（材料学专业论文）水包和烟道口结构对浮法玻璃熔窑关键工况参数影响的数值模拟研究.pdf

n u m e r j c a il n v e s t i a a t l o no ti n t i u e n c eo tw a i s tc 0 0 l e r a n ae x l l a u s t0 nk e vc o n d i t l o np a r a m e t e r s o ff l o a tq l a s sf u r n a c e a u t h o r ，ss i g n a t u r e ： 匕k 筮一 一 b u p e r v l s o r 7 ss i g n a t u r e ： e x t e m a lr e v i e w e 麟鱼璺匦j 盈塑l e x a m i n i n gc o m m i t t e ec h a i r p e r s o n ： e x a m i n i n gc o m m i t t e em e m b e r s ： d a t eo fo r a ld e f e n c e ： m 丛血q 2 ，2 q ! ! 学位论文作者签名：寓军 签字目期唧3 月巾 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆太堂有权保留并向国家有关部门或机构 送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝鎏太堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者张高毕 签字日期：卅年3 月7 1 日 名：弘 签字日期：力叫年多月，日 摘要 摘要 本文综合评述了国内外玻璃熔窑全氧燃烧技术以及浮法玻璃熔窑数值模拟 的研究方法。基于对燃天然气浮法玻璃熔窑理论的细致研究，建立了燃天然气全 氧助燃玻璃熔窑火焰空间、玻璃池窑的数学模型，利用g a m b i t 前处理软件建立 了玻璃熔窑的三维空间模型，采用f l u e n t 软件，以4 6 0 t d 浮法玻璃熔窑为模拟 对象，分析研究了卡脖处水包位置和压入深度变化对璃熔窑的生产能力以及熔窑 内玻璃液温度场、流场的影响。结果表明：( 1 ) 随着水包压入深度适当增加，水 包前后玻璃液的环流强度增加，回流减少，有利于降低热耗。( 2 ) 当水包位置由 卡脖入1 3 向卡脖出1 3 移动时，玻璃液在卡脖入口处的生产流量和回流量逐渐增 加，但其平均温度却随之降低：而在卡脖出1 3 处玻璃液的生产流量、回流量却减 少，而其平均温度都也逐渐降低。 之后，还模拟研究了只有一对烟气出口的玻璃溶窑火焰空间，分析了烟气出 口面积和位置变化对火焰燃烧空间温度场、气流场及窑压的影响情况。结果显示： ( 1 ) 随着烟气出1 2 面积的增加，玻璃熔窑内压力下降，窑内平均压力与烟气出 口面积满足指数衰减关系。当单侧烟气出口面积为0 3 6 m 2 时，窑内平均压力约 为6 p a 。烟气出口面积改变对火焰形态以及温度场的影响不明显。( 2 ) 烟气出口 位置的改变造成玻璃熔窑内压力场的变化，随着烟道口的前移，窑压平均值逐渐 下降，尾气温度先升高后降低。 最后，在以上研究玻璃溶窑火焰空间和玻璃池窑的基础上，进行了池窑玻璃 液和燃烧空间界面处热传输的耦合模拟研究。初步探明了界面处温度、传输热流 值、发射系数、导热系数等对热传输的影响规律。 关键词：全氧燃烧，浮法玻璃熔窑，数值模拟，水包，烟道口，窑压 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i st h e s i sr e v i e w e ds y s t e m a t i c a l l yt h ed e v e l o p m e n to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o r o x y - f u e lc o m b u s t i o nt e c h n o l o g yo ff l o a tg l a s sf u r n a c e i nv i e wo fd e t a i l e ds t u d yo n t h e o r yo fo x y f u e lc o m b u s t i o nt e c h n o l o g yo ff l o a tg l a s sf u r n a c e ，w eb u i l tt h r e e d i m e n s i o n a lc o m b u s t i o n s p a c ea n dm e l t i n gp o o l m a t h e m a t i c a lm o