( i ) 被加工的材料在固体状态下，由于外加载荷或热场等条件的作用，必 将发生变形，将有应力和应变发生。若为可恢复变形，其应力应变应是弹性的； 若为永久变形，其应力应变将是弹塑性的。从力学方面看，热加工的分析，大 体上有刚体力学，弹性力学，塑性力学三大类。目d 口材判热加工中固体应力应 变分析的基本方法是：除了非常简单的经典问题能够得出显示的解析解之外， 一般要采用数值解法。主要的数值解法有有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 和有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ) 。其中常用的是有限元法。 现在普遍采用数值模拟的方法剥炉内的温度分布及传热进行研究。所采用 的方法是根据所需求解的实际问题建立合理的数学模型，利用离散化处理的数 值方法，以电子计算机为工具，采用计算机程序来求解。对辊道窑的温度场采 取数值模拟，数值分析和建模将是解决的重要问题。应用中描写传热问题的微 分方程常常是组复杂的非线性偏微分方程。除了某些简单的情形外，很难获 得这些偏微分方程的精确解。在传热学中所应用的数值方法很多，大多数方法 的基本思想可以归结为：把原来在时间、空间坐标中连续的温度场，用有限个 离散点上的值的集合来代替，具体到每一点建立起关于这些值的代数方程并解 之，以获得温度场的近似解。在辊道窑流场分析方面，文献 2 1 中用时序分析的 方法对窑内温度场的动态变化作了分析，时序分析的方法只对窑内有限的几点 作分析。本文用数值模拟的方法对窑内流场的所有关键点都作了分析，能全面 的了解和控制窑内流场的分布规律。本文采用二维强制对流模型，用k - s 两方 程模型进行计算并模拟。 ( 2 ) 在辊道窑温度控制方面，我国的自动控制技术已取得了很大进步，但 与国外相比，仍有很大差距，原因之一就在陶瓷生产的自动化水平不高，落后 的自动控制技术制约着陶瓷生产的质量提高。 8 0 年代后，我国陆续引进了一批先进的窑炉设备，虽使中国的窑炉生产技 术有了大幅度提高，但由于陶瓷窑热工对象时滞大，各控制变量( 如湿度、压 强、速度等) 之间互相耦合，使陶瓷窑的温度控制系统比较复杂。目前常用的 控制系统有以下几种：组合仪表分散控制、计算机集中控制、计算积集散控制 和基于现场总线的计算机控制。 现场总线控制使通信的线路少，成本更低，可靠性更高。在现场总线控制 方面，中国科学技术大学研制了适合c a n 现场总线控制系统的温度控制智能模 块，此模块不仅可以独立控制温度，还可以在车间级与设备级之间建立数字化 武汉理f ：人学硕士学位论文 网络，使自动控制系统与设备加入到工信息网络，并且可以与其他节点进行 数据交换，可以接受上位机的控制指令，从而可以实现从局部最优到全局最优 的处理。“。在文献 3 0 中，也对如何运用p r o f i b u s 总线设计陶瓷窑温度控制系 统进行了探讨和研究。 现在，模糊控制也越来越多的运用到了陶瓷窑的温度控制系统当中，在文 献 2 9 中，针对目前陶瓷明焰窑温度控制中存在的问题和国产明焰窑的特点 在控制算法上采用模糊控制与时问比例分割控制相结合的变结构智能控制策 略，在系统组成上采用主从分布式控制的总体方案，并设计m 了以这种方式为 核心的陶瓷明焰窑温度控制的硬件和系统软件。此系统使整个窑炉成为一个有 机的整体，并且系统运行可靠，稳定性好。 在以上的各种温度控制方式当中，主要是通过控制喷管中的冷气流量来实 现的。但在陶瓷窑的实际加工过程中，喷管角度的变化，对炉内温度场分布的 影响很大，对制品的加工质量i 乜有很大的影响。结合对不同角度的温度场的模 拟，可明显的比较出在冷气流量一定的情况下，喷管的角度直接决定了温度场 的优劣性。文中设计了一套自动控制喷管角度的系统，其结构简单，并能有效 的提高温度场分布的合理性。 1 3 本文中拟采用的分析方法和创新点 本文中采用数值模拟的方法对陶瓷窑急冷段的流场进行了数值模拟，经过 比较证明，模拟结果与实际参数吻合较好。