（计算机应用技术专业论文）面向陶瓷辊道窑炉温度场均匀性的优化方法研究.pdf

中文摘要 陶瓷辊道窑炉的烧成技术是陶瓷生产工艺的关键技术，而烧成温度的控制 则是烧成制度中的关键。论文中讨论的温度场均匀性优化就是结合计算流体力 学和计算机优化，通过改变窑炉设计的参数来调节陶瓷辊道窑炉的性能，使得 陶瓷辊道窑炉工作区温度场更加均匀。 论文利用c f d 数值计算软件进行陶瓷辊道窑炉的模型建立，用均匀设计方 法选取试验样本，用粒子群优化算法进行陶瓷辊道窑炉结构优化研究。论文的 主要工作包括： 1 利用c f d 数值计算软件对陶瓷辊道窑炉进行模型网格划分，并研究在建 模过程中的湍流模型、辐射模型、燃烧反应模型以及其他和模型仿真相关的参 数设置方法。 2 论文采用均匀设计的思想进行试验样本的选择，采用均匀设计的方法， 可以在选取有限样本的基础上找到到影响温度场均匀性的规律，同时可以把这 样的规律转化为数学模型。 3 采用回归分析的方法对均匀设计试验的结果进行分析，拟出初步的回归 方程，并且对方程的显著性和参数的显著性都进行了检验，同时剔除了一些对 回归方程贡献较小的参数，使得方程更加简洁。 4 论文采用粒子群算法作为陶瓷辊道窑炉温度场优化算法，同时由于粒子 群算法是基于种群的计算方法，适合于并行计算，因此论文研究了基于m p i 的 并行粒子群优化算法，并对并行算法的效率进行了初步分析。 论文的创新在于论文采用均匀设计、计算流体力学和现代优化技术，对影 响陶瓷辊道窑炉温度场均匀性的各种因素进行了考虑，克服了传统经验的缺陷， 提高了陶瓷辊道窑炉设计的科学性，缩短了陶瓷辊道窑炉设计周期，加快了陶 瓷辊道窑炉现代化的步伐。 关键字：陶瓷辊道窑炉，温度场优化，均匀设计，m p i ，粒子群优化 a b s t r a c t i nt h ec e r a m i ci n d u s t r yt h eb u r n i n gt e c h n i c a li st h ek e yt e c h n i c a l ，a n dt h e t e m p e r a t u r e c o n t r o lm e t h o di st h e k e ym e t h o d i nt h eb u r n i n gr e g i m e t h e o p t i m i z a t i o no ft e m p e r a t u r eu n i f o r m i t yd i s c u s s e di n t h et h e s i sa i mt oe n h a n c et h e p e r f o r m a n c eo fc e r a m i cr o l l e rk i l nv i ac h a n g i n gt h ed e s i g np a r a m e t e r so fc e r a m i c r o l l e rk i l n i nt h ew h o l ep r o c e s sw ew o r kw i t ht h ec o m b i n a t i o no fu n i f o r md e s i g n ， c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i ct o o l sa n dp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ， w h i c hm a k es u r et h a ti ne a c hs t e pw ep e r f o r mt h es c i e n t i f i cw a y t h ec f dc o m p u t a t i o n a ld y n a m i ct o o la r eu s e di nt h et h e s i sf o rt h em o d e l b u i l d i n g ， a n dt h es a m p l e sa r es e l e c t e db yt h eu n i f o r md e s i g n ，a n dt h ec e r a m i cr o l l e r k i l ns t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nd e s i g ni sc a r r i e db yt h ep a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n t h e w h o l ep r o c e s si nt h et h e s i si sl i s t e da sf o l l o w s ： 1 b u i l dt h ec e r a m i cr