（材料学专业论文）燃烧制度对玻璃池窑中玻璃液流动影响的数值模拟.pdf

l i i iiiii ii ii ii l li lllll 17 4 7 7 8 5 c o m b u s t i o n g l a s st a n k at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p 北c h i n a m a y2 1 ，2 0 1 0 独立 包含 作出 识到 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借鉴；本人授权济南大学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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和 汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：重蔓选 导师签名： 济南大学硕 ：学位论文 目录 摘要v d l 】i i s t r a c t v i i 第一章绪论 1 1 选题背景1 1 2 玻璃窑炉的全氧燃烧制度2 1 2 1 全氧燃烧制度的发展2 1 2 2 全氧燃烧制度的优点2 1 2 3 玻璃纤维窑炉全氧燃烧应用现状3 1 2 4 玻璃纤维窑炉全氧燃烧器的选择与安装3 1 3 玻璃纤维窑炉的研究方法5 1 3 1 现场实测法5 1 3 2 物理模拟法6 1 3 3 数值计算法6 1 4 玻璃窑炉数值模拟的研究进展7 1 4 1 火焰空f u j 的模拟7 1 4 2 玻璃液流动和配合料熔化的模拟1 1 1 4 3 模型耦合以及其它关于玻璃窑炉的模拟1 4 1 5 本课题的任务、意义及研究内容1 5 第二章全氧玻璃纤维窑炉的三维数学模型 2 1 流场基本方程l7 2 2 湍流流动模型18 2 2 1 关于湍流的模拟方法18 2 2 2 标准缸s 模型2 0 2 2 3 壁面函数法2 l 2 3 燃烧反应模型2 2 2 4 辐射传热模型2 4 2 4 1 辐射传热模型概述2 4 燃烧制度对玻璃池窑【| i 玻璃液流动影响的数值模拟 2 4 2d i s c r e t eo r d i n a t e s 模型2 5 2 4 3 灰气体加权平均模型( w s g g m ) 2 6 2 5 本章小结2 7 第三章几何模型建立和边界条件的测算 3 1 建立几何模型2 9 3 1 1 窑炉外形参数2 9 3 1 2 建立实体模型及划分网格3 0 3 2 全氧燃烧制度下的生产工艺3 3 3 3 现场实测参数与确定边界条件3 4 3 3 1 温度、流量的现场测量3 4 3 3 2 测量池冷风机的相关参数3 7 3 3 3 热边界条件计算模型一3 7 3 4 本章小结4 1 第四章c f d 数值求解方法和步骤 4 1c f d 求解方法4 3 4 2c f d 求解的具体步骤4 3 4 2 1 模型的求解4 4 4 3 单向耦合求解过程4 5 4 4 本章小结4 6 第五章模拟结果分析与优化 5 1 现场运行窑炉模拟结果及分析4 7 5 1 1 火焰空间温度场的模拟结果与分析4 7 5 1 2 火焰空间压力场的模拟结果与分析5 0 5 1 3 火焰空间速度场的模拟结果与分析5 0 5 1 4 火焰空间燃烧产物的模拟结果与分析5 3 5 1 5 玻璃池窑中玻璃液面温度的验证5 4 5 1 6 玻璃池窑中玻璃液传热和流动模拟结果与分析5 6 5 1 7 窑炉数值模拟结果与实际运行情况的对比5 8 5 2 全氧燃烧与空气助燃模拟结果的对比分析6 l 5 2 1 温度场模拟结果比较6 2 t l 6 ：； 6 4 6 4 6 4 6 7 分析6 7 分析7 0 的模拟结果分析7 2 5 4 4 优化后玻璃池窑中玻璃液传热模拟结果分析7 4 5 4 5 优化后玻璃池窑中玻璃液流动模拟结果与分析7 5 5 5 本章小结7 6 第六章结论与展望 6 1 结论7 7 6 2 创新点7 8 6 3 展望7 8 参考文献7 9 j $ c谢8 5 附录a 攻读硕士学位期间发表的论文8 7 附录b 攻读硕士期间参与的相关科研项目8 9 i i l 济南大学硕十学位论文 摘要 本文系统评述了国内外学者对玻璃窑炉数值模拟的研究进展，在充分了解年产 2 万吨燃天然气全氧助燃玻璃纤维窑炉生产工艺的基础上，建立了玻璃窑炉内火焰 空间和玻璃液流动的三维数学模型。模型包括流动模型，化学反应模型，辐射传热 模型。其中流动模型由质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分守恒方 程以及标准肛8 湍流模型组成，化学反应使用有限速率涡耗散模型，辐射传热使用 d o 离散坐标模型。