d e l s ，a n d i n v e s t i g a t e dt h ep r o c e s so ff l o a tg l a s sf u r n a c ew i t hf l u e n ts o f t w a r en u m e r i c a l l y t h e e f f e c tr u l e so fd e p t ha n dl o c a t i o no fw a i s tc o o l e ro ns t r e a ma n dt e m p e r a t u r ef i e l do f l i q u i dg l a s sw e r er e s e a r c h e di n4 6 0 t d f l o a tg l a s sf u m a c e r e s u l ts h o w e dt h a t ：( 1 ) e n e r g yc o n s u m p t i o na n db a c k f l o ww o u l dd e s c e n d 、析t hi n c r e a s e dd e p t ho fw a i s t c o o l e r f l o ws t a t eo fl i q u i dg l a s sw o u l dc h a n g e ，a n dt h el o o pf l o w sb a c ka n df r o n to f f u r n a c en e c kw o u l di n c r e a s ew h e nw a i s tc o o l e re x i s t e d ；( 2 ) w h e nw a i s tc o o l e r m i g r a t e df r o me n t r a n c et oe x i to ff u r n a c en e c k ，f o r w a r d f l o wa n db a c k f l o wi n c r e a s e d g r a d u a l l yw h i l ef o r w a r d - f l o wt e m p e r a t u r ea n db a c k - f l o wt e m p e r a t u r ed e c r e a s e da tt h e e n t r a n c eo ff u r n a c en e c k u n d e rt h es a m ec i r c u m s t a n c e s ，f o r w a r d f l o wa n d f o r w a r d f l o wt e m p e r a t u r e ，b a c k - f l o wa n db a c k f l o wt e m p e r a t u r ed e c r e a s e di ne x i t ， r e s p e c t i v e l y m e a n w h i l e ，t a k i n gc o m b u s t i o nw i t ho n ep a i re x h a u s t sa sr e s e a r c ho b j e c t , w e i n v e s t i g a t e dt h ee f f e c to fs i z eo fe x h a u s to nt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ei nc o m b u s t i o n s p a c e r e s u l t ss h o w e dt h a t ：( 1 ) e x p o n e n t i a lp l o ts h o w e dt h a tp r e s s u r ei nc o m b u s t i o n s p a c ef e l l 、析t 1 1i n c r e a s e ds i z eo fe x h a u s t t h ea v e r a g ep r e s s u r ei nc o m b u s t i o ns p a c e w a sa b o u t6p aw h e ne x h a u s ta r e ao fo n es i d ei s0 3 6 m 2 e x h a u s ta r e ad i d n ts t r o n g l y i n f l u e n c es t a t eo ff l a m e ( 2 ) a l t e r n a t i o no fl o c a t i o no fe x h a u s tm a