o l l e rk i l nm o d e l ，g e n e r a t em e s hb yt h ec f dn u m e r i c a l c o m p u t a t i o n a ls o f t w a r e ，c h o o s et h ec o r r e c tt u r b u l e n tf l o wm o d e l ，r a d i a t i o nm o d e l ， c o m b u s t i o nr e a c t i o nm o d e la n do t h e rp a r a m e t e r ss e t t i n g 2 t h eu n i f o r md e s i g nt h e o r yi su s e da st h eb a s i cp r i n c i p l eo fs a m p l es e l e c t i n g m e t h o di nt h et h e s i s t h eu n i f o r n ld e s i g nc a l lr e f l e c tt h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s y s t e m b yt h em e a no fu n i f o r md e s i g nw ec a nl e a r nt h el a ww h i c hi n f l u e n c e st h e m o d e l i n gt h r o u g ht h el i m i t e dn u m b e r so fe x p e r i m e n t sa n da tt h es a m et i m et h i sl a w c a nb et r a n s f o r m e di n t om a t h e m a t i c a lm o d e l 3 t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa r ea n a l y z e db yr e g r e s s i o na n a l y s i s ，t h e nt h er e g r e s s i o n e q u a t i o ni sb a s i c a l l yf i t t e d a tl a s tw ec a r r yo nt h es i g n i f i c a n c et e s tf o rt h er e g r e s s i o n e q u a t i o na n dp a r a m e t e r si nt h ee q u a t i o na n dc u l lt h en o ns i g n i f i c a n tp a r a m e t e ri nt h e r e g r e s s i o ne q u a t i o n ，i nt h i sw a y w em a k et h ee q u a t i o nm o r ec l e a r 4 i nt h eo p t i m i z a t i o na s p e c t ，w ea d o p tt h ep s oa l g o r i t h ma sg l o b a lo p t i m i z a t i o n f i r s to fa l l ，t h ep s oa l g o r i t h ma so n eo fs w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mi sm o r e s u i t a b l ef o rp a r a l l e l i z a t i o n i nt h es e c o n dp l a c et h ep s oa l g o r i t h mi saw e l ld e v e l o p e d a p p r o a c h ，w h i c hh a sav a r i e t yo fi m p l e m e n t a t i o n w ec a nc h a n g ei t sp a r a m e t e rt o e n h a n c ei t sg l o b a lo rl o c a lc a p a b i l i t y w ei m p l e m e n tm p ia st h ep a r a l l e le n v i r o n m e n t o ft h ep a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ，a n dd op r