（材料学专业论文）隧道窑急冷气幕结构计算机模拟试验研究.pdf

山东轻t 业学院硕上学位论文 摘要 隧道窑急冷气幕位于冷却带初端，主要作用是冷却高温制品及防止烧成带烟 气流入冷却带。研究急冷气幕结构，改善制品冷却质量及效率，可为窑炉运行及 结构优化提供理论依据。 应用计算机数值模拟技术，采用计算流体力学软件中的标准紊动能一紊动能耗 散率模型与多孔介质模型，结合某隧道窑急冷气幕实际热工测量数据，对隧道窑 冷却带内气体流场和温度场进行三维数值模拟，研究急冷风入口喷嘴的安装位置、 安装方法、数量及急冷风入嚣速度等对窑内气体流动与传热的影响。 急冷风下排入口喷嘴靠近窑车台面，上排入口喷嘴靠近窑顶有利于提高制品 冷却质量。入墨喷嘴靠近制品，急冷风与制燕的温差较大，易造成制品开裂。下 排入口喷嘴安装在火道中间部位，上排入口喷嘴安装在窑顶与物料中间部位时， 窑内气体平均流动速度最小，瀣度变化最大。 急冷风入口喷嘴数量应有一定的范围。总送风量与喷射速度不变，增加入口 喷嘴数量，单个入口喷嘴的送风量减小，对窑内气体的扰动作用减小，至使窑内 气体流速减小，流动均匀度降低，制品冷却效率降低。 急冷风上下入口喷嘴对排，有利于制品均匀快速冷却。上下入口喷嘴的布置 方式分为对排和错排，对排时窑内气体流动速度与均匀度较大，有利于制晶均匀 快速冷却。 在一定范圈内，提高急冷风入口风速度，有利予窑内气体流动。急冷风总流 量与入口喷嘴数量不变，增大急冷风入网风流速，可使窑内气体流速增加，但当 入口风速度增加到一定数值后，窑内气体的流动速度与温度趋于稳定。 关键词：隧道窑：数值模拟；急冷气幕；冷却；气体流动 i i i a b s t r a c t a b s t r a c t n es h a r p l yc o o l i n gc u r t a i no ft u n n e lk i l ni sa tt h eb e g i n n i n go ft h ec o o l i n g s e c t i o n 。i t sm a i nf u n c t i o ni st oc o o lt h eh i g nt e m p e r a t u r ea n dp r e v e n tt h es m o k eo f f i r i n gs e c t i o nt ot h ec o o l i n gs e c t i o n r e s e a c h i n gt h ec o n s t r u c t i o no ft h ec o o l i n g c u r t a i nc a i le n h a n c et h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c ta n dp r o v i d et h et h e o r e t i cf o u n d a t i o nf o r t h ek i l n sr u na n dc o n s t r u c t i o no p t i m i z i n g 。 b y i n gu s i n gt h ec o m p m e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h es t a n d a r dk 一m o d e lo f ac f d s o f t w a r e ，r e f e r r i n gt ot h et h e r m o d y n a m i cd a t ao ft h es h a r p l yc o o l i n gc u r t a i no f at u n n e lk i l n ，w es i m u l a t et h ev e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n b yt h r e e d i m e n s i o n ，r e s e a r c ht h ee f f e c to ft h ei n l e tn o z z l e sl o c a t i o n ，m e t h o d ，n u m b e ra n dj e t v e l o c i t yo nt h ea i r f l o wa n dd i a t h e r m a n c y t h ec a c u l a t i o ni n d i c a t e s ：i t sb e n e f i tf o rc o o l i n gp r o d u c tw h e nt h eu p p e ra n d l o w e rn o z z l e sa r ec l o s et ot h ek i l nc e i l i n ga n dt h ek i l nc a r st a b l e b o a r dr e s p e c t i v e l y t h ea i r f l o wv e l o c i t yi ss l o wa n dt h et e m p e r a t u r ei