并通过模拟结果来分析挡火板在控 制流场分布中的作用，以为挡火板的设计提供依据：对急冷段中冷气喷管的不 同角度进行分析，以求得不同温度场所需的不同喷管角度：为了防止不稳定的 温度场对制品的不利影响，需对喷管角度进行自动控制。但对急冷段中的所有 2 2 根冷气喷管进行控制并不实际，为此，可对前两根喷管的角度可以调节，而 其他喷管角度不变的情况进行模拟分析，以求得只控制前两根喷管角度而实现 温度场优化的简便方法；但实际的冷气喷管都是固定不动的，且结构不易改动， 通过对结构的设计，增加一套节式钢管结构，以方便控制；在控制系统中，通 过设定的温度和采集到的温度进行比较，采用p i d 控制算法来控制步进电动机 的转角步进电动机带动冷气喷管变化相同的角度，以对温度场的分布起到辅 助和精确控制的作用。所以本文对炉内的流场进行数值模拟和分析，并设计简 单适用的结构和控制系统来提高急冷段中的温度场分布的合理性，提高温度控 制的自动化，提高陶瓷加工的质量和效率。 武汉理1 一大学硕士学位论文 第2 章辊道窑急冷段流场的数值模拟 2 1 引言 有限元分析方法是当前计算机辅助工程中应用最为j 。泛的技术。利用数值 计算方法实现温度场的数值分析和模拟对优化设计和安全生j “具有重夫的指导 意义。文中采用大型的工程数值模拟软件a n s y s 对炉内的温度场进行数值模 拟，a n s y s 作为广泛应用的优秀的有限元软件，把有限元数值分析技术和c a d ， c a e ，c a m 等图形处理有机的结合在一起。a n s y s 除了发展多种与c a d 直接转换 的接口以外，同时使自己的输出文件格式通用化和标准化，a n s y s 自带的编程语 言。a p d l 可供用户以a n s f s 为平台，进行二次丌发，是强有力的计算工具。用户 既可在c a d 中建模，然后通过a n s y s 和c a d 接口传入模型进行计算，电可以在 a n s y s 中以用户界面方式利用菜单建模，输入初始数据，进行计算和查看计算结 果。用户还可以用a n s y s 的a p d l 语言，用命令流的方式进 1 ：建模，计算和查看 结果；a n s y s 也逐渐在温度场等流场中得到了广泛的应用，基于有限元分析的流 体动力学( c f d ) 分析模块是大型的工程数值模拟软件a n s y s 的一个重要模块。 大型c f d 软件c f x 的相继加入，使a n s y s 在c f d 功能上，特别是在几何建模、 网格工具、求解没置、新物理模型、后处理等方面有了全面提升。在a n s y s 中， 可以直接通过图形窗口查看温度场的分们j ，及其变化规律，i u 以通过信息文本 框查看温度场的相应数据，还可以通过坐标系的关系图查看某一点的温度随时 闯的变化过程。最后对模拟结果进行实验验证。 辊道窑是当前国内外建筑陶瓷工业广泛应用的一种新型连续性窑炉，按制 品加工的过程可将辊道窑分为三带：预热带、烧成带、冷却带。冷却过程是陶 瓷生产中的关键工序之一，冷却带有晶体成长，转化的过程，是整个烧成过程 中的最后一个环节。急冷段是冷却带中的重要一段，产品质量的高低都要经过 冷却结晶之后7 j 。能反映出来。进行冷却的最好办法是直接吹风冷却，辊道窑急 冷段应用最广的直接风冷是在辊子上下设置横贯窑断面的冷风喷管，如图l 所 示。每根喷管上均匀的开有圆形或狭缝式出风口，对着制品上下均匀的喷冷风， 达到急冷效果。冷却工序极为关键，设计高效率的冷却新窑炉是窑炉结构设计 者的目标之一。 在辊道窑流场分析方面，文献 2 1 中用时序分析的方法对窑内温度场的动 态变化作了分析，时序分析的方法只对窑内有限的几点作分析。本文用数值模 拟的方法对窑内流场的所有关键点都作了分析，能全面的了解和控制窑内流场 武汉理r 大学硕十学位论文 的分布规律。 2 2 数值模拟 用a n s y s 进行数值模拟的主要步骤如下：确定问题的区域、确定流体的状态、 生成有限元网格、施加边界条件、设置模拟对象的参数以及求解和检查结果。 