i m a r y p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n o ft h ep a r a l l e la l g o r i t h m t h ei n n o v a t i o ni nt h et h e s i si st h a tw et a k ei n t oc o n s i d e r a t i o no fw h o l ef a c t o r s t h a ti m p a c tt h ec e r a m i cr o l l e rk i l nt e m p e r a t u r eu n i f o r m i t y , a d o p tu n i f o r md e s i g n ， c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i ct o o la n dm o d e mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m i nt h i sw a yw e c a no v e r c o m et h ef a u l to ft r a d i t i o n a lc e r a m i cd e s i g nm e t h o d s ，p r o b a b l ye n h a n c et h e c e r a m i cr o l l e rk i l nd e s i g ns c i e n t i f i cv a l u e ，r e d u c et h ec e r a m i cr o l l e rk i l nd e s i g nc y c l e a n da c c e l e r a t et h ep a c eo fc e r a m i cr o l l e rk i l nm o d e r n i z a t i o ni nt h ec e r a m i c i n d u s t r y k e yw o r d s ：p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ，m a s s a g ep a s s i n gi n t e r f a c e ，u n i f o r m d e s i g n ，c e r a m i cr o l l e rk i l nd e s i g n i u 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：组日期：! 靼 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权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，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部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或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 导师。签名，：j 乏兰垒笙日期： 导师( 签名) ： 4 鱼兰丝 日期： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的及意义 改革开放以来，我国经济飞速速增长，各项建设取得了巨大成就，但是也 付出了很大的资源和环境代价，经济发展与资源环境的矛盾日趋尖锐，人民群 众对环境污染问题反映强烈。这种状况虽然体现在某些地方为了谋求短期的利 益但主要是与国家的经济结构不合理、经济增长方式直接相关。不加快调整结 构、转变增长方式，资源支撑不住，环境容纳不下，社会承受不起，经济发展 难以为继。所以国家要有效控制高耗能、高污染行业过快增长，特别对于电力、 钢铁、有色、建材、石油加工、化工等行业，占了全社会能源消耗和污染排放 的大头。遏制这些高耗能高污染行业过快增长，是推进节能减排工作的当务之 急，也是当前宏观调控的紧迫任务。 近年来，中国陶瓷工业的节能减排问题与国外发达国家相比不但没有缩小， 而且将不断加大，形式不容乐观。就能源利用率来说，与国外陶瓷工业相比， 发达国家的能源利用率均5 0 左右，美国达5 7 ，而我国仅达到2 8 3 0 f 2 】。 目前，国家适时出台燃油税，开征环境税，建立政府节能减排工作问责制和一 票否决制等制度后，各地刮起了节能减排风暴。其中，佛山2 1 6 家能源审计不 合格企业的黑名单中，陶瓷企业竟占了8 4 家1 1 1 ，可见陶瓷企业目前是能源消费 的大户也是污染排放的大户，我们不能只顾及眼前利益要对其进行改革。 