su n e v e nw h i l et h el o w e rn o z z l ei s i nt h em i d d l eo ft h ef i r ec h a n n e la n dt h eu p p e rn o z z l ei nt h em i d d l eb e t w e e nt h ek i l n c e i l i n ga n dp r o d u c t t h en u m b eo fn o z z l es h o u l db ea p p r o p r i a t ei n s t e a do ft o o m a n y i nc o n d i t i o nt h a tt h et o t a lf l o wa n dj e tv e l o c i t yi sc o n s t a n t ，d e c r e a s i n gt h e n o z z l e sr a d i u sa n di n c r e a s i n gt h ej e tv e l o c i t y , t h eg a s sv e l o c i t yg r a d u a l l yd e c r e a s e s a n dt h ep r o d u c t sc o o l i n ge f f i c i e n c yi sl o w e r i t sd i f f e r e n tw h e t h e rt h eu p p e ra n d l o w e rn o z z l ea r es y m m e t r i c a l l yi n s t a l l e do rn o t t h en o z z l e s s y m m e t r i c m i n s t a l l a t i o ni sb e n e f i c i a lf o r p r o d u c t i o nc o o l i n g 。i n c r e a s i n gt h eje tv e l o c i t ya n d d e c r e a s i n gn o z z l e sr a d i r u sc a ne n h a n c et h eg a s sv e l o c i t ya n dp r o d u c tc o o l i n g e f f i c i e n c y b u tt h eg a s st e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t yi si n v a r i a b l ew h e nt h ej e tv e l o c i t y i si n c r e a s e dac e r t a i nv a l u e 。 k e yw o r d s ：t u n n e lk i l n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；s h a r p l yc o o l i n gc u r t a i n ；c o o l i n g ； a i r f l o w i v 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文 中引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或 成果，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属山东轻工 业学院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为山东轻工业学院。 论文作者签名： 煎鱼目鱼 导师签名： 畔 吼耳年月旦日 日期：卫年月卫同 山东轻工业学院硕士学位论文 第1 章绪论 在陶瓷工业生产过程中，窑炉是保证生产质量、决定生产量、降低成本、节能 降耗以及保护环境的重要工艺环节。因此对于窑炉的结构及热工过程进行研究，以 求改进窑炉的设计和操作是非常重要的。尽管国内外对隧道窑进行了许多研究，但 主要集中在应用新材料、新设备方面 1 - - - 5 ，一些是对陶瓷产品进行多方面的研究 6 7 ，对计算机在隧道窑应用方面的研究不是很多。近年来由于计算机技术的飞 速发展，各种计算机语言及软件相继出现，为隧道窑的研究提供了很大的方便。 随着计算流体力学技术( c f d ) 的兴起和应用，陶瓷窑炉的设计和热工模拟也开始 应用一些相关的c f d 软件。计算机技术在隧道窑中的应用大体可分为两大类；一 类为其在结构设计优化中的应用，一类为其在热工过程中的应用。事实上，这两 类应用多数情况下联系在一起。 1 1 隧道窑急冷带概述 隧道窑急冷带位于烧成带之后，主要作用是使焙烧好的高温制品快速冷却。 高温制品进入冷却带后，最简单的方法是自然冷却，但是这样冷却带就比较长， 冷却效果差，尤其对装载量比较大或装匣钵的制品冷却效果较差，而且延长了生 产周期，所以采取强冷措施。