d eag r e a ti m p a c to n p r e s s u r ea n do u t - f l o wi nc o m b u s t i o ns p a c e w h e nt h ee x h a u s tw a sp l a c e di nt h e m i d d l eo ft h ec o m b u s t i o ns p a c e ，o u t - f l o wa n da v e r a g ep r e s s u r ew e r et h eh i g h e s to f t h et h r e es c h e m e s f u r t h e r m o r e ，t h ec o u p l e dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sc a r r i e do u tb a s e do np r e v i o u s s t u d yo nc o m b u s t i o ns p a c ea n dg l a s sp o o lo ff l o a tg l a s sf u r n a c e r e s u l t ss h o w e dt h a t n o to n l yw a sh e a tt r a n s f e rf r o mc o m b u s t i o ns p a c et o g l a s sp o o l r e l a t e d 、析t l l t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，b u ta l s ow a sc o n n e c t e dw i t hh e a tv a l u e so fs p e c i e s ，e m i s s i o n c o e 伍c i e n t sa n dc o n d u c t i v ec o e 街c i e n t s k e y w o r d s ：o x y - f u e l ，f l o a tg l a s sf u r n a c e ，c o m b u s t i o nt e c h n o l o g y , n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，w a i s tc o o l e r , e x h a u s t ，f u r n a c ep r e s s u r e u 2 1 1 研究对象13 2 1 2 玻璃的熔制过程1 4 2 1 3 玻璃池窑物理模型假设1 4 2 1 4 边界条件1 6 2 2 火焰空间模型及主要参数1 7 2 2 1 研究对象17 2 2 2 燃烧空间物理模型建立和假设1 9 2 2 3 燃烧主要参数模型2 0 2 2 4 边界条件2 l 第三章玻璃池窑水包模拟结果分析2 3 3 1 玻璃池窑建模和参数设置2 3 3 1 1g a m b i t 建模2 3 3 1 2f l u e n t 参数设置2 4 3 2 卡脖水包深度变化对温度场、流场和回流的影响2 4 3 2 1 截面温度场2 5 3 2 2 流场分析2 6 3 2 3 回流数据分析2 9 3 3 卡脖水包位置变化对温度场、流场、回流的影响3 1 3 3 1 截面温度场3 1 3 3 2 流场分析3 2 3 - 3 3 回流数据分析3 6 3 4 本章小结3 9 第四章火焰空间烟道1 2 模拟结果分析4 l 4 1 火焰空间建模和参数设置。4 1 4 1 1g a m b i t 建模4 1 4 1 2f l u e n t 参数设置4 2 4 2 烟道口大小变化对温度场、流场、组分和窑压的影响4 3 4 2 1 温度场结果4 3 4 2 2 流场结果4 6 4 2 3 组分结果分析5 0 4 2 4 窑压分析5 3 4 3 烟道1 2 位置变化对温度场、流场、组分和窑压的影响5 4 4 3 1 截面温度场5 5 4 3 2 流场分析5 6 4 3 3 组分分析5 8 4 3 4 窑压分析6 1 4 4 本章小结6 3 第五章火焰空间与玻璃液热传输耦合模拟探究6 5 5 1 基本假设和参数设置6 5 5 1 1 基本假设6 5 5 1 2 燃烧空间建模和参数设置6 6 5 1 3 玻璃池窑建模和参数设置6 6 5 2 结果与分析6 7 5 2 1 高温数据结果6 7 5 2 2 降温后的数据结果。6 8 5 2 3 数据结果分析7 0 2 5 3 本章小结7 1 第六章结论7 3 参考文献7 5 致谢7 9 i 咐勇乏8 0 个人简历8 2 攻读学位期间发表的学术论文8 3 引言 已l 吉 ，l口 1 9 5 9 年英国人阿拉斯泰尔皮尔金顿爵士发明的浮法玻璃工艺，揭开了平板 玻璃工业现代史的序幕。