在陶瓷的烧制过程中，它的主要工艺包括原料的加工、成形、干燥与烧成4 部分【6 1 。在干燥和烧成工序两道工序中，两者的能耗约占总能耗8 0 。据报导 陶瓷工业能耗中约6 0 用于烧成工序，约2 0 用于干燥工序。就建筑卫生陶瓷 来说，我国与外国仍然存在在一定的差距。就拿日用陶瓷烧成能耗状况来说， 燃煤隧道窑为4 1 8 1 6 5 4 3 6 1k j d 瓷，折算1 4 2 1 8 5 d 标准煤d 瓷，燃油隧道窑为 3 3 4 5 3 4 5 9 9 8k j d 瓷，折算1 1 4 1 5 7 d 标准煤d 瓷，燃气隧道窑为2 9 2 7 1 3 9 7 2 5 l ( j d 瓷，折算1 0 0 1 3 5 d 标准煤d 瓷。然而国外的陶瓷窑炉以气体燃料为主，烧成能 耗为1 2 5 4 5 2 5 0 9 0 l d 瓷，折算o 4 3 0 8 6 d 标准煤d 瓷，陶瓷烧成所需能耗只有 武汉理工大学硕士学位论文 国内的一半左右。我国陶瓷工业产量虽然在世界上遥遥领先，然而上总体存在 能耗高、综合利用率低、生产效率低等问题【2 1 。 我国自然环境的日益恶化正严峻的考验着我国工业的可持续发展，而且对于 陶瓷工业这样的能源消费大户来说，能源的短缺可能更会雪上加霜。在“十一五” 时期，国家将会大力调整工业产业结构、企业结构，全面实施重点节能工程， 以实现在工业领域节能1 亿吨标准煤的目标。对于陶瓷企业来说，它是高能耗、 高污染的企业，所以具有很大的节能潜力。因此，“十一五”节能专项规划 1 l 将对 我国陶瓷行业产生深远的影响，节能减排是陶瓷生产的大势所趋，也是陶瓷工 业可持续发展的重要契机。 1 2 国内外研究现状分析 辊道窑是近几十年发展起来的新型快烧连续式工业窑炉，目前已广泛用于 建筑陶瓷、日用陶瓷、卫生陶瓷工业生产中 3 1 。辊道窑的历史可以追溯到上世 纪初2 0 年代，最初应用于冶金工业，上世纪3 0 年代美国首次将辊道窑用于陶 瓷烤花工序，4 0 年代意大利着手研究将辊道窑用于快烧釉面砖并取得了成功。 上世界六七十年代，国外先进国家己普遍使用辊道窑焙烧建筑瓷砖，技术也已 发展相当成熟。另外，国外还研制出焙烧卫生瓷等大制品的辊道窑以及焙烧日 用瓷的高温辊道窑，并在实际应用中都取得了很大成功。国内的陶瓷辊道窑炉 专家刘振群教授在上世纪8 0 年代初就提出陶瓷辊道窑炉要实现“煤气化、轻体 化、辊道化、自动化”的四化发展方向，辊道窑体现了现代工业窑炉的发展方向。 可见与国外相比辊道窑的应用研究，落后2 0 - 3 0 年。 由于经过不断的陶瓷辊道窑炉技术革新( 见表1 1 ) ，目前国外陶瓷辊道窑炉 t 9 1 普遍采用轻型结构，以此减少炉体的热损失增加窑炉蓄热 9 1 。辊道窑炉内窑 具规格整齐、质量好，使用寿命长，这使得辊道窑具有明显的节能效果。国外 陶瓷制品的素烧与釉烧烧成周期已缩短为5 1 0 小时，而且全都采用天然气明焰 烧成制度，特别是隧道窑与辊道窑，不但已实现机械化与全自动化，而且能保 证质量稳定耗热降低。在烧成周期方面，国外对快烧窑炉进行了充分的研究， 如意大利快速烧成辊道窑炉与德国同样类型的窑炉的烧成时间已缩短到2 小时 以下。通过不断的实践证明，国外陶瓷企业认为快烧窑炉很适宜于瓷砖烧成。 但是一般的日用瓷为保证制品质量，通常不宜采用快速烧成技术，主要是由于 2 武汉理工大学硕士学位论文 温差问题不容易解决，而且快烧窑的使用寿命亦较短等原因。 表1 1 窑炉技术革新几个关键性问题 具有温差小的窑炉结构 具有热损失小的窑墙 合理选用喷嘴 设置有余热回收装置 大范围采用自动控制技术 陶瓷窑炉的温差分为垂直温差与水平温差两种，如果窑炉与辊道垂直包含烧 嘴的截面的宽度大于高度时，那么温差主要表现为水平温差，相反则主要表现 为垂直性上下温差。国外陶瓷辊道窑炉的技术创新工作主要围绕改进窑炉结构， 不断缩小窑内的温差，使烧成制品缺陷尽量减少，加快烧成周期节约能耗。 就墙体材料来说，国外陶瓷企业采用的窑炉墙体材料均己实现全纤维化或 纤维加轻量砖化。目前墙体材料完全能够满足现代陶瓷窑炉高效节能的需求， 陶瓷纤维制品中主要包括棉、毯、毡、叠块、绳、钉栓等。因为陶瓷纤维高效 的隔热，保温效果，使烧成能耗大幅度降低。 喷嘴的设计也是陶瓷窑炉的关键技术，它是将能源转化为热能的工具。国 外使用的喷嘴最先由英国科学家文丘里发明，故称文丘里喷嘴，目前这种喷嘴 在欧洲及日本陶瓷企业已被逐渐淘汰。目前国外一般采用全封闭喷嘴，即喷嘴 内助燃空气不需靠风环从大气中吸入，而是通过机械供给，这样当窑内烧成为 正压时，火苗不会从窑内外冒，不但减少火焰的热辐射损失，而且避免了喷嘴 部件受高温侵蚀而受损伤。 因为应用了新型喷嘴，窑炉内温度更加均匀，制品的烧成周期也缩短到2 2 5 小时，并且改进了由于窑炉内温度不均匀发生的制品中黑芯等缺陷，氧化剂和 燃料费用也减少了一半。现在国外陶瓷烧成已经实现节能、高效、快速烧成。 