强冷的方式有直接冷却、直接与间接冷却相结合， 以及间接冷却三种。本文所模拟的是某一隧道窑急冷带直接冷却，用喷嘴喷入急 冷风强制冷却。 某隧道窑内截面宽2 6 5m ( 有效宽2 4m ) ，高1 1 4m ( 火道高o 2 4m ；码 料区高o 7 5m ；制品距窑项0 1 5m ) 。急冷带长8m ，有1 2 对急冷风入口，上下 两排分布在两侧窑墙上，窑项有5 个热风抽出口，冷却风入口喷嘴与热风抽出口 呈周期性分布。为简化计算，取隧道窑的一小节进行模拟。 图i 1 隧道窑急冷带的一小节 火道在制品下面，里面有支柱支撑，火道一侧安装有急冷风喷嘴，记作下排 喷嘴，急冷风从下排喷嘴喷入火道。码料区和窑顶之间的一侧窑墙上装有喷嘴， 第1 章绪论 记作上排喷嘴，急冷风从上排喷嘴喷入。窑顶有热风抽出口，上下两排喷入的急 冷风与制品热交换后经热风抽出口抽出。码料区为制品，本文模拟的为没有匣钵 制品赢接被急冷风冷却的情况。 1 。2 急冷带研究的必要性 急冷带的冷却效果直接关系到制品的质量以及节能降耗的问题。如果急冷效 果不好，这将延长冷却带的长度，延长生产周期，降低产量，增加成本，影响产 品质量。在高温阶段，如果冷却速度慢，会引起釉面析晶，降低釉的透光度。还 原烧成的制品，还会使还原生成的二价铁重薪氧化成三价铁。急冷带在送风量一 定的情况下，改变喷嘴的安装布置是优化窑炉结构，增加冷却效果的一个途径。 增鸯疆送风量能提高冷却效果，但是，送风量增加太多，急冷风被热风抽出墨带走， 会增加能耗。所以从优化窑炉的结构入手来提高冷却效果是非常必要的。 。3 国内外研究的现状 。3 。 计算机在结构设计优化中的应用 隧道窑的结构设计决定隧道窑的先进性，合理的隧道窑设计有助于降低能耗， 提高热效率，保证陶瓷产品的质鬣 8 。隧道窑的设计过程非常繁杂，涉及众多热工 参数和热计算公式。 幽于长期以来都是手工设计计算及绘图，设计人员需进行大 量繁杂的重复性汁算、绘图及数据处理工作，置无法完成诗算较难、工作量较大的 优化设计，致使设备的设计及大修改造都难尽人意。设计相应计算机软件以提高隧 道窑设计效率是必要的。杨志远 9 采用w i n d o w s 环境下数据库语言编程语言 v i s u mf o x p r o 开发出隧道窑结构设计计算机软件，该软件可实现隧道窑设 计中主要设备选型以及燃烧、散热、热平衡的参数计算工作。经检验，软件界面友 好、操作方便、可靠、计算速度快，可提高设计人员的工作效率。王世峰等 1 0 将 c a d c a m 技术 1 1 引入工程设计，开发了“陶瓷工业热工设备c a d 系统 ，能完成 传统工程设计计算，砌体材料、烟囱、燃烧条件的优化设计，数据及图纸资料的管 理、检索、编辑、计算机交互或半自动绘图。饶文碧等 1 2 采用q u i c kb a s i c 语 言编制了一套陶瓷隧道窑作图软件，整个系统分为汉化界蕊、库操作、窑圈绘制、 图形输出四大部分。其基本功能足通过人机对话输入窑炉尺寸数据，然后e l j 计算 机启动绘制出窑图。用计算枫设计的这魃软件大大节省了设计人员的时闻，设计 者只要输入一定的数据，设计工作会在短时间内完成。 2 山东轻工业学院硕士学位论文 1 3 2 计算机在热工过程中的应用 窑炉热工过程的研究主要有现场测试或原型实验、物理模型模拟实验、数学 模拟、借助计算机和数值计算技术进行的计算机数值模拟等。 计算机在隧道窑热工过程的应用主要是应用于控制系统和热工过程模拟研 究。 ( 1 ) 智能控制 现代陶瓷生产过程中，窑炉的控制仍然是生产工艺中的关键，控制好窑炉内 的温度制度、压力制度和气氛制度对于提高陶瓷产品的烧成品质和节能都具有重 要的意义。常见的智能控制方法有模糊控制、分级递阶智能控制、专家控制、神 经网络控制、人智能控制。这些控制方法在陶瓷窑炉中的应用很广 1 3 - 1 7 。每一 种控制其优缺点不同。例如模糊控制对于陶瓷窑炉这种非线性、难于建立模型的 控制对象不失为一种良好的控制方法。缺点是控制精度不高、自适应能力有限、 存在稳态误差、可能引起振荡，缺乏有效的学习机制。而单点模糊控制，其控制 对象通常是炉温，由于陶瓷烧成过程中受窑炉控制特性的影响，造成所设计的模 糊控制规则不合适或不完整而影响其控制效果。多变量模糊控制的优点是针对具 有多样、随机、连续、高度不确定等特性的控制对象，达到多层次、多目标的综 合效果。其技术核心是软嵌入式无模型自学习多变量模糊控制器。有些隧道窑对 断面流场进行了控制，其作用是：在预热带的特定位置如窑室下部安装若干高 速烧嘴，加大上下气流的搅动，减少断面的上下温差。在烧成带和冷却带的窑 顶每间隔一定距离设置吊挂式耐火纤维“屏障 。在烧成带窑顶和被烧制品的 上边缘之间合理选择上部烧嘴的最佳位置。在冷却带，制品的上方和下方设置 多个喷空向急冷带鼓入冷风或低温热风。对于宽断面窑，应适当的延长火焰长 度，避免断面温度的驼峰分布。其他的控制方法各有优缺点，也有的与模糊控制 方法结合在一起使用。 ( 2 ) 热工过程 隧道窑热工过程是一个涉及燃烧学、气体动力学、传热学等领域的动态过程， 是一个分布参数的多输入多输出非线性系统。 5 0 年代后期，计算机就开始应用于硅酸盐工业，不少学者利用计算机从事陶 瓷窑炉热工理论研究。