2 2 1 物理模型 本文的研究对象是武汉陶瓷装备有限公司设计的1 6 0 长的辊道窑。下图卜1 ( a ) 是该窑巾急冷段中间的一段立体图。 图1 1 ( a ) 有挡火板时窑炉急冷段中间的一段立体图 图卜1 ( a ) 中对流场产生影响的结构主要有挡火板、辊子、喷管和窑壁 如下简图卜1 ( b ) 所示，其为急冷段入口处的一段简化立体图。 图卜1 ( b ) 有挡火板时窑炉急冷段入口处的结构简图 本文所用算例的立体模型如上图卜1 ( b ) 所示。实际模型中所选计算区域 武汉理j ：人学硕i 二学位论文 ( 窑内流体区域) 的结构尺寸为：2 5 0 0 m m 3 1 5 0 m m x 9 6 5 m m ( 长x 宽x 高) 。流体 沿窑的纵向流动，本文取流体的纵向正截面为研究对象，如图卜2 ( a ) 。整个区 域内都有严密的网格划分，用四边形单元划分的自由网格如图1 2 ( b ) 所示， 整个计算区域共划分了7 9 5 5 7 个网格，约8 1 3 6 2 个结点。 图12 ( a ) 流体区域纵向正截面 图卜2 ( b ) 流体区域纵向正截面网格图 2 2 2 边界条件和计算方法 边界条件规范了内部流场分布规律，对计算结果有着直接影响，正确处理 与确定边界条件是很关键的。 ( 1 ) 因为空气流速较小，马赫数远小于0 3 ，在本文中用不可压缩算法。 ( 2 ) 冷却风机选用9 2 6 型5 6 a 机号的高压离心通风机，风量为1 0 5 5 6 m h ， 计算得冷风喷管的喷口风速为2 1 m s ，温度为3 0 0 k 。 ( 3 ) 分析过程中不考虑制品相变热等微弱影响，主要研究对象是进口流体 和喷管流体。进口空气温度为1 l o o k ，抽热风机选用y 9 - 3 5 i o d 型锅炉引风机， 风量为3 1 2 5 0 衍h ，计算得窑体内进口处流体的平均流速为2 4 m s 。 ( 4 ) 出口边界相对压强为一2 p a ；其它边界均设为固体无滑移绝热壁。即上 下边界，挡火板边界和辊子绝热v x = v y = o 。 2 2 3 求解策略 湍流模型是非线性耦合方程。模拟计算时的收敛曲线相当不理想，明显存 在两大不足：第，收敛稳定性差，容易引发散；第二，收敛速度较慢。为改 善这种收敛现象，人们对此作了相当广泛的研究。p a t a n k a r 首先指出在程序设 6 武汉理- i ：大学硕十学何论文 计中可使用动态松驰，以加快收敛速度。收敛过程中收敛性能是根掘性因素， 对收敛速度起决定性作用。f o u l i e r 分析表明，迭代误差能很快地随迭代过程衰 减，而迭代法对于低频误差儿乎无能为力，这正是一般迭代过程收敛稳定性差 的根本原因。用四边形单元划分的自由网格衰减低频误差，并利用迭代法衰减 高频误差，能有效地改善整个迭代求解过程的收敛性能，进而加快收敛速度。 由于辊子、挡火板、喷管和陶瓷半成品使窑炉局部结构的几何形状曲度变 化剧烈，所以紊流模拟采用r n gk s 双方程模型，压强求解使用三对角矩阵算 法t d m a 。雷诺数r 。= 。d 。，p ，= 4 ( 截面面积) 湿周长。初始没置湍流惯性 松弛因子为i 0 ，压力和动量松弛因子应小于0 5 ，但低于0 2 时，对求解困难 问题没有什么帮助；分析丌始采用较大的湍流比，亦即较高的切始有效粘性， 但不要设置该值超过1 0 1 0 7 ，他仅在问题启动时起作用。无论什么时候激活 湍流模型，湍流比仅控制初始的有效粘性；j f 确的物性初始化后，应采用较高 的粘性而不先激活湍流模型求解，当流场部分收敛时，再激活湍流模型，为了 让湍流方程部分收敛，列于一些全局迭代，需要将有效粘性松弛因子减小到0 1 或0 0 。因子设定有利于模拟计算中困难问题的收敛 2 2 4 控制方程 本文采用二维强制剥流模型。由陶文铨的数值传热学“”可知k 一两方 程模型的适用范围与本计算条件相吻合。在二维直角坐标系中计算所用的k s 两 方程模型的控制方程通用形式如下所示： 亟磐+ 亟掣：吴( r 譬) + 昙( f 譬) + 。 