采用流体力学通用软件f l u e n t 对该窑炉的火焰空间和玻璃池 窑通过u d f 功能进行了单相耦合的数值模拟。具体的研究内容和结果如下： 1 在前处理过程中采用g a m b i t 软件，依照实际窑炉的尺寸建立几何模型并 进行网格划分，在喷枪处采用了网格加密技术使模拟结果更加准确。 2 对实际运行的窑炉进行了有目的的现场数据采集，建立了的热边界条件计算 模型，减少了对数值模拟边界条件的假设，使模拟结果更能真实的反映窑炉的实际 情况。 3 对实际运行的全氧燃烧玻璃纤维窑炉进行数值模拟，分析现有燃烧制度的合 理性，并与实测值进行了对比验证。结果表明，得到的火焰空间的温度场、速度场 及压力场分布的模拟结果，能再现现有的工艺制度，玻璃池窑中的温度分布合理， 玻璃液流动产生的投料回流、澄清回流和成型回流比较明显，其位置分布也比较合 理。结果同时显示，由于中问两对喷枪的流速过大，现有的燃烧制度存在火焰相互 干扰、气流冲击碹顶以及影响玻璃液流动等缺陷。误差分析显示，模拟结果与现场 实测值的相对误差在4 1 2 5 1 9 之间，说明模拟结果有很高的准确性和可信度。 4 对全氧助燃和空气助燃的工艺制度进行了分析对比。结果表明，纯氧助燃下 整个窑炉火焰空间温度分布更加合理、气体流速更加稳定，体现了全氧燃烧制度的 优越性，为全氧燃烧制度的广泛应用提供理论支持。 5 针对现有燃烧制度的不足，通过数值模拟的方法寻找了更加合理的燃烧制 度。结果表明，喷枪高度在距液面高0 5 m 的地方安装比较合适，同时对流量较大 的两对喷枪错排5 0 0 m m 左右的距离，这样既能保证原来窑炉的热效率又能减轻高 温烟气对碹顶造成的伤害。 v 燃烧制度埘玻璃池窑i f i 玻璃液流动影响的数值梭拟 6 对优化燃烧制度后的窑炉进行数值模拟，并与优化前模拟结果进行对比。结 果表明，优化前存在的不足之处已经明显减少。结合玻璃液的流动和传热效果，可 以看出玻璃液流动中的三个回流较之以前更加明显，说明现有的燃烧制度比以前更 加合适。 关键词：数值模拟；燃烧制度；玻璃窑炉；玻璃液流动：单相耦合 v i a b s t r a c t b a s e do na n a l y z i n g t h ed o m e s t i ca n d o v e r s e a s d e v e l o p m e n t o fn u m e r l c a l s i m u l a t i o n go ng l a s sf u r n a c ea n de s t a b l i s h e sa t h r e e d i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e lo f c e l l9 1 a s sf u r n a c ei nt h eo x y g e n f u e lg l a s sf u r n a c e ，w h i c hc o n s i s t i n g o fn o wm o d e l c o m p o s e do fm a s sc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n , m o m e n u t u mc o n s e r v a t i o n e q u a t i o i l e n e r g y c o n s e a t i o ne q u a t i o na sw e l la st h es t a n d a r d k - em o d e l ；c h e m i c a lr e a c t l o nm o d e l c o m p o s e do fe d d y d i s s i p a t i o nm o d e la n d r a d i a t i o nm o d e lc o m p o s e do fd i s c r e t eo r d m a t e s m o d e l b a s e do nt h eo b j e c to fa na n n u a lo u t p u to f2 0 0 0t o n sf i b e rg l a s sf u r n a c e ，a n d o b t a i n ss i m u l a t i o nr e s u l t sb yu s i n gu d fp r o g r a m t oc o m b i n ec o m b u s t i o ns p a c ea n dg i a s s t a l l l ( t h r o u 曲t h eo n e w a yc o u p l ef r o mt h es o f t w a r ef l u e n t t h ec