日本高津学于1 9 7 6 年提出了二种用于数学模拟的隧道窑数 学模型，其思想是将预热带分成n 等份，根据能量守恒定律将窑内制品温度、烟 气温度及烟气流量三者关联起来，可在任知其一的情况下求出其他两者。1 9 7 9 年 英国d p s h e l l e y 将计算机模拟方法用于间歇窑窑墙结构优化设计。苏联 b r a 6 6 a k y m o b 等人于1 9 8 1 年建立了包括烧成带燃烧气体混合得不均匀系数即不 同温度下燃烧气体化学反应平衡常数的烧成带数学模型。h m w u n i e r 等对有纤维内 第1 章绪论 衬并且使用了轻质材料窑车的间歇窑进行了模拟，得到了烧成过程的蓄热和燃料 消耗情况。我国的孙宇彤，曾令可等 1 8 通过对宽断面隧道窑冷却带进行数学建 模及计算机模拟，探讨了其冷却曲线温度和制品平均温度之间的关系：通过改变工 况参数，可以得到不同的冷却效果。对窑炉冷却质量的评价、冷却曲线的制定和优 化生产控制具有一定的借鉴意义。曾令可等 1 9 应用v b ( v i s u a lb a s i c ) 5 0 语言在 w i n d o w s9 5 平台上开发出“宽断面隧道窑计算机优化与模拟”系统。该系统采用 可视化软件技术，除了可以对隧道窑的烧成带、冷却带、预热带进行模拟研究外， 还可以进行窑炉结构的优化、综合热耗模拟及热平衡热效率计算等。刘永杰 2 0 用b a s i c 语言编制了隧道窑窑顶散热量的计算机模拟程序，并对模拟精度进行了 论证。朱光俊、于占荣 2 1 根据8 0 5 8 6 微型计算机功能强大、使用方便、计算快 速的特点，编制了“陶瓷隧道窑热工计算软件包”。利用该软件包，可以进行隧道窑 的燃料燃烧、主要窑体结构尺寸、热平衡、燃料耗量和热效率计算。软件包具有 中文提示，适用面广，它为陶瓷隧道窑的设计提供了方便。有关这方面的研究不再 一一举例。但是，编制这些软件或程序需要花费大量人力、物力和时间，在数学 建模时对物理模型进行大量简化，不能很好的接近物理原型。现代隧道窑发展很 快，原来的软件在应用时可能会受到限制，应探索新的模拟方法和工具，以便及 时准确快速地模拟。 1 。3 3c f d 软件 上个世纪7 0 年代以来，c f d ( c o m p u t a t i o n a if l u i dd y n a m i c s ，计算流体力学) 技术因 大型计算机的出现得以迅速发展，至l j 9 0 年代计算流体力学并行算法在德、同、法等 国家发展尤为迅速 2 2 2 6 。c f d 技术因其相对于实验研究、数值模拟的独特优点， 而显示出巨大的活力。如：( 1 ) 研究成本低，周期短；( 2 ) 无实验仪器干扰；( 3 ) 能够 得到完整的数据；( 4 ) 能将计算情况在计算机屏幕上形象地再现。这些对于设计、 改造等商业或实验室应用起到重要的作用 2 7 。各币p c f d 通用软件的数学模型的组 成都是以纳维一斯托克斯方程组与各种湍流模型为主体，再加上多相流模型、燃烧 与化学反应流模型、自由面流模型以及非牛顿流体模型等。离散方法采用有限体 积法( f v m ) 或有限元素法( f e m ) 与时间分裂法。纳维一斯托克斯方程组的求解模块是 c f d 软件的核心部分 2 9 。c f d 软件设计是基于“c f d 计算机软件群的概念”，针对 每一种流动的物理问题的特点，采用适合于它的数值解法，在计算速度、稳定性和 精度等各方面达到最佳。c f d 软件具有如下优点：( 1 ) 先进的网格生成技术。采用 c f d 专用前处理软件，使网格可以有多种形状。对二维流动，可以生成三角形和矩形 网格：对于三维流动，则可生成四面体、六面体、三角柱和金字塔等网格：结合具体 计算还可生成混合网格，其自适应功能，能对网格进行细分或粗化，或生成不连续 4 山东轻t 业学院硕十学位论文 网格、可变网格和滑动网格。( 2 ) 完善的多种优化物理模型。如计算流体流动和热 传导模型( 包括自然对流、定常和非定常流动，层流，湍流，紊流，不可压缩和可 压缩流动，周期流，旋转流及时间相关流等) ，辐射模型，相变模型，离散相变模 型，多相流模型及化学组分输运和反应流模型等。对每一种物理问题的流动特点， 有适合它的数值解法，用户可对显式或隐式差分格式进行选择，以期在计算速度、 稳定性和精度等方面达到最佳。( 3 ) 高效的数值计算及处理能力。将不同领域的计 算软件组合起来，成为c f d 计算机软件群，软件之问可以方便地进行数值交换， 并采用统一的前、后处理工具，这就省却了科研工作者在计算方法、编程、前后处 理等方面投入的重复、低效的劳动，而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的 探索上。( 4 ) c f d 软件包含三种算法：非耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐 式算法，是商用软件中最多的；c f d 软件采用c c + + 语言编写，从而大大提高了 对计算机内存的利用率。利用商品软件进行计算已是科学研究中的一项重要手段， 文献 3 3 3 4 研究中的科学计算都是用的c f d 软件，作者只做流体力学的分析， 但无需编程序。 