经过几十年的飞速发展，也伴随着玻璃行业竞争的不断 加剧，对窑炉经济性的要求越来越高，同时，建设环境优化型社会又要求窑炉对 环境的污染愈少愈好。在此背景下，全氧燃烧技术和节能减排就显得很重要了。 被誉为玻璃熔窑的第二次革命的全氧燃烧技术，指的是完全以氧体积含量超 过8 5 以上的助燃气体代替空气( 2 1 ) ，形成氧气燃料( 天然气、重油) 燃烧 系统。这种技术具有污染少、节能、产量高、熔窑结构简单、炉龄长等优越性， 除了目前熔窑改革所追求的目标外，更为突出的是加强了环保意识，满足了环保 要求和提高了玻璃液的熔制质量。 天然气和重油作为常用燃料具有高热值、质量稳定、设备简易、便于控制等 特点，但它们又有各自的优缺点。天然气污染相对重油污染较少，但其存储相对 困难，并且世界储量较少，制备不如重油简单。尽管如此，助燃气体中氧含量的 大步提升对于现代浮法玻璃生产线无疑产生了巨大的改革，最明显之处就是减少 了能耗，降低了排放量。 显然，实际的生产操作经验并不能够快速地促进浮法玻璃熔窑玻璃生产技术 的发展，为了对玻璃生产中一系列过程进一步地掌握和了解，人们开始利用物理 实验和数学实验( 计算机模拟) 来理论分析研究玻璃工业中的生产流程。 随着计算机技术的发展，计算机辅助设计和计算软件对流体力学产生了深远 的影响，并在此基础上产生了计算流体力学( c f d ) 。计算流体力学在玻璃熔窑 速度场、温度场模拟方面预测能力的日渐提高为工程应用提供了很多有用的信 息。这不仅有助于对浮法生产基本现象和过程的认识，而且可以依据合理的计算 进行设计优化窑炉，减少实验工作的盲目性和工作量。 本课题应用c f d 软件研究了全氧燃烧火焰空间和玻璃池窑的温度场、速度 场和其他方面，在不同水包位置和大小、不同烟道口位置和大小、不同喷枪口进 气比例等条件下，目的是建立切实可行的燃天然气玻璃熔窑的火焰空间、玻璃液 流动等数学物理模型，寻找f l u e n t 软件对火焰空间、玻璃池窑进行三维图像模拟 的通用方法，研究火焰空间、配合料、玻璃池窑、气泡层等各部分的特性和它们 之间的相互关系，从而为实际的生产以及工艺参数的确定提供理论指导。 浮法玻璃工艺揭开了平板玻璃工业现代史的序幕。平板玻璃工业从此进入了 大工业时代。世界先进国家从6 0 年代初开始购买英国皮尔金顿的浮法玻璃专利 技术，截至1 9 9 8 年底，世界上共有3 0 多个国家的4 0 多家企业购买了皮尔金顿 的专利许可证，全世界( 中国大陆除外) 共建成了1 7 0 条浮法玻璃生产线，年总产 量达到了3 0 0 0 多万吨。在过去的2 0 年里，我国浮法玻璃行业科研、设计、生产 等相应领域在技术人员的不断努力下，通过外部引进和自主研发等手段开发了一 系列新技术，使我国浮法玻璃熔窑行业的整体技术有了很大提高。 以浮法生产工艺，5 0 0 t d 级为例，空气助燃玻璃熔窑的烟气排放量约为 4 3 9 6 1 n m 3 d ，其中，二氧化碳占烟气排放总量的1 2 9 ，为5 6 7 0 n m 3 d ，水蒸气 占1 0 2 ，为4 4 8 4 n m 3 d ，有害气体占8 8 ，为3 8 6 8 n m 3 d ，产量为4 2 5 f f d 。2 0 0 7 年，我国玻璃行业现已建成投产的1 4 1 条浮法线，总产量已达到3 亿多重量箱， 产量达6 0 4 3 0 t d ，有害气体产量约为5 5 e + 0 5 n m 3 d ，能源消耗为9 6 7 e + 1 0 k c a l d ， 有害气体排放量和能源消耗都非常大，环境污染严重【l 捌。 1 2 玻璃熔窑全氧燃烧技术研究概况 被喻为玻璃工业“第二次革命”的全氧燃烧技术对玻璃熔化和环境保护产生 了巨大的影响，它不仅大幅度地提高了热效率和熔化率，而且降低了能耗和废气 排放量。2 0 0 2 年北美的全氧燃烧的玻璃熔窑已达到1 3 6 座，占玻璃熔窑总数的 2 5 ；而在当时的中国，虽然电子玻璃行业也有采用全氧燃烧技术的实例，但在 浮法玻璃行业上还是空白。 1 2 1 全氧燃烧技术的优点 相对于以空气作为助燃气体的玻璃熔窑燃烧来讲，助燃气体中氧含量达到 8 5 以上会使得熔窑整体性能上有以下几点的提高： 1 、玻璃熔化质量好 全氧燃烧时烟气中水汽含量高达5 3 ，玻璃液与水汽发生反应，玻璃液中的 o h 含量增加，玻璃粘度降低，有利于澄清、均化，提高玻璃质量。另一方面， 全氧燃烧火焰稳定，无换向，燃烧气体在窑内停留时间长，窑内压力稳定且较低， 浙江大学硕士学位论文 这些都有利于玻璃的熔化、澄清，减少玻璃体内的气泡、灰泡及条纹。 2 、节能降耗 全氧燃烧使燃烧所需空气量减少，废气带走的热量下降。通常的空气燃烧只 有占空气总量1 5 的氧气参与燃烧，其余约占4 5 的氮气非但不助燃，反而要 带走燃烧产生的大量热量，从烟气中排出。