o n c r e t er e s e a r c h c o n t e n ta n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h ea c t u a ls i z eo ff u m a c e ，t h eg e o m e t r i cm o d e la n dm e s hc r e a t i o no f 9 1 a s sf u r n a c ew a ss e tu pb yu s i n gt h es o t t w a r eg a m b i t i nf o r m e rc o u r s eo ft r e a t m e n t u s 诹t h eg r i di n c r e a s et e c h n o l o g yi nt h es p r a yg u n , t h i s c a nc a u s et h es i m u l a t l o nr e s u l t t ob em o r ea c c u r a t e 2 c a r r i e so nh 瓠t h eg o a ld a t ea c q u i s i t i o n f o rt h ea c t u a lg l a s sf u r n a c e ，h a s e s t a b l i s h e d h o tb o u n d a r yc o n d i t i o nc o m p u t a t i o n m o d e lb a s e do nt h er i b m 踟c a l s i r n u l a t i o ns 0 1 f t w a r e ，r e d u c e dt ot h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nb o u n d a r yc o n d i t i o ns u p p o s l t l o n ， a n dt h es i m u l m i o nr e s u l tc a n m o r er e f l e c tt h ea c t u a ls i t u a t i o ni nt h eg l a s sm m a n c e t h a n b e f o r e 3 c a “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 ea c t u a lo x y g e n 。f u e lg l a s sf i b e rf u r n a c e ， a n a l y s i sw h e t h e rt h ee x i s t i n gc o m b u s t i o ns c h e d u l er a t i o n a l i t y , a n d c a 仃i e so nt h em o d e i v e r i f i c a t i o n t h er e s u i t ss h o w e dt h a t ，o b t a i n e dt h et e m p e r a t u r ef i e l d ，t h ev e l o c i t y f i e l d a n dt h ep r e s s u r ef i e l dd i s t r i b u t i o ns i m u l a t i o nr e s u l tf r o mt h ec o m b u s t i o ns p a c e ，s a t i s f i e s t h ee x i s t 堍c r a f tr e q u e s t t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o ni sr e a s o n a b l y i n g l a s s t a n k s i m u h a n e o u s l ya l s o o b t a i n e dt h eg l a s sf l o w i n gp r o d u c e s t h ef e e d i n gb a c kf l o w , c l a n i f i c a t i o nb a c kf l o wa n dd e l i v e r y b a c kf l o wa r eq u i to b v i o u s ，a n d i t sp o s t l o n d i s t r i b u t i o ni sa l s oq u i t er e a s o n a b l e t h ee x i