c f d 程序软件主要由以下几个部分组成：( 1 ) c f d 前置软件一主要用来建立 几何模型和生成网格。( 2 ) c f d 解算器一用于进行流动模拟计算的求解器。( 3 ) p r e p d f 一用于模拟p d f 燃烧过程。( 4 ) t g r i d 一用于从现有的边界网格生成体网格。 ( 5 ) f i l t e r s ( t r a n s l a t o r s ) - - 转换其他程序生成的网格，用于c f d 计算。可以接口 的程序包括：a n s y s ，i - d e a s ，n a s t r a n ，p a t r a n 等。 图1 2 基本程序结构 利用c f d 软件进行流体流动与传热的模拟计算流程如图l 所示。首先用前置 软件进行流动区域几何形状的构建、边界类型及网格的生成，并输出用于c f d 求 解器计算的格式；然后利用c f d 求解器对流动区域进行求解计算，并进行计算结 5 第l 章绪论 果的后处理。 。3 。4c f d 软件应用于窑炉的模拟 c f d 软件主要应用于航空航天 3 5 3 8 、国防技术、电力系统、汽车设计、 船舶、化学处理 3 8 3 9 、家用电器等领域。在民用领域，该软件在汽车、空调设 计上应用最为广泛，研究成果也颇为丰硕。总之，它在数值模拟及传热的应用很 多 4 1 - 4 3 。在陶瓷窑炉模拟方面，由于陶瓷窑炉内部结构十分复杂，流场、气氛 场和温度场的测量都十分困难，实验研究仍然不足以全面揭示流动和传热规律。然 而随着c f d 技术的兴起，数值模拟方法已经广泛应用于各种窑炉的研究 4 4 - 4 5 ， 如水泥转窑、玻璃窑、加热炉等。杨帆等 4 6 运用流体力学计算软件f l u e n t ，对湘 潭钢铁公司第二高速线材厂轧钢加热炉的三维流场进行了数值模拟，获得该加热 炉内的气体流动、流速和压力的分布规律。对加热炉内的气体流动状况、速度分 布和压力分布的特点分析表明，该加热炉内的局部结构不适应加热炉的操作要求， 模拟计算结果与加热炉的实际运行相符，为加热炉的进一步结构改造提供了依据。 但是在国内外文献中较少见到陶瓷窑炉数值模拟研究的报道。商晖等 4 7 利用 c f d 软件f l u e n t t m 5 4 8 ，构造了非保形结构化非结构优混合劂格，采用标准紊 动能一紊动能耗散率( k f ) 模型，对吴建青等 4 8 建立的梭式窑空气动力模型内 部紊流流动与传热进行了数值模拟研究。褥出了烧嘴射流的发展过程以及烟气速 度场和温度场的分布特征。分析了料垛之间以及料垛局部换热的不均匀分布特征 和成因。结果表明：外圈料垛换热较强、内部料垛换热较弱，造成料垛闻换热不均 匀。料垛间隙的周期性分布导致料垛周向换热不均匀，三层烧嘴作用范围不同导致 料垛纵向换热不均匀，有关数值模拟结果与文献实验数据符合较好。在此基础上， 提出了调整料垛码法、烧嘴位置和流量匹配等改蒋对流换热均匀性的措施，并给出 了调整原则。冯青、陆琳等 4 9 剩用耨的代数应力模型 5 0 对k f 两方程湍流模 型进行封闭处理，对辊道窑烧成带的湍流旋流流动进行了理论分析，并用计算流体 力学软件f l u e n t 进行数值模拟，研究了烧嘴的喷射角度对烧成带内的湍流旋流流 动的影响及其对制品烧成的作用。得出下面结论：( 1 ) 当喷射角0 发生变化时，燃烧 室肉的湍流流场也发生显著的变化，利用喷设焦度改变喷射气流与窑内气流麴相 互作用，可以调节辊道窑燃烧室内旋流区域的大小、位置和强弱，从而使窑内气流 紊乱程度加强，窑内温度均匀，与铡晶充分换热，稳定窑内温度场，提高传热效率。 6 山东轻工业学院硕上学位论文 ( 2 ) 喷射角0 不能太大，0 过大，烟气流动阻力增大不利于制品的烧成，0 最好不能 大于1 5 。局限之处是：本文只是选取辊道窑烧成带的一小节且只有一个烧嘴的 情况作横向分析，对于整个辊道窑烧成带，烧嘴交错分布，流场更为复杂，这也将促 使我们下一步做更深层的模拟分析。王世峰 5 1 等为解决隧道窑存在的非优化问 题，采用系统工程观点分析隧道窑系统，建立了系统结构模型，并对主要研究内 容、描述变量、广义数学模型、模拟模型、模拟系统及模拟试验等进行讨论。模 拟系统由数据库、数据分析、动态模拟及结果分析、计算机辅助设计等子系统组 成，具有综合利用所有资源、交互式建模、动态模拟实验及结果分析、辅助设计 等功能。利用计算机模拟实际或虚拟隧道窑系统，进行热工理论研究，对隧道窑 的烧成制度、系统结构设计、控制策略及方法、控制系统等方面进行优化，可提 高设计与运行水平。 计算机在隧道窑中的应用很多，尤其在结构优化设计和热工过程模拟方面。 很多学者应用计算机语言编制了专用软件或程序，为隧道窑的研究做出了很大贡 献。由于c f d 技术在流体数值模拟方面具有不可比拟的优点，及它的通用软件 f l u e n t 的强大功能，它使模拟在精度提高的情况下，省却了科研工作者在编程前 后处理等重复低效的劳动，而将主要精力用于工程本身。所以，c f d 软件必将在 隧道窑研究中得到广泛应用。但是我们也要知道没有万能的软件，c f d 软件给我 们提供了一个模拟的平台，真正要做的工作是工程技术人员，它永远不能代替人 类的智慧。