在使用全氧燃烧的情况下，燃烧所需 氧气为原空气总量的1 5 ，烟气量减少，引入的氮气量减少9 0 以上，燃料燃烧 完全充分，利用率高，所以节能明显。熔制普通平板钠钙硅玻璃熔窑可节能约 2 8 3 0 。 3 、减少n 0 。排放 全氧燃烧技术除了给熔窑节能带来明显效果外，还可降低环境污染。使用全 氧进行燃烧，氮气量减少到原来的1 0 ，而氧气总量基本维持原有的水平，另外 因为对玻璃的熔化温度有限制，全氧燃烧时温度仅略有提高，由于n o x 的生成 与氮气和氧气的分压、燃烧反应的温度有关，这样烟气内生成的n o x 含量大为 减少，n o 。比空气助燃降低约9 0 。粉尘排放减少约8 0 ，污染大为减少。 4 、改善了燃烧，提高了熔窑熔化能力，可使熔窑产量得以提高。 全氧燃烧可以提高燃烧区的火焰温度。研究表明，火焰温度随着燃烧空气中 氧气比例增加而显著提高。全氧燃烧可明显提高火焰温度，提高火焰对配合料和 玻璃液的加热效果。 玻璃熔窑采用全氧燃烧技术时，燃料燃烧完全，火焰温度高，产物主要为 c 0 2 和h 2 0 ，比空气助燃黑度大，辐射能力强，火焰辐射玻璃液温度可提高1 0 0 ( 3 左右，配合料熔融速度加快，可提高熔化率1 0 以上。 表1 i “空气+ 燃料”、“氧气+ 燃料”的可比成本比较【3 l t a b l e1 1c o s tc o m p a r i s o no f a i r + f u e l o x y g e n + f u e l f 3 】 往：a ，奉表以7 0 0 t l d 浮法玻璃窑为何：b 熟料f 碎玻璃，占配台睾 比例为1 5 ；c 麓油按30 0 0 7 e ，t ；d 馥气按0 3 5 元，口矿：e 束考感。环保 要求支付、毙励的收支：f 束列入空气- 燃料窑妒维修支出：g 。叛气+ 燃辩土建换闸工艺设备节省的投资束列入。 5 、熔窑建设费用低 全氧燃烧窑结构近似于单元窑，无金属换热器及小炉、蓄热室。窑体呈一个 熔化部单体结构，占地小，建窑投资费用低。 2 第一章绪论 6 、熔窑使用寿命长 全氧燃烧能加快燃烧速度，提高燃烧强度、使火焰变短，获得较好的热传导， 促使窑内温度分布均匀，采用全氧喷枪燃烧可使火焰分为两个区域，在火焰下部 由于助燃气体中氧含量提高而克服了缺氧现象，使火焰下部温度提高，而火焰上 部的温度有所降低，使熔窑碹顶温度下降约2 0 - 5 0 * ( 2 ，减轻了对碹顶的烧损， 延长熔窑使用寿命。同时全氧燃烧窑体火焰空间选用优质耐火材料砌筑，故窑龄 可提高到1 0 年以上。 1 2 2 全氧燃烧技术要旨 1 制氧的方法 玻璃熔窑全氧燃烧技术的开发，有赖于具有较低的制氧成本、运行可靠的全 氧气体制备技术以及设备的成熟和完善。目前，国内外制备氧气的方法有深度冷 冻法、真空变压吸附法和罐装液态氧三种。 1 ) 真空变压吸收法( v p s a ) 制氧。它是利用分子筛对空气中的氧气( 0 2 ) 、氮 气科2 ) 组分进行选择性吸收，分离空气中的0 2 和n 2 而获得氧气。该工艺又分为 单床吸收和多床吸收式两类。其工艺装置结构紧凑而简单，设备运行可靠，维护 操作简便，节能效果显著，制氧成本低，产量可调性好；可直接安装在生产现场， 节省氧源的运输费用；适用于中等用量( 1 0 - 2 0 0t d ) 、氧- 气( 0 2 ) 纯度 8 5 ) 助燃两种。 对于全氧燃烧和空气助燃，徐嘉麟i s 介绍了“全氧+ 燃料”燃烧的技术成果， 并对空气助燃窑炉和氧气助燃窑炉中的传热过程和成本作了比较。赵恩录【1 1 】等人 叙述了全氧燃烧技术的优越性，也对燃天然气普通熔窑和氧气天然气全氧熔窑 的经济技术指标进行了比较。王凯【1 2 】等人对某日产4 0 0t 燃油浮法玻璃熔窑火焰 空间在氧含量变化( 氧含量分别为2 1 ，2 4 ，2 7 ，3 0 ) 时进行了图像直观模拟。 结果显示，随着富氧含量的增加，各小炉火焰长度明显缩短，温度显著提升。余 伟【1 3 】采用气相流动与传热模型和雾化油滴燃烧的轨道模型，结合实例研究了日 产4 0 0 吨燃油浮法玻璃熔窑火焰空间中气体流动情况和温度的分布，通过改变六 对小炉的燃油比例，分析了不同燃油比例下火焰空间温度场和气流场的变化。王 小隶【1 4 】采用s i m p l e 算法、概率模拟的传热辐射模型以及龙格库塔法计算了日产 4 0 0 吨玻璃熔窑富氧( 氧含量为2 7 的空气) 燃烧火焰空间的温度场分布和速度场 的分布规律。结果显示，富氧助燃时火焰温度显著升高，火焰长度变短，火焰温 度梯度变大；火焰空间的中上部存在两个环流f 1 5 - 1 刀。 喷枪倾角等等参数的改变不仅对火焰空间温度场流场产生影响，更重要的是 它们将改变熔窑的烟气排放量和n o 化物的排放量。