s t i n gc o m b u s t i o ns c h e d u l ep r o d u c e ds o m e i n s u f f i c i e n c y f o re x a m p l e ，t h ea i rc u r r e n ti m p a c tc r o w na g a i n s t a sw e l la st h ei n f l u e n c e g l a s sn o w i n 吕t h i s b e c a u s et h ea i rs p e e d so ff l o wi sc r e a t e do v e l s i z d t h r o u g hc o m p a r e d v l i 燃烧制度对玻璃池窑t - 玻璃液流动影响的数f 模拟 w i t hm e a s u r e dd a t a , t h et o t a lr e l a t i v ee r r o rb e t w e e n 一4 12 5 19 e x p l a i n e dt h e s i m u l a t i o nr e s u l th a st h ev e r yh i g ha c c u r a c ya n dt h ec o n f i d e n c el e v e l 4 c a r r i e so nt h ec o m p a r i s o nt ot h eo x y g e nc o m b u s t i o na n dt h ea i rc o m b u s t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ，c o m p a r e su n d e rt h eo x y g e nc o m b u s t i o nw i t h t h ea i rc o m b u s t i o nt h ec o m b u s t i o ns p a c et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nt ob er e a s o n a b l e ，t h e g a sf l o w r a t ei s s t a b l e ，t h i sh a sm a n i f e s t e dt h eo x y g e nc o m b u s t i o ns c h e d u l ea r e s u p e r i o r i t y , a n dp r o v i d e dt h et h e o r ys u p p o r tf o rt h ee n t i r eo x y g e nc o m b u s t i o ns y s t e m s w i d e s p r e a da p p l i c a t i o n 5 i nv i e wo fi n s u f f i c i e n c yo ft h ee x i s t i n gc o m b u s t i o ns c h e d u l eh a sf o u n dt h em o r e r e a s o n a b l ec o m b u s t i o ns c h e d u l et h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d t h er e s u l t s s h o w e dt h a t ，t h es p r a yg u ni sb e i n ga p a r tf r o ml i q u i dl e v e l h i g h 0 5 mt h ep l a c e i n s t a l l m e n tt ob ea p p r o p r i a t eh i g h l y , s i m u l t a n e o u s l yt ot h ec u r r e n tc a p a c i t yb i gt w op a i r o f s p r a yg u na r r a n g e s5 0 0 m md i s t a n c e ，t h i sc a ng u a r a n t e et h eo r i g i n a lt h e r m a le f f i c i e n c y i nt h eo r i g i n a lf u r n a c ea n dt ob ea b l et or e d u c et h eh a z et ot h ei n j u r yw h i c hc r o w n g o e s a