在这样一个飞速发展的时代，科学技术日新月异，有关计算流体力学 的软件也必将不停的换代更新，在模拟精度及考虑问题方面会更加完善。我们应 该紧跟时代潮流，用先进的技术，先进的软件，解决隧道窑工程中的各种问题， 为我国陶瓷工业做出贡献。 1 4 本文的工作 随着计算机应用的不断深入，人们开始对窑炉进行计算机结构的设计和热工 计算，并且作了大量的工作。在陶瓷窑炉模拟方面，由于陶瓷窑炉内部结构十分 复杂，流场、气氛场和温度场的测量都十分困难，实验研究仍然不足以全面揭示流 动和传热规律。然而随着c f d 技术的兴起，数值模拟方法已经广泛应用于各种窑炉 的研究。但是在国内外文献中较少见到陶瓷窑炉数值模拟研究的报道。由于c f d 技术在流体数值模拟方面具有不可比拟的优点，及c f d 软件的强大功能，它使模 7 第1 章绪论 拟在精度提高的情况下，省却了科研工作者在编程、前后处理等重复低效的劳动， 而将主要精力用于工程本身。 本文用计算流体力学软件模拟某一隧道窑急冷带，利用标准湍流模型，多孔 介质模型和能量方程，对急冷带的一段进行三维数值模拟，将计算区域简化为不 同的多孔介质区。急冷风喷嘴的布置方法和喷风速度改变时，研究窑内气体的速 度场和温度场的分布，以找出最好的喷嘴布置方法和喷风速度，对隧道窑的结构 优化设计提供理论参考。用前置软件作出几何模型后划分网格时，先划分面网格 再划分体网格。面网格划分采用q u a d p a v e 方法，体网格划分采用混合网格方案。 面网格划分前，先对代表喷嘴的小圆孔进行网格划分。为提高计算精度，小圆孔 网格的节点i 、日j 距要与其尺寸相适应。码料区与火道为多孔介质区。在隧道窑内制 品区装满大量的形状不规则制品，火道内有支柱分布，使气体在制品区和火道内 流动空问减小且流动阻力增大，因此可将它们设为参数不同的多孔介质区。可根 据窑内制品码放情况调整多孔介质参数，近似模拟窑内气体流动。 压力与速度的耦合采用s i m p l e 算法求解。因网格数目较大，为加快收敛， 动量方程、能量方程和标准k e 方程采用一阶迎风格式。 本文具体模拟的隧道窑急冷带长8 米，由1 2 对急冷j x l 入口喷嘴，上下两排分 布在两侧窑墙上，窑顶有5 个热风抽出口。喷嘴和热风抽出口呈周期性分布，所 以只取一小段进行模拟。喷嘴的半径为0 0 1 m ，热风抽出口的半径为0 0 3 m 。 最后，作者得出了有利于窑内气体快速流动从而有利于制品区冷却的喷嘴布 置的优化结构，并找出了该隧道窑喷嘴喷射速度大小的范围。 8 山东轻工业学院硕十学位论文 第2 章急冷带内计算模型 喷入急冷带内的急冷风在窑内流动并带走高温制品的热量，这是一个流动和 传热同时进行的过程。窑的墙壁为保温结构，损失的热量很小，可以忽略不计， 所以把固体壁面设为无滑移绝热壁面。把码料区和火道设为多孔介质区。 热风抽出口 t 、 码料医 k 。 k ，：，、坦 图2 1 计算模型 取隧道窑急冷带的一小节进行计算。上排和上排各有两个急冷风入口喷嘴， 窑顶有一个热风抽出口。因为急冷带的作用一方面是冷却从烧成带来的高温制品， 另一方面是防止烧成带的烟气流入极冷带，为简化计算，假设如下： ( 1 ) 每节吹入的冷却风全部由相应的热风抽出口抽出。 ( 2 ) 流场中间对称，取一半几何体划分网格和计算。 2 。1 几何模型及其画法 用前置软件画出以上模型，具体方法如下：( 1 ) 生成x = 2 6 m ，y = o 9 m ，z = o 8 m 长方体a ；生成x = 2 4 ，y = o 7 5 ，z = o 8 长方体b ；生成x = 2 4 ，y = o 2 4 ，z = o 8 长方体 c 。( 2 ) b 向下移0 0 7 5 ，c 向下移0 3 3 。( 3 ) 生成r l = o 0 1 的圆，代表喷嘴。生 成r 。= 0 0 3 的圆代表热风抽出口。( 4 ) 复制圆r 。两个并移动到窑墙的上部，位于窑 顶和制品之间；复制圆r 。两个，并移动到对面窑墙下部，位于火道之间的位置。 复制圆r z 到窑顶上。( 5 ) 用代表喷嘴的圆s p l i t 两侧面，用代表热风抽出口的圆 s p l i t 顶面。( 6 ) 用体积bs p l i t 体积a ，用体积cs p l i t 体积b 。( 7 ) 取对称的 一半。 9 第2 章急冷带内计算模型 2 2 数学模型及其选择 湍流出现在速度变动的地方。这种波动使得流体介质之间相互交换动量、能 量和浓度变化，而且引起了数量的波动。由于这种波动是小尺度且足高频率的， 所以在实际工程计算中直接模拟的话对计算机的要求会很高。实际上瞬时控制方 程可能在时间上、空间上是均匀的，或者可以人为的改变尺度，这样修改后的方 程耗费较少的计算机。但是，修改后的方程可能包含有我们所不知的变量，湍流 模型需要用已知变量来确定这些变量。 c f d 提供了以下湍流模型： s p a l a r t a l l m a r a s 模型 岸一f 模型 标准眉一p 模型 r e n o r m a liz a tio n - g r o u p ( r n g ) 耳一f 模型 带旋流修正髟一f 模型 k 模型 标准k ( o 模型 压力修正k 模型 雷诺兹压力模型 大漩涡模拟模型 湍流模型的选择： 三种湍流模型的适用范围为：( 1 ) t h es p a l a r t a l l m a r a s 模型：对于解决动力 漩涡粘性及对于低雷诺数模型是十分有效的。