b e e r k e n sr t l 8 】研究了喷枪类 型、氧气过剩系数、喷枪对数、喷枪倾角等等对火焰空间内烟气的形成、燃气混 合速率和喷射速率的影响，并细致研究了这些参数对n o 化物形成的影响。m t a k e i l l 9 】等人采用p d p a 模型，研究了喷枪在高压和低压喷气时的平均油滴直径 和其平均速度，并利用c f d 软件，改变喷枪倾角，模拟了半工业规模的玻璃熔 6 第一章绪论 窑的火焰空间的温度分布和n o 化物的排放量。之前，1 9 9 5 年，r i f a t a la i c h a l a b i 【2 u j 等采用f l u e n t 软件对传统的燃烧器和新型的平焰燃烧器的火焰形状进行了数值 模拟，结果表明，使用新型的平焰燃烧器时火焰覆盖面积大，热效率高，玻璃液 温度高。新型平焰燃烧器解决了传统的管套管式的燃烧器的不足，使得玻璃生产 又取得一大进步。 喷枪在窑炉中的位置分布也对玻璃熔窑内的温度场产生重要影响。郭印诚【z l j 对年生产量为7 0 0 0 t 硼硅玻璃的单元熔窑燃烧空间内的流动、燃烧及辐射传热 等过程进行数值模拟研究，比较燃烧器布置方式( 顺排方式和错排方式) 对火焰形 状及传热过程的影响。童树庭【2 2 】等人根据相似准则，制作了燃油浮法玻璃熔窑 物理模型以及可在不同位置上插入喷枪的3 种小炉模型。将不同数量的喷枪放在 小炉模型的不同位置，以常温空气模拟研究了实际燃油浮法玻璃熔窑中火焰空间 内的气体流动状况。 对于喷气的火焰长度，d z y u z e rv y 2 3 l 等人也研究了马蹄形窑内火焰长度对 窑内和玻璃液表面温度分布的影响，得出当火焰长度为窑宽的0 7 倍时效果最优。 m a r i ad ag r a c ac a r v a l h o 2 4 】等人也简单对比模拟研究了空气助燃和富氧助燃、火 焰空间宽长比变化、火焰空间高度变化、喷枪距液面高度变化以及喷枪排布对 n o 化物排放量和能量效率的影响情况。k u t i n v b t 2 5 】等人建立三维玻璃熔窑数学 模型，研究了火焰长度变化对窑炉温度场和热流转换等方面的影响，并发现火焰 长度在i 2 窑宽到3 4 窑宽之间效果最好。 2 与火焰空间结构相关的研究 火焰空间结构上的重要参数包括碹顶高度、侧壁高度、长宽比等等。1 9 9 6 年，t h o m a sk d a n k e r t 2 6 】等研究发现，较高的碹顶可以获得较低的碹顶温度梯度。 唐保军【2 7 】等运用f l u e n t 软件模拟研究了高碹顶时的燃烧空间内，包括玻璃液表 面、碹顶和侧壁等的温度分布。k o l i m 【2 8 】等建立二维玻璃液流动模型，分析 研究了普朗特数、瑞利数、池窑长度和池窑长深比对玻璃液流动形式和对流的影 响，发现大的池窑长深比可以产生较好的零速线形状和玻璃液流形式，从而有利 于对流换热。cjh o o g e n d o o m l 2 9 】等人改变蓄热室窑的进气口倾角和窑炉的横向 长度，研究了熔窑内部几个点处的热流量大小和n o 化物的含量分布。v u i kc 3 0 等人对比了s i m p l e ( r ) 和g c rs i m p l e ( r ) 两种算法、网格的大小、松弛因子的 变化等等，研究了它们对计算玻璃熔窑时所需步数和c p u 计算时间的影响。1 9 9 9 年，f r a n km a y t 3 1 】等人建立三维关于涡流和燃烧的数学模型，并且通过计算给出 了温度、速度和热流分布；同时，研究发现熔窑高度增加将使n o x 的浓度降低。 沈锦林 3 2 】等人以计算燃烧学和计算传热学基本理论为基础，建立了燃油玻璃熔 窑火焰空间燃烧过程三维数学模型，包括雾化油滴燃烧的轨道模型和气相流动与 7 浙江大学硕士学位论文 传热模型。并通过以上模型研究了日产4 0 0 吨燃油浮法玻璃熔窑火焰空间的流场 和温度场分布，研究了胸墙高度改变对温度场和流场的影响。 此外，m gc a r v a l h o 3 3 】等人改变网格大小、增加过剩空气比例、空气预热 温度变化、原料氮气含量不同等方面研究了这些参数变化对n o 化物形成的影 响。g u s h c h i ns n 3 4 】等人研究了空气助燃的蓄热式窑空气进气流率变化对反应后 排出的烟气量中二氧化碳、一氧化碳、剩余氧气的影响。 1 3 2 玻璃池窑模拟研究综述 早期对于浮法玻璃池窑的研究开始于二维流场和温度场的模拟，且应用自编 的软件或程序，早在1 9 8 6 年，罗惠荣【3 5 1 给出了回流系数和玻璃液流系数的公式， 并举例分析了它们所涉及的影响参数。 随着计算机流入到我国，计算机的应用也有了飞速的发展，上个世纪8 0 年 代，计算机技术已经适用到很多的领域，包括玻璃生产工业。相对于国外对此领 域的研究来说，国内的模拟研究已渐趋于成熟，在很多模拟结果、模拟过程设置 和模拟原理应用上都可以和国外的相媲美。 