g a i n s tc r e a t e s 6 c a r r i e so nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na f t e ri m p r o v i n gt h ec o m b u s t i o ns c h e d u l e ， a n dc o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a ls i m u l a t i o nr e s u l t t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ，t h eo r i g i n a l e x i s t sd e f i c i e n c ya l r e d yv a n i s h e d t oc o m b i n ew i t ht h eg l a s sf l o w i n ga n dh e a tt r a n s f e r e f f e c t ，c a ns e et h et h r e eb a c k f l o w sh a v em o r eo b v i o u st h a nb e f o r e ，a n ds h o w e dt h e e x i s t i n gc o m b u s t i o ns c h e d u l ei sm o r ea p p r o p r i a t et h a nb e f o r e k e y w o r d s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；c o m b u t i o ns c h e d u l e ；g l a s sf u r n a c e ；g l a s sf l o w i n g ； o n e - w a yc o u p l e v l l i 生产过程所占的能 造过程中所需要热 问内燃料的燃烧方 而氧气在空气成分 中所占比例仅有1 5 ，空气中大量的氮气并未参与燃烧过程，相反还造成了大量的氮 气被无谓的加热造成了大量的能量损失。对于普通的钠钙硅玻璃窑炉来说，此部分热 量损失占到整个窑炉能耗的3 0 左右。同时，氮气还可以在高温的条件下反应生成氮 氧化物，这种气体对环境造成了十分巨大的危害。近年来，随着低碳经济和环境保护 的需求，全氧燃烧新制度应运而生。玻璃熔窑全氧燃烧制度是在燃料的燃烧过程中利 用纯氧与燃料进行燃烧反应，这样的燃烧方式可以加快燃料与氧气的反应速度，使之 得到充分的燃烧，而且，燃料的消耗量也得到了减少。这样不但节约了成本，而且还 减轻了对环境的污染。 与普通的空气助燃玻璃窑炉相比，全氧燃烧玻璃窑炉的火焰空间在结构发生了明 显变化。全氧燃烧制度下玻璃窑炉的结构类似于单元窑，无金属换热器及小炉、蓄热 室，窑炉结构的改变使得窑炉内部的工作机制发生了巨大的改变。所以有必要研究火 焰空问燃烧制度的改变对火焰空间的温度场、速度场产生的影响，以及安装什么样的 喷枪，其高度和排布方式对玻璃熔化效率和能耗的影响等课题。因此，针对全氧燃烧 玻璃窑炉的燃烧制度进行研究，特别是对其火焰空间的燃烧制度进行合理和科学的优 化，不仅能对优化火焰空间结构提供有力的依据，也使得窑炉的热效得到提高。故对 燃烧制度的优化能够节约能源，并对提高玻璃质量和降低生产成本有指导意义。 在燃烧制度的优化中常用的两种方法是试验研究和数值模拟。试验研究反映情况 真实，但是要对窑炉进行全方位的测试比较困难，而且工艺参数也不易改动；相比之 下，数值模拟方法作为一种较为先进的研究方法，能够克服试验研究方法的缺点，但 是其真实性必须通过与实验研究的结果进行对比才更有说服力。 燃烧制度埘玻璃池窑f | 1 玻璃液流动影响的数f f i i 模拟 本文以某玻纤厂年产2 万吨的玻璃纤维窑炉为研究对象，首先对此玻璃纤维窑炉 进行实验研究和数值模拟，通过两者的比对证明数值模拟的准确性；其次针对模拟中 出现的燃烧制度不合理的地方进行优化；最后通过玻璃液的流动情况来分析全氧燃烧 制度的合理性。 1 2 玻璃窑炉的全氧燃烧制度 1 2 1 全氧燃烧制度的发展 上世纪四十年代，美国康宁玻璃公司开创了以提高助燃空气中氧气含量的玻璃 熔窑富氧燃烧工艺【4 ，5 1 。随着人类对环保保护和节能降耗的重视，以美国为代表的玻 璃行业率先丌始推广应用全氧或9 0 以上的高纯氧气作助燃介质，与燃气在喷枪内 混合形成燃烧火焰的全氧燃烧工艺。 全氧燃烧技术最早主要是用于窑炉的增产、延长使用寿命以及减少污染物的排 放。随着制氧技术的发展，全氧燃烧技术正在成为取代传统空气助燃燃烧制度的最 好选择，这主要得益于全氧燃烧制度在环保、节能、投资以及生产成本等方面有着 其独特的优势。 