( 2 ) k - e 模型足一种高雷诺数的模 型，具有适用范围广、经济、合理的精度。( 3 ) k - o 模型预测了象混合流动、平 板绕流、网柱绕流等的传播速率，应用于墙擘束缚流动和自由剪切流动。 不幸的是没有一个湍流模型对于所有的问题足通用的。选择模型时主要依靠 以下几点：流体是否可压、建立特殊的可行的问题、精度的要求、计算机的能力、 时间的限制。为了选择最好的模型，你需要了解不同条件的适用范围和限制。 隧道窑冷却带内的流动情况，根据雷诺准数r e = d 6 0p u 来判断。带入数值 后，属于高雷诺数的湍流流动，所以应选k - 模型，且其他两种模型适用范围和 隧道窑内的流动不符。 标准k - e 模型的方程： 标准k - e 模型足个半经验公式，主要是基于湍流动能和扩散率。k 方程是个精 确方程，方程是个由经验公式导出的方程。 k - e 模型假定流场完全是湍流，分子之间的粘性可以忽略。标准k - e 模型因 而只对完全是湍流的流场有效。 l o 山东轻工业学院硕上学位论文 湍流动能方程k ，和扩散方程： 昙缸) + 言掣卜毒 ( + 纠考 + g t + g 一胪一+ s 心1 ， 和 昙b ) + 毒( 脚小考+ 丝o 。、l j 堡& jj i + c l 占昙( g f + c 3 r g 6 ) 一c ：。户譬+ & c 2 2 ， 方程中g 。表示由层流速度梯度而产生的湍流动能，g b 是由浮力产生的湍流动 能，y 。由于在可压缩湍流中，过渡的扩散产生的波动，c 。，c 。，c 。，是常量，o 。 和o 。是k 方程和e 方程的湍流p r a n d t l 数，s 。和s 。是用户定义的。 湍流速度模型： 湍流速度u 。由下式确定 以= 口( 2 3 ) c 。是常量 模型常量： c l 占= 1 4 4 ，c 2 。= 1 9 2 ，c i , = 0 0 9 ，仃f = 1 0 ，盯。= 1 3 这些常量是从试验中得来的，包括空气、水的基本湍流。他们已经发现了怎 样很好的处理墙壁束缚和自由剪切流。 f l u e n t 求解如下的能量方程： 暑池) + v ( _ 汹+ p ) ) = v k v 丁一乃万+ 晤石) ) 城( 2 4 ) 其中，k 硪为有效导热率( k + k 讲其中， k ，为湍流引致的导热率，由模型中使 用的湍流模型确定) 。j j 为组分的扩散通量。方程右边的前三项分别表示由于热 传导、组分扩散、粘性耗散而引起的能量转移。s 。包含化学反应放( 吸) 热以及 任何其它的由用户定义的体积热源。 方程中 e ：办一旦+ 竺( 2 5 ) p 2 其中显焓h 的定义为 h = ( 1 对不可压缩流体 拈，_ y j h j + 昙 第2 章急冷带内计算模型 y 。为组分j 的质量分数 h j = r e f c p j d t 其中t 耐为2 9 8 1 5 k 1 2 山东轻工业学院硕士学位论文 第3 章数值计算方法 本文的主要目的是研究喷嘴的布置对急冷带内的速度场和温度场的分布情 况。在计算的时候用到了相关的c f d 计算机数值模拟程序。该程序广泛用于模拟 和分析在复杂几何区域内各种流体流动、传热、燃烧和污染物运移等问题。它提 供了灵活的网格特性，用户可方便的使用结构网格和非结构网格对各种复杂区域 进行网格划分。此外，它可以完成多种参考系下三维流场的模拟、定常与非定常 流动分析、不可压流和可压流计算、层流和湍流模拟、传热和热混合分析。 3 1 控制方程的建立 和在研究其他工程问题时建立控制方程的原则一样，建立关于冷却带模拟的 控制方程的理论基础也包括以下几个方面： ( 1 ) 守恒和平衡定律：质量、动量、能量； ( 2 ) 输运定律：粘性、导热及扩散； ( 3 ) 热力学性质：比热在急冷带很短的范围内假设为定值； ( 4 ) 状态方程。 守恒和平衡定律是普遍适用的，其他公式有一定的局限性和选择性，选择的 原则是可靠，并兼顾准确性和经济性。 根据这些原则，可以得到下面最基本的形式的控制微分方程组： ( 1 ) 连续方程 质量守恒方程又称连续性方程： 祟+ 昙咖扣s 辨( 3 1 ) 该方程是质量守恒方程的一般形式，它适用于可压流动和不可压流动。源项 s m 是从分散的二级相中加入到连续相的质量( 比方说由于液滴的蒸发) ，源项也可 以是任何的自定义源项。 ( 2 ) 动量方程 昙锄，) + 考伽鸬) = 一考+ 等+ 昭，+ e c 3 2 ) 其中p 是静压，t ，是下面将会介绍的应力张量，g 。和f ；分别为i 方向上的 重力体积力和外部体积力( 如离散相相互作用产生的升力) 。f ；包含了其它的模型 相关源项，如多孔介质和自定义源项。 第3 市数值计算方洁 ( 3 ) 能量方程 昙) + 毒“，似+ ，) ) 2 毒卜i o t 一手e ，l j 悄c ， 在能情方程中，制品区和火道处理成热源向 82 计算区域的网格划分 建立嫩标系以急冷带制品区叶1 问稍微向下为原点，横截而为x 轴。