苏 却缸融却、却 当分别等于“，v ，t ，k ，s 时，广义扩散系数r 为： “，v ，f = + ， t ， f = u | p ? 七u t | or k ， f = ”+ 雒t 口( s ， r = 硅七耻t | o 。 ( 2 ) 、源项s 分别为： “， s - 罢+ 昙c 砌罢，+ 毒c 砌塞， v ， s 一考+ 昙c 明参，+ 昙c 考， 配汹一触等一班盯rlc y 踮g - c 2 胪) 一，p f l g p , 6 ( o 砂t 卢酊2 + 一t c = “f z 罢 2 + ( 多 2 + ( 多十塞 2 “= c ，p 彪2 5 表卜l 控制方程中的经验常数值 j c 。c l c2 o k盯e口7 l o 0 91 4 4l ，9 2l l01 3o 9 1 0 | 根据文献 2 2 系数c 3 = c = 1 4 4 。 2 3 计算结果和分析 对网格进行加载，计算和后处理，得到了窑炉内流体的详细资料。通过对 各处流场分布的分析，特别是对区域内流体的速度、温度分布的分析，为设计 和改进窑炉结构提供了可靠的依据。 下图卜3 是模拟计算的图形求解跟踪图表，横坐标是迭代次数，竖坐标是 收敛监测量。本文用a n s y s 做流体分析，即做f l o t r a n 分析，f l o t r a n 分析是一 个非线性的序列求解过程，故每次分析首先要确定让程序执行多少次迭代。 次总体迭代就是对所有相关的控制方程按序列进行求解，并且在求解过程中流 体性质会随时更新。本文中进行了一百次迭代。在f l o t r a n 求解过程当中，程 序在每一次总体迭代里对速度、压力、温度、湍流动能等计算出一个收敛监测 武汉理。r 人学硕士学位论文 量。收敛监测量是变量在当前迭代的结果和前一次迭代的结果之间差值的总和 除以当前值的总和，这种求和是在所有节点上进行的，并且使用的是差值的绝 对值。收敛瓶测量的大小即是判断收敛的准则，收敛准则是在计算过程中判断 收敛的客观标准。有意义的控制收敛的方法是检查迭代所得近似解满足离散方 程的程度。在a n s y s 的模拟计算中有收敛的缺省值，模拟程序中将不检查未激 活的自由度或设为负值的自出度。当所有激活自由度的收敛准则都满足时，程 序就会中断执行。本文中所设定的压力、温度和速度的收敛舱测量的目标值分 别为：1 1 0 一、1 1 0 “和0 0 1 。 从下图卜3 中可知，在完成了1 0 0 次总体迭代后，所有变量的收敛监测量 都基本停止增长，程序也中断执行了。但这并不能保证所求解的结果是唯一f 确的，然而与实际的流场分布进行比较可知，模拟结果基本能l 啊两的反映炉内 流场的分布，并能正确的指导对窑炉结构的设计和控制系统的分析。 a f 蘸 黾 瀹碘 一 f l 。 “ 。啬。兰。= ” 图卜3 图形求解跟踪图 下面将按有无挡火板的调节作用分别给出此截面上各变量的流场矢量图。 各图将全面展示充分发展之后陶瓷窑内流体流动的规律。 2 3 1 无挡火板的流场分析 在没有挡火板时，用上述步骤分析得到流场的速度分布图和温度分布图如 下( 温度分布图中的温度的分辨率为9 0 0 c 左右，下同) ： 图卜4 ( a ) 无挡火板时速度分布图 武汉理工人学硕士学位论文 图1 4 ( b ) 无挡火板时温度分布图 无挡火板时的速度分布图中，进口中的高温流体遇到的阻力很小，速度变 化梯度不大，在与喷管中的低温流体的混合区，两种气流的分流比较明显，这 种速度分布的变化引起了温度分布的变化，在上图1 - 4 ( b ) 中，两种气流的分 流现象同样明显。无挡火板时的速度分布图和温度分布图表明了火焰能直接进 入到急冷带，则不能满足制品在此段加工所需的必要条件。 2 3 2 有挡火板的流场分析 在有挡火板时，用同样步骤分析得到流场的速度、密度、流线等值线和温 度分布图如下： 图卜5 ( a ) 速度分布图 图l 一5 ( b ) 密度分布图 图1 5 ( c ) 流线等值线图 l o 武汉理j ：人学硕士学位论文 图1 5 ( d ) 温度分布图 速度分布图中的进f j 】流体在遇到第一块挡火板后，形成一个凹流区，流体 向后流动，因为压力差和浮升力的影响，流体又有向上流动的趋势。