1 2 2 全氧燃烧制度的优点 与普通空气燃烧制度相比，全氧燃烧制度有以下优点6 8 】： ( 1 ) 节能。采用全氧燃烧后，助燃气体约占空气助燃时所需气体总量的2 1 ， 燃料燃烧更为充分、剧烈，火焰强度大，热辐射能力强；由于废气量减少7 9 ，其 废气带走的热量减少，热效率大大提高。根据某玻纤厂全氧使用的经验，与空气助 燃相比窑炉纯氧燃烧节能大大提高。 ( 2 ) 环保。采用全氧燃烧后，空气中无用的氮气不再参与到窑炉燃烧反应，氮 氧化合物废气含量大大减小，所携带的粉尘量也相应降低，减少了对换热器设备、 耐火材料的侵蚀。另外，采用全氧助燃工艺后，降低玻璃中硼等原料的挥发1 - 2 左右，降低了原料成本。 ( 3 ) 高产优质。全氧燃烧使燃料燃烧效率和火焰温度都得到了提高，产物主要 是c 0 2 和h 2 0 ，比空气助燃时产物的黑度大，辐射能力强，传热效率高，配合料的 熔化速度进一步加快，使产量得到提高。此外全氧燃烧时水蒸气的含量明显增多， 2 济南大学硕卜学何论文 与玻璃液反应后使得o h 的含量增加，玻璃液粘度降低，有利于澄清、均化，提高 玻璃质量。 ( 4 ) 简洁实用。全氧燃烧玻璃窑炉结构近似于单元窑，无小炉、蓄热室，占地 面积小。火焰下部温度高，上部温度有所降低，减轻了对碹顶的热载荷，有利于窑 炉使用寿命的提高。 1 2 3 玻璃纤维窑炉全氧燃烧应用现状 玻璃纤维工业属于高能耗产业，其对重油、电能、天然气等的消耗需求量极大， 能源消耗占到整个工艺成本的4 0 以上。随着世界能源价格的飙升造成了其制造成 本的持续提高和利润空间的下降，不利于企业讵常的生产运行。 目前，全世界共有2 0 0 多座玻璃纤维窑炉使用全氧燃烧技术。世界玻璃纤维巨 头一美国p p g 、o c 公司，法国的圣戈班公司都采用窑炉全氧燃烧技术。o c 公司的 大碹全氧燃烧代表当前世界最先进的全氧燃烧技术。 与国外相比，我国在全氧燃烧技术上处于初级阶段，2 0 0 9 年国内玻璃纤维应用 全氧燃烧的只有约1 5 座窑炉1 1 。 1 2 4 玻璃纤维窑炉全氧燃烧器的选择与安装 燃烧器分空气燃烧器和氧气燃烧器，空气燃烧器是用热空气作为窑炉燃料助燃； 氧气燃烧器是使用纯氧作为燃料助燃。如前所述，全氧燃烧具有节能、环保、提高产 品质量等优点，要实现玻璃熔窑的全氧燃烧，全氧燃烧器是非常关键的设备，其结构 的合理性将会影响到燃烧与热传递性能的好坏。 因此，人们越来越重视对熔窑燃烧器的研究。通常燃烧器的设计和安装应该达到 以下要求 1 2 - 1 5 】： ( 1 ) 对于液体燃料，要求喷枪的雾化效果好，如果是气体燃料，要求气流流动平 稳而且气体的过剩系数相对较小； ( 2 ) 火焰的覆盖面积大，使燃料燃烧的热量尽可能多地传递给配合料和玻璃液， 尽可能少地传递给上部结构；火焰对耐火材料砌体烧损要尽可能的少； ( 3 ) 火焰有较高的亮度，且有一定长度，能合理组织火焰，使喷出火焰符合熔化 要求，并保证玻璃窑宽度方向的温度均匀性； 1 燃烧制度对玻璃池窑i | i 玻璃液流动影响的数值模拟 ( 4 ) 气体流动阻力小，火焰的冲量低； ( 5 ) 可控制碳黑的形成，黑度大； ( 6 ) 氮氧化物的排放量少； ( 7 ) 所需的氧气压力小； ( 8 ) 燃烧过程稳定； ( 9 ) 不需要水冷，便于操作和维修，使用寿命长等。 当前国际上应用的纯氧燃烧器从外形上大体分两种类型：一种是圆形火焰燃烧 器，其主要特点是寿命长、火焰亮度高、易与维修；另一种是平焰纯氧喷枪，这种 喷枪有利于改善窑内传热性能、增大火焰覆盖面。从使用燃料的类型分：天然气 纯氧燃烧器、重油纯氧燃烧器和混合燃料纯氧燃烧器。从纯氧燃烧器的布置分两种： 一种是窑炉两侧燃烧器交叉布置，其适合于窑炉宽度较窄，一般在3 m 以内的窑型 使用，主要是防止窑炉两侧对烧的火焰相互干扰造成对碹顶的冲击；其缺点是熔化 温度制度不对称；另一种是窑炉两侧燃烧器对叉布置，其适合宽度大的窑炉，其优 点是火焰对称，便于温度控制。 对于本文研究的2 万吨天然气富氧燃烧玻璃池窑所采用的纯氧燃烧器是c t i p f 3 0 01 - 4 m m b t u 扁平喷枪，如图1 1 所示。喷枪的安装如图1 2 所示。 图1 1c t i p f - 3 0 0 1 4 m m b t u 喷枪示意图 f i g1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fc t ip f 一3 0 01 - 4 m m b t us p r a yg u n 4 济南大学硕十：学何论文 ；i | 一 j 1 磬 牟 弧 1 图1 2 纯氧燃烧器安装示意图 f i g1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fo x y g e nb u r n e r si n s t a l l e d 1 3 玻璃纤维窑炉的研究方法 随着人们对节约成本、降低能耗以及环境保护意识的不断提高，越来越需要对熔 窑内部热工过程有更全面和深入的认识。