1 与池窑结构有关的研究 玻璃池窑部分的研究内容包括：窑的结构尺寸、温度和热流分布、玻璃液流 场、卡脖水包、回流量等等。图1 2 示例了玻璃池窑的简易结构和气流场状况， 顶上的温度制度为山形温度制度，目前应用的还有双峰行温度制度，即两个热点。 图1 2 玻璃池窑简易结构图【3 6 】 f i g 1 2s t r u c t u r ec h a r to fg l a s sp o o l 【3 6 】 卡脖是玻璃池窑熔化部和冷却部的交接处，为一狭窄的通道。其对玻璃液熔 制的好坏起着重要的作用。王平【3 7 】利用计算流体力学模拟软件f l u e n t 建立了浮 法玻璃熔窑内玻璃液传热与流动模型的数学模型，以简化的处理方式对日产 6 5 0 t 的浮法玻璃熔窑内玻璃液流场和温度场进行数值模拟，分别研究分析了卡 脖宽度为3 2 m 、4 2 m 、5 2 m 处时投料池、熔化部、耳池、出料1 2 和整个池窑内 的玻璃液的流线图和温度分布图，结果表明随着卡脖宽度的适当增加，卡脖前的 三角形死区得到改善，玻璃液流变得缓慢，但卡脖后的三角形死区可能会导致玻 璃液的滞留：并且玻璃液流在出口处的温度有所提高。适当增加熔窑宽度，减少 8 第一章绪论 小炉对数，不但可以减薄料层的厚度，而且由于高温火焰在熔窑内的停留时间可 适当地延长，这样有效辐射传热效果加强，利于均化【3 8 】。马晶【3 9 】等人采用 s i m p l e c 算法求解了玻璃熔窑三维数学模型的温度场和速度场，计算了不同卡脖 宽度时的熔制因子分布和滞留时间微分分布曲线，并得出当窑宽为1 0 5 m 时，卡 脖宽度在4 8 m 左右时较适合。周海波和张飞鹏【4 0 】利用s i m p l e 算法建立二维数 学模型，研究了冷却部和熔化部高度差的大小、炉底保温不同温度及出口流量变 化对玻璃液流动和传热的影响，实验结果与前人的研究相符。 对于投料口宽度，岳爱文 4 1 】等人建立玻璃液流的数学模型假设，利用 s i m p l e c 算法借助n a v i e r - s t o c k e s 方程组，设置边界条件，模拟了投料池宽度变 化( 6 5 m 、7 9 m 、8 5 m 、9 5 m 、1 0 5 i n ) 对池底池壁散热以及回流的影响，研究了 不同投料池宽度下的熔制因子分布及滞留时间分布情况。 对于耳池，王平【3 7 】分别设计研究了耳池在卡脖前1 4 m 、2 4 m 、3 4 m 处和分 布在卡脖后1 2 m 、2 2 m 、3 2 m 处时投料池、熔化部、耳池、出料口和整个池窑 内的玻璃液的流动和温度分布，通过流线图和温度分布图得出：耳池扩大了窑池 的横截面面积，使得冷却部前端横向对流加强，玻璃液流呈扇形向两边扩散，起 到了降低玻璃液流速，提高均化、冷却的作用；但如果在冷却部，耳池离开卡脖 较远，对流较弱，则很有可能在耳池直角处形成死角区，玻璃液将会在此处析晶。 玻璃液表面的温度制度改变对玻璃液的环流有很大影响。何增谊1 4 2 j 在就读 研究生期间就日产4 0 0 t 平板浮法玻璃熔窑利用s i m p l e 算法进行了数值模拟计 算，研究了提高或降低小炉温度对玻璃液流温度场和速度场影响。提高l 号、2 号小炉温度和提高3 号、4 号小炉温度都使热点位置和泡界限位置往窑投料口方 向移动。提高提高1 号、2 号、3 号、4 号小炉温度使得熔化部温度提高，而出 料口温度基本不变。马晶【4 3 】利用数值模拟方法模拟了桥形、双热点和山形温度 制度对澄清影响的对比实验，结果显示，双热点的温度制度的气泡澄清效果最好。 宋立听 4 4 】利用f l u t a n k 玻璃熔制过程三维计算机模拟软件研究了浮法熔窑不同部 位保温对玻璃熔制、澄清、均化质量的影响。赵国昌【4 5 】等人建立了玻璃池窑的 二维模型，利用s i m p l e r 算法模拟了容器玻璃液流变化和热量传输，研究了热 点位置、热点温度、液面温度制度、流液洞高度和熔化池长度等变化对玻璃液澄 清的影响【4 引。 对于环流的分布和研究，沈锦林【4 9 】等人利用s i m p l e r 算法对玻璃液的流动、 回流及三维温度场进行了图形模拟，并对日产2 5 0 t 、3 0 0 t 、3 5 0 t 三个方案模拟 结果进行了比较，证实了在配合料存在的情况下，玻璃池窑内存在三个环流。环 流的大小和环流的数目也是表征玻璃液的一种手段，叶正才【5 0 】等人在玻璃熔窑 中引入停留时间分布的概念，阐述了停留时间分布研究对提高玻璃液熔制质量的 9 浙江大学硕士学位论文 重要性和可行性。孙承绪【5 1 】利用s i m p l e c 算法建立配合料熔化模型和玻璃液流 运动模型，研究了玻璃熔窑内液流运动特性，发现投料池中存在与热点附近环流 运动相反的环流。