在流体得 到充分发展之后，第块与第二二块挡火板之问的流体基本稳定，进口流体直接 窜入第二块挡火板之后，在浮升力和喷管流体的作用下，进口流体主要分成了 两大股，分别沿陶瓷窑的顶部和底部流动，绕顶部流动的流体在第三块挡火板 之前减速很快，基本没有对第三块挡火板形成冲击。 图卜5 ( b ) 为密度分布图，在不可压缩流巾，密度的变化通过重力加速度 才能驱动流动，温度变化导致密度变化，重力加速度9 8 1 m s2 。密度分布图表 明，最高密度是在两排喷管之间，达到0 6 2 k g m 3 。在喷管附近，密度变化的梯 度明显增大，主要是由两种流体的温度不同引起的。在进口区以及上下壁之间， 密度的变化与速度的变化基本一致。在项部，密度分布绕过了第三块挡火板， 密度变化明显的延伸到了第三块挡火板之后。流线等值线图中流线等值线在第 二与第三块挡火板之间明显的上凸，这主要由压力差和浮升力引起的。 图l 一5 ( d ) 为温度分布图，根据设计目的，在第二块与第三块挡火板之问 的理想温度应为1 0 2 3 k 。进口流体主要沿陶瓷窑的顶部和底部流动，喷管喷出的 高速冷风能有效的冷却制品，提高冷却效率。同时，我们可以看出，温度的变 化与密度、速度的变化基本一致。在顶部，温度分前i 虽然绕过了第三块挡火板， 但对第三块挡火板之后的温度分布影响不大。现取离进口2 0 0 0 m m 的个截面， 截面上从顶端到底端的温度分布如图卜6 所示，截面经过一根辊子，所以图卜6 中有断点。 i 篆 j 【1_r 乔 ” 2 ”5 。， ”“5 图卜6 温度分布图表 武汉理：【人学硕十学位论文 从图卜4 与图卜5 的比较中可以看出，进i z i 的热流在遇到挡火板后，流体 向窑的中部流动，阻止了气流上游的火焰进入急冷带，避免了热气n , i , q 浮升力 直接上升的趋势，避免了陶瓷制品因上面过热f 丽过冷而发生扭曲现象。热气 流速度的减缓，为窑炉后面的工序保证了时阳j ，也使冷热气流有充分的时i 白j 进 行混合，通过对流和辐射达到温度分布的均匀。通过挡火板隔离一定区间，结 合挡火板高低的调节和冷气流速度大小的调节，能较准确的控制急冷段窑炉内 温度的大小和分布，为陶瓷制品在急冷段的晶体成长和转化提供了必要的条件。 2 4 小结 ( 1 ) 本文用数值模拟仿真，基本能全面反映陶瓷窑急冷段流场的每一点的基 本特性，并且与实际的参数吻合较好，能对流场的分布作全面了解，包括速度， 密度，温度，压强等，为我们提供了窑炉内流体的具体参考数据，为陶瓷窑结 构的设计和优化，以及设各的选用，流场的调节提供了依据。 ( 2 ) 挡火板能阻止火焰进入急冷带，避免了热气流上升、减缓热气流速度、 形成回流，使温度分布均匀，为陶瓷制品在急冷段的) j h - e 提供，必要的条件。 ( 3 ) 本文只对流场中的二维场作了模拟分析，而实际的窑炉内的左右壁与窑 炉中间的流场差别比较大，并且在分析巾，对边界条件进行了简化，在具体生 产中，还应考虑陶瓷制品所带的热量对流场的影晌。 武汉理上人学硕十学位论文 第3 章不同喷管角度的分析 从上文知道，用工程数值模拟软件a n s y s ，能正确的模拟出辊道窑内的 温度场，同时发现喷管角度对温度场的影响。 不同的喷管角度就会形成不同的流场分布，流场分布的合理性是制品加工 成功的重要因素。不合理的流场分布，不但不能使制品在急冷段完成工艺要求 所需的加工，还直接影响了流场上游的高温带和下游缓冷带的流场分布，使制 品的成功加工没有保证。在实际的窑炉工作过程当中来调节喷管角度，需要大 量的工作且易产生劣质制品，况且窑炉中喷管角度的调节也不是易事。用数值 模拟的方法能较好的解决以上矛盾。 3 1 数值模拟和分析 同上文，同样的边界条件和计算方法。