对于全氧燃烧玻璃纤维熔窑，它在结构上与 传统空气助燃玻璃纤维熔窑相比产生了明显的变化，不仅会给玻璃熔窑火焰空间的燃 烧状况带来影响，而且会给全氧燃烧玻璃纤维熔窑内烟气组分含量产生很大的变化。 为此，必须加强对玻璃纤维熔窑内部热工过程的研究，了解玻璃纤维熔窑内部工作机 制合理优化燃烧。研究玻璃纤维熔窑常用的方法主要有现场实测法，物理模拟法和数 值计算法。 1 3 1 现场实测法 玻璃纤维熔窑的现场实测法是对熔窑内各种现象和各物理量之间关系通过的直 接测量来进行分析。生产窑炉的现场实测是研究玻璃窑炉纤维内热工过程最直观的方 法。通过对生产现场正在运行的窑炉进行观察和实测，获得实际生产中的数据和相关 资料，再经过综合分析，总结出关于玻璃窑炉内熔制的规律，从而判断其对生产的影 响，以达到指导生产实践的目的。现场实测法作为研究玻璃熔窑火焰空间内部工作机 制最为直接的方法存在较大的局限性，如：封闭和高温条件为窑炉火焰空间进行相关 测试带来了极大的难度、而且测试技术不够完善、测量仪表也达不到十分精确，很难 再现火焰空间内部的工作机制，而同时又难以改变相关的工艺参数，因此这种测量方 法不能很好的进行推广。但是这种方法可以准确的测量一些数值计算中所需要的边界 条件，可为数值模拟中边界条件的设定提供准确的数据来源。 燃烧制度埘玻璃池窑l f l 玻璃液流动影响的数值模拟 1 3 2 物理模拟法 物理模拟法是通过使用相似原理，在外部尺度上和相关的内部工作机制与实际 玻璃窑炉相似的实际模型上进行相关模拟实验，分析玻璃窑炉内温度场、动力场以 及玻璃液的流动和传热情况，从而获得一种优化玻璃熔窑燃烧机制和结构的方法。 这种方法有操作容易、测试方便、原理简单、费用少省时等优点，并且可以直 观地得到熔窑内燃料燃烧和气相、液相的流动情况。但是，物理模型研究方法要求 所涉及到的所有参数必须满足相似准数，而实际上是做不到这一点的，因此这种方 法只能近似的模拟出窑炉部分或局部的局限参数。虽然各国的专家学者对此做了大 量的研究，但是至今仍停滞不前。 1 3 3 数值计算法 c f d 计算法是上世纪五十年代伴随计算机的迅猛发展而兴起的一种非常先进的 数值分析计算方法，它可以看成在流动基本方程控制下对流动的数值模拟。通过这种 数值模拟，得到复杂问题基本物理量在流场内各个位置的分布，以及这些物理量随时 问变化的情况，确定内部的相关工作机制。相比之下，数值模拟方法具有灵活多变、 速度快、准确可靠以及节省费用等优点，同时克服了现场实测中测试难度大、测量危 险性高和物理模拟中难以满足所有相似条件等缺点，能方便地改变窑炉操作工艺和相 关的结构参数，准确全面地研究窑炉的内部工作机制，很好地预测全氧燃烧玻璃纤维 熔窑火焰空间的燃烧情况，在玻璃熔窑燃烧制度和结构的优化以及自动化操作实现方 面发挥着重要作用。目前，国内关于全氧燃烧玻璃熔窑火焰空间的燃烧情况的研究大 都采用c f d 计算方法对其进行相关数值模拟计算。 数值计算法的缺点是选择正确边界条件比较困难，另外需要用其他两种方法验 证模拟结果的准确性。数学模型方程的建立、简化以及所用的边界条件都必须建立 在实测研究和模型实验的基础之上，数学方程组中的一些影响窑炉作业的物理量、 物性参数也必须由实验来确定。 本课题中，火焰空间与玻璃池窑几何模型的建立和网格的划分均采用g a m b i t 软件进行处理，数学模型的求解将借助于a n s y s l 2 0 中的f l u e n t l 2 0 软件进行 计算，f l u e n t l2 0 在计算流体流动和传热时需要研究人员结合生产实际的流体力 6 济南大学硕十学位论文 学和传热学方面的相关参数，对玻璃熔窑的运行状况进行模拟研究。把数值模拟得 到的计算结果用图像来拟合，直观地表示速度场的运动情况和温度场的分布，实现 计算结果的可视化。 1 4 玻璃窑炉数值模拟的研究进展 玻璃窑炉的种类繁多，但都可划分为如图1 3 所示的3 个不同的部分，即火焰空间、 配合料和玻璃池窑三个部分。这三个部分一般又被定义做西个区域，即火焰空间和配 合料玻璃液区。 因为这两个空间有着明显的相异性，国内外的研究者对玻璃窑炉数值模拟的研究 也主要有两种方式。一种为分开模拟，这是一种针对火焰空间和配合料玻璃液的研 究；另外一种为整体模拟，即火焰空间和配合料玻璃液的组合模拟。 1 4 1 火焰空间的模拟 图1 3 玻璃窑炉结构示意图 f i g1 3c o n s t r u c td i a g r a mo fg l a s sf u r n a c e 在火焰空间内部存在着十分复杂的综合传热过程，火焰空问内燃料和氧气发生 剧烈的燃烧反应，产生的热量以辐射和对流方式有效的传递给玻璃液面。