z h i j u nf e n g l 5 2 】等人利用a n s y s 模拟了玻璃液的流动形状，在 考虑卡脖水包的同时，给出了玻璃液的三个环流，并且得到了不错的结果。2 0 0 9 年，z h i j u nf e n g ”】等人又利用a n s y s 研究了不同日产量( 4 8 0 t d ，5 0 0t d ，5 5 0 t d ) 的玻璃池窑的环流以及各个环流对应的流出量，并以此判定了玻璃液的熔化 质量好坏。 在玻璃池窑结构上，宋力听 5 4 】等人利用f l u t a n k 玻璃熔制过程三维计算机软 件研究了窑坎对配合料熔化、玻璃液澄清、均化质量的影响；并从改善玻璃熔制 条件及降低窑坎蚀损两方面，讨论了窑坎的位置、高度及形状。 近一两年来，水包的应用变得广泛起来，它在卡脖处插入到玻璃液面下一定 深度，起到降温和阻碍回流的作用，功能显著，但未有理论模拟研究，杨振渤蟑5 j 简单介绍了影响深层卡脖水包使用寿命的因素以及一些改进方法，其中，改进方 法有改进水质、改进进水结构和优化循环结构等等，这为有效使用水包提供了必 要的基础。 2 与气泡相关的研究 气泡虽然为配合料反应后排出的气体，大部分为二氧化碳和水。但是玻璃液 中的气泡却对玻璃液的质量好坏起着非常重要的主导作用。玻璃液中的气泡能够 尽可能多地排出，则玻璃的致密性和质量越好。而且，配合料反应后，气泡会浮 在玻璃液表面，通过气泡逐渐的从玻璃液中产生和气泡破裂进入到火焰空间两个 过程决定。其热量传递和气泡产生消失的过程并未进行过多过细的研究。 s h i l l i ik a w a c h i 5 6 】等人详述了计算模拟容器玻璃熔窑内关于气泡运动形式的 公式，并把计算关于气泡的一系列过程分为四个环节：熔融玻璃液的热流体计算， 玻璃液内气体浓度的计算，气泡的澄清过程计算和气泡运动的评估。a n d r e ig f e d o r o v 5 7 】等人通过自建气泡层结构和辐射性能模型以及辐射传输模型，研究了 气泡层厚度对反射透过和吸收的影响，确定了气泡大小和空隙率、气泡大小分布 函数、散射各向异性和气泡和界面的反射系数是控制辐射的主要物理参数。j o h n v a i l d e r s c h a a f s 8 等人根据气泡层厚度和气泡半径、表面张力及气泡产生率之间 的关系，进行推演，建立了玻璃池窑内玻璃液表面的气泡从形成、稳定，到破裂 的数学模型。d o n g s a n gk i m t 5 9 】等人在制备容器玻璃的小坩埚内提供不同气氛， 进行试验，研究了不同气氛( h 2 0 、n 2 、0 2 、c 0 2 ) 对容器玻璃生产过程中玻璃 液表面气泡的影响。结果显示，水蒸气使气泡变的不稳定，而其他气体对此影响 不大，尤其对于全氧燃烧的熔窑。k e n j io d a f 6 0 i 等人建立数学模型，在简化的玻 璃池窑内定量分析了澄清和精炼的效果。结果表明，对气泡长大影响最大的是玻 1 0 第一章绪论 璃液的温度，而标准偏差依赖时间和温度两个参数。 国内对于气泡的研究则有：1 9 9 7 年，齐朝晖【6 l 】等用数值方法模拟了空气鼓 泡器对窑炉内玻璃液流动和传热特征的影响，给出了采用或不采用鼓泡技术时窑 炉内玻璃液流动和传热的二维数值计算结果，发现鼓泡器对增强玻璃的流动和传 热有显著作用。姜宏 6 2 】等人利用数值模拟研究了玻璃熔窑的鼓泡问题，包括鼓 泡喷嘴距液面的距离对玻璃液流动情况的影响、鼓泡的位置对玻璃液流动情况的 影响以及鼓泡个数不同对玻璃液流动情况的影响。宋立听【6 3 】等人利用f l u t a n k 玻 璃熔制过程三维计算机模拟技术，系统研究了鼓泡对熔制玻璃质量、产量的影响， 分析了其速度场、温度场的变化以及有无鼓泡时的出料口随玻璃液流出池窑的气 泡百分数和未澄清的气泡百分数。梅德馨l 删阐述了鼓泡技术在玻璃熔化过程中 的作用以及鼓泡技术强制熔化作用的机理，并介绍了连续式鼓泡、脉冲式鼓泡和 低频鼓泡的特点。马晶【4 3 】还模拟了熔窑气氛及表面张力对澄清的影响。 1 3 3 耦合模拟相关研究 图1 3 火焰空间和玻璃池窑的耦合机理【8 l f g 1 3i t e r a t i o nr o u t i n eo fa no v e r a l lg f m s i m u l a t i o n 【8 1 耦合的模拟大致包括四种：火焰空间或玻璃池窑独自耦合迭代，玻璃池窑和 配合料之间的耦合迭代，玻璃池窑和火焰空间之间的耦合迭代，玻璃池窑、配合 料、火焰空间还有气泡层之间的耦合迭代。耦合模拟不仅可以模拟局部的温度场、 流场和具体的参数值，而且可以获得与所要达到目标相关的其他局部参数值。陈 代挺【6 5 】把燃烧空间、配合料层和玻璃池窑耦合起来，利用g a m b i t 建模，并设置 燃烧模型以及配合料和玻璃液的性质参数，导