在a n s y s 分析过程中所加的速度方 向为x 或y 方向，当喷管喷嘴与垂赢方向的角度为巾时，速度如图3 - i ，v = 2 1 m s ， 现可把与y 方向成巾角的速度分解成两个速度分量v x 和v v ，v ；与x 方向平行， v v y 图3 - i 速度分解图 v y 与y 方向平行，如上图v x = v s i n 巾，v y = v c o s 巾。 为了使急冷带的进口处形成了一个微正压的区域，在喷管流量一定的情况 下，可通过调节喷管角度来实现。下面分别对不同的角度中进行了模拟。 3 i i 喷管角度较小的模拟 图3 - 2 ( a ) 速度分布图 武汉理。i ：人学硕士学位论文 图3 - 2 ( b ) 温度分布图 ， ， 图3 2 ( c ) 压强分布图表 当喷管中的低温流体垂直喷向制品时，如果没有图中从左向右的进口流体 的影响，则喷管中喷出的低温流体在遇到制品或辊子时，会平均的向流场的上 游和下游流动，但在实际的加工过程当中，低温气流会受到从高温带流向急冷 带的高温气流的影响，而直接偏向了流场的下游，图3 - 2 ( c ) 是离进口5 0 0 m m 的一个截面上，从顶端到底端的压强分布，其值在5 ，5 p a 到1 0 p a 之间。上图的 模拟结果表明：l 、冷空气与制品不能充分接触，减少了接触时阳j ；2 、急冷段 进口处压强为负压，使高温带的火焰能直接进入急冷段：3 、急冷段不能按要求 控制温度，不能使温度从1 2 0 0 c 降到6 2 0 ”c 左右，而高于6 2 0 c ，使制品不能顺 利的通过缓冷带的5 7 3 0 c 。导致急冷段的加工对前面的高温带和后面的缓冷带加 工产生不利影响。 图3 - 3 ( a ) 速度分布图 武汉理】：大学硕士学 奇= 论文 图3 - 3 ( b ) 温度分布图 当喷管中的低温流体以一个小角度，如上图中的6 5 度喷向制品时，其速 度分布图和温度分布图与垂直吹向制品时的分布图相似，其结果同样是：1 、冷 空气与制品不能充分接触，减少了接触时间；2 、急冷段进口处压强为负压，使 高温带的火焰能直接进入急冷段；3 、急冷段不能按要求控制温度，不能使温度 从1 2 0 0 0 c 降到6 2 0 0 c 左右，而高于6 2 0 0 c ，使制品不能顺利的通过缓冷带的5 7 3 0 c 。 导致急冷段的加工对前面的高温带和后面的缓冷带加工产生不利影响。 当角度较小的时候，v x 也较小，并受挡火板的影响，其速度分布图和温度 分布图与垂直吹向制品时的分和图均相似。 3 1 2 喷管角度较大的模拟 图3 4 ( a ) 速度分布图 图3 - 4 ( b ) 温度分布图 下图3 4 ( c ) 是离进口5 0 0 m m 的一个截面上。从顶端到底端的压强分布。 当喷嘴偏离垂直方向的角度较大，如上图的2 7 。时，冷气流向流场上游，即 武汉理1 人学硕士学位论文 李卜 _ 一f 7 7 、 _uv 一 1 d i s t 图3 4 ( c ) 压强分布图表 图中左向的速度分量比较大，且受流场下游的喷嘴喷出的冷气流的影响，以及 上游的热气流的影响，前两根喷管喷出的气体分别绕向了上方和下力“，并沿窑 体向下游流动，又受后面喷管喷出的气体的影响，在上排喷管的上方和下排喷 管的下方就形成了低压区，从喷管喷出的冷气流会按图中所示的方向绕向窑体 顶层和底层，形成如图所示的速度和温度分布。 温度分布图中，温度的分辨率是9 1 0 c ，只在第一块和第二块挡火板之渊有大 的温度变化，所以只在该区域有温度分布的等值线图。 图3 - 5 ( a ) 速度分布图 图3 - 5 ( b ) 温度分布图 当喷嘴偏离垂直方向的角度继续增大到4 0 。时，如上图，因为角度增大，分 速度v x 增大，但受挡火板的影响， 其速度分布图和温度分布图与2 7 。方向吹向 制品时的分布图相似，当角度继续增大时，其分布图与角度为2 7 。时的分布图均 相似。 3 1 3 喷管角度适中时的模拟 1 6 武汉理t 大学硕士学侥论文 图3 - 6 ( a ) 速度分确i 图 图3 - 6 ( b ) 温度分布图 当喷管中的低温流体倾斜2 0 。，以2 1 m s 的速度