在火焰空 间的模拟方面国内外学者从火焰空间模型建立、火焰空间子模型研究以及火焰空问 结构等方面展开研究。 ( 1 ) 火焰空间模型建立及应用 c a r v a l n omg t l 7 1 提出使用缸s 模型来模拟火焰空间内气体的湍流流动，在近壁 7 燃烧制度埘玻璃池窑l f i 玻璃液流动影响的数值模拟 面处采用了壁面函数法进行描述并没有忽略粘性的影响。 b e n j a m i nj 等1 8 1 采用了漩涡破碎模型来模拟湍流燃烧反应，但是该模型并没有 考虑到温度的影响，认为燃烧速率取决于湍流涡团在分子尺度上的混合速率，因而 带来了较大的误差。 o n s e ll 等和m a n ok 对富氧燃烧系统采用了非预混燃烧模型，即富氧空气 和燃料从不同的入口进入火焰空问，同时对污染物的产生计算通过不平衡原理建 模，并通过数值模拟的方式对窑炉设计进行优化。 l a n k h o r s tam 等【2 1 1 证明了火焰空间的辐射占整个空间传热的9 5 ，在各种火 焰空间辐射传热方法里面选用了d o 模型进行了相关的计算和模拟。j i a ncq 等2 2 1 针对玻璃窑炉火焰空间的辐射问题提出了离散传播模型和离散坐标模型。l o c k w o o d fc 等2 3 1 建立了关于辐射传热的d t m 模型，主要通过使用有代表性的射线代替辐 射表面所有辐射效应，通过跟踪穿过流体计算单元中的每条射线，求得他们的辐射 强度变化之后，对所有的辐射变化求和，得到了对应于每个流体单元内能量方程中 由辐射引起的热量源项。 s i m o n sp u t 2 4 1 采用d o 辐射模型研究了玻璃窑炉火焰空间的辐射传热过程，该模 型求解的是从立体角发出的辐射传热方程。立体角的离散精度类似于d t m 模型中的 射线数目。不同的是，d o 模型并不进行射线跟踪，而是求解空间坐标系下的辐射强 度。为了获得更切合实际的模拟结果，其辐射模型中也包括了碳黑模型。 o l i v i e ra 等2 5 1 提出了运用第一性原理来模拟玻璃窑炉火焰空间的方法，并与常用 数学模型进行了对比。结果表明，这种模型可以有效并且快速的解决描述燃烧空间中 传热、流动机理和化学反应的复杂微分方程。通过这种模型可以准确的找出燃烧的最 佳工况，拓宽该模型的应用领域。 在国内火焰空间的研究中，主要是利用数学模型来模拟实际工况找出存在的不足 并进行优化，属于数学模型的应用。 郭印诚 2 6 - 2 8 1 建立了火焰空i 、日j 综合的数学模型，对横火焰、马蹄形火焰、单元熔窑 火焰空间内的温度场、动力场以及压力场进行了数相关的数值计算，给出了控制方程 松弛因子设定方式，最后通过模拟结果对火焰空间提出了优化的建议。 沈锦林【2 9 1 对燃油浮法玻璃熔窑的火焰空间进行数值计算和图像模拟。他在文献 r 济南大学硕十学位论文 3 0 q b 过改变边界条件对该窑炉直接采用氧含量2 7 的火焰空间进行数值模拟，得到 了与实际运行窑炉的实测数据和现象相吻合的模拟结果。 余拶3 1 1 同样对燃油浮法玻璃熔窑的火焰空问进行数值模拟。采用与文献 2 9 相同 的数学模型研究了燃油浮法玻璃熔窑火焰空间中气体的对流情况和温度的分布。王小 隶3 2 1 在此基础上研究了富氧燃烧火焰空问的温度分布情况和气体的流动情况。从模拟 所得数据看，富氧助燃时火焰温度显著升高，火焰长度变短，火焰的温度梯度变大， 使窑炉内两侧温度差别明显。 王凯3 3 1 对燃油纯氧单元玻璃熔窑火焰空i 、日j 的温度场和速度场的分布进行数值模 拟，从结果可以看出燃烧最高的温度可高达2 5 6 0 ，有利于在炉宽方向上温度均匀， 火焰扁平并且覆盖面大，有利于充分向玻璃液面传热。 王昌贤等3 4 1 利用数值模拟方法和f l u e n t 软件研究了燃油浮法玻璃熔窑喷枪火 焰空间的气流场与温度场。研究结果表明，当含氧量增大时，火焰空间气流场整体 速度变小，温度梯度变大，平均温度和温度最高点也同时增大。 袁锋3 5 1 对燃天然气单元玻璃熔窑内火焰空问的气体的流动情况和温度分布情 况进行数值模拟，从结果可以看出燃天然气所产生的火焰空问，能够满足玻璃熔制 的温度制度。熔窑内的气流运动也能够保证窑墙和谴顶的安全性和寿命。杨呖【3 6 1 在此基础上通过改变五对喷嘴的燃气比例，分析不同燃气比例下火焰空问温度场和 气流场的变化以及对配合料熔化和玻璃液澄清的影响。 韩达等3 7 1 对燃油富氧燃烧玻璃窑炉火焰空间进行了模拟，并与空气助燃情况下 进行了对比，为富氧燃烧技术的应用提供了理论指导。 李贤松3 8 1 对纯氧燃烧玻璃纤维窑炉的火焰空问所建立的数学模型通过 f l u e n t 软件进行了精确求解，并对模拟结果进行了验证。在此基础上，刘宗明等 3 9 1 对纯氧燃烧空间