窑体的 比变方向为z 轴，窑的岛度方向为y 轴。该计算区域的范 1 i 是：x 方向为( l _ 3 ， l _ 3 ) ，y 方向为( 一o d 5 ，0 4 5 ) ，z 方向为( 帅04 04 ) 由j ：罔j 侈对称为减少 计算量，取半凹形进行网格划分。如图所示： 目3 1 月格的划分 在该软件巾，州格的划分足聚用c f d 前处理软件来完成的。划分嘲村 时先对 表尔喷嘴入u 的圆孔进行网格划分，采用q u a d p a v e 厅法，s iz e 为oo l ，两边的 侧面用同样的方法划分州格s i z e 为0 0 6 。泼讣算域划分为i 个小体积，每个体 秘的州格划分部是t c t 门l y b r i d 混合网格。l 面体税的】旬9 格数为1 5 8 5 9 ，中f h j 体积 的网格数为3 6 5 0 2 ，f 面体秘的州格数为1 7 3 8 4 。制品区和火道划分成不司的区域， 5 l 为不同f | 勺多 l 介质区。 33 边界条件和迭代控制 边界条件的殴筒：工质为卒气，吲体壁面均为无滑移绝热擘而，j f 两排入 口为速度入口排热m 口为自山出n ，码料区2 j 火道为多孔介质医。在隧道窑内 制品区装满人量的形状不) j i ! 则制品火道内仃支 柿使气体在制品【k 和火道 内流动申日j 减小且流动阻力增大凼此可将它们设为参数不同的多孔介质区。可 根据窑内制品码放情况捌整多孔介质参数，近似模拟窑内气体流动。 山东轻工业学院硕士学位论文 边界条件的设置如下图所示： 在用数值模拟软件进行计算的时候，最重要的是保证计算的收敛，因为程序 的求解步骤基本上是迭代，所以只有收敛的结果才有可能是正确的。计算结果收 敛起表现为计算区域中监测点的参数值对迭代次数的增加而趋于稳定，并且计算 过程中的残差逐渐减小。因此，终止迭代计算的判断准则可以有两种，一种是通 过设置迭代次数，另一种是由多以绝对残差值和降到其预付值来确定。而最后是 通过第二种方法来确定，因为一般情况下不知道该把迭代次数设为多少才是最合 适的值。通常，作为初始计算，应先取1 0 0 5 0 0 左右的值为合适，然后根据计算 的结果进一步设定迭代次数。在终止整个问题迭代求解是否收敛上，本文通过设 置迭代次数，即第一种方法。 引发计算发散的一个很重要的原因就是网格划分不合理。一般来讲，网格划 分的越细密，计算结果也应该越精确。但是网格细化会引起两个负面作用：一是 引起计算时间的迅速增大，二是在网格过份细密的时候还会引起计算的不收敛。 因此划分网格的原则就是在保证计算精度的前提下，尽量避免过细的网格。 为保证本计算的正确进行，不许进行合适的迭代控制。本问题中的迭代设置 如下： 由于本论文中计算模型和网格由于模拟的需要进行了多次制作和划分，所以 计算时迭代次数不同。但计算结果表明，把迭代次数设定在1 0 0 0 的时候，计算已 经收敛良好，各节点数值稳定。 ( 1 ) 松弛因子：为了保证计算结果收敛的前提下尽量加快收敛速度，对不同 的求解变量设定的松弛因子为1 ，以便提高收敛速度。动量的松弛因子设为0 7 ， 能量方程的松弛因子为1 ，湍动能的松弛因子为0 8 ，湍动能耗散率为o 8 。 ( 2 ) 网格数目：根据计算结果，提高计算精度，对于每个计算模型，网格数 目不同，但都是保证其计算精度适当，并且收敛迅速。 ( 3 ) 离散方法：动量方程和能量方程采用一阶迎风格式，湍动能和耗散率也 第3 章数值计算方法 采用一阶迎风格式，以便使迭代尽快收敛。 3 4 数值模拟软件的输入 本文所用的数值模拟软件是一个c f d 求解器，在使用该软件进行求解之自订必 须借助c f d 前置软件或其他c a d 软件生成网格模型。在使用该数值模拟软件前， 首先应针对所要求解的物理问题，制定出比较详细的求解方案。制定求解方案需 要考虑的因素包括以下内容： 决定c f d 模型。确定要从c f d 模型中获得什么样结果，怎样使用这些结果， 需要怎样的模型精度； ( 1 ) 选择计算模型。在这里要考虑怎样对物理系统进行抽象概括，计算域包 括哪些区域，在模型计算的边界上使用什么样的边界条件，模型按二维还是三维 构造，什么样的网格拓扑结构最合适于该问题； ( 2 ) 选择物理模型。考虑该流动是无粘、层流，还是湍流，流动足稳态还是 非稳态，热交换足否重要，流体使用可压还是不可压方式来处理，是否多相流动， 是否需要应用其他物理模型； ( 3 ) 决定求解过程。在这个环节要确定该问题是否可以利用求解器现有的公 式和算法直接求解，是否需要增加其他的参数( 如构造新的源项) ，是否有更好的 求解方式可使求解过程更快速的收敛，使用多重网格计算机的内存是否够用，得 到收敛需要多久的时问。 一但考虑好上述各个问题后，就可开始进行c f d 建模求解。利用该数值模拟 软件模拟的主要步骤如下： ( 1 ) 创建几何模型和网格模型( 在g a b m b i t 或其它前处理软件中完成) ； ( 2 ) 启动该数值模拟软件中的求解器： ( 3 ) 导入( 1 ) 中生成的网格模型； ( 4 ) 检查网格模型是否存在问题，主要看最小容积否为负值，是否存在影 子节点，节点质量如何，是否存在角度偏斜，一级网格是否