我国窑炉技术现状，可以说与国外差距甚大【8 4 l 。由于国内较先进的窑炉基 本上靠引进与仿制处于步人后尘的状态，我国窑炉技术尤其是节能技术，应该 走引进与自创相结合的路子，在模仿中逐步加强新型节能窑炉的开发、研制能 力，逐步缩短与西方国家的差距。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 陶瓷辊道窑炉的结构特点 陶瓷辊道窑是一类垂直截面呈狭长形的隧道窑。与窑车隧道窑不同的是，辊 道窑不是利用装载制品的窑车在窑炉中运动，而是利用一根根水平排列、横穿 窑炉工作通道截面的耐高温辊棒组成”辊道”，陶瓷制品放在辊道上，随着辊子的 转动而输送入窑炉内，在窑内完成烧成工艺过程，故称辊道窑。 盔 图1 1 陶 厶l 图1 2 陶瓷辊道窑炉烧成带结构图 对照传统隧道窑，辊道窑按其烧成过程也由三个部分组成，即：预热带、烧 成带、冷却带“1 ( 见图1 1 ) 。这三部分长度比例主要由制品的烧成曲线和窑炉的 经济效益以及产量决定，而且目前只是依据实际经验或是灰色理论。陶瓷辊道 窑断面呈扁矩形，陶瓷制品通常是单层烧制，因此垂直温差较小，此外，因为 辊道上、下同时加热，而且陶瓷制品裸烧，因此窑炉内气体和陶瓷制品传热速 度快，窑炉内断面温度也更加均匀，从而大大缩短了陶瓷制品烧成时间5 ”，实 现了快速烧成。陶瓷辊道窑炉通常应用新式轻型耐高温材质，而且避免使用窑 车和匣钵，通过上面方式热耗太幅度下降。另一方面，因为陶瓷辊道窑炉是中 武汉理工大学硕士学位论文 空窑炉，窑炉内阻力不大，压降也就小，所以窑内正负压都较小，另外窑炉密 封性能较好，比隧道窑降低了漏风，藉此窑内上下、左右温度比隧道窑内温度 更加均匀。目前辊道窑机械化，自动化程度都较高【l 们，这样不但减少了工人的 劳动强度，而且提高了产品质量的稳定，当然也促进了生产效率的提高。 陶瓷辊道窑的窑体主要是由窑墙、窑顶和窑底组成。窑炉内辊道水平面又将 窑内空间分为上、下两个部分( 见图1 2 ) 。辊道以上的空间一般称为工作区，对 工作区的温度控制是烧成制度中的核心技术，它对陶瓷制品最终的烧制质量有 着很重要的作用 5 1 。由于制陶瓷品中的很多关键物理化学反应全在这一温度区 间发生，所以烧成带内烟气温度、压力等设计参数的设计失当将会使陶瓷制品 在烧成过程中产生很多烧制缺陷。此外，由整体烧制能耗方面来看，因为烧嘴 安装在烧成带，而且工作区就存在于烧成带下方，由此如何控制这一带温度等 热工参数，是陶瓷辊道窑炉烧成热工技术的设计的关键。由窑墙结构方面来看， 高温带工作面由轻质高铝砖或高温耐火纤维制品构成，外层常按照类型各异保 温层配备适合的硅酸铝耐火纤维板。通常在窑炉墙体的表面覆盖钢薄板，一则 面起到保护窑面及装饰作用，另一方面可以减少窑墙的辐射散热。 由于陶瓷辊道窑炉烧成带的结构对陶瓷制品的烧成有着深刻的影响 4 1 ，如 何设计陶瓷辊道窑炉的结构，来提高效益的同时降低污染以及如何积极探索影 响陶瓷辊道窑炉烧成制度中的影响因素之间的相互关系从而对陶瓷辊道窑炉的 结构或者建设进行指导，将会起到事半功倍的作用。 1 4 课题研究的内容 陶瓷滚到窑的结构优化设计是一个复杂设计优化和试验过程1 3 3 1 ，它包括温 度场的均匀性、燃烧效率于经济性以及污染物的排放，整个优化过程是一个多 目标优化，它是一个结合计算流体力学和多目标优化的复杂的过程。窑炉结构 优化的目标是通过改变窑炉设计的参数( 如窑炉的三维结构参数，喷嘴的位置参 数、在生产成本和环境不降低的情况下找到适合于陶瓷辊道窑炉的更好性能的设 计参数( p a r e t os e t 4 2 1 ) ，使得陶瓷辊道窑炉的生产满足可持续性发展的需要。在陶 瓷辊道窑炉的建模优化整个过程中采用了模型建立优化再设计三个阶段的方 法，在每个阶段中论文都采用的合适的方法来使得陶瓷辊道窑炉的仿真更切实 际。整个过程如图1 3 所示。 5 武汉理工大学硕士学位论文 图1 3 陶瓷辊道窑炉整体优化框架 就温度场的均匀性来说，主要要求陶瓷辊道窑炉的烧成带的工作区能够达 到，烧制陶瓷所要求的温度，例如在1 1 0 0 摄氏度到1 2 0 0 摄氏度之间 9 1 。 陶瓷辊道窑炉的设计结构和陶瓷辊道窑炉富氧燃烧技术氧气所占比例都会 影响陶瓷辊道窑炉的经济性。随着陶瓷辊道窑炉内高度的增加，单位制品的热 耗和窑炉墙壁散热的量也会增加；随着窑炉内部宽度的增加单位产品的热耗和 窑炉墙壁的散热会减少，计算窑炉窑炉结构，逐步减少各个断面的温差，可以 达到节约能耗的目的。同时对于空气中氧气含量大于2 1 的燃烧技术来说，增 加氧气的浓度能降低点燃点的温度，火焰温度随着燃烧空气中氧气的浓度增加 而快速增加，但是氧气含量达到一定浓度之后，温度增加则比较缓慢。所以更 好的利用富氧燃烧技术选取过剩空气系数和燃烧空气中氧气的浓度，可以达到 最佳的使用效果。 在富氧燃烧的情况下，氮氧化物的生成量与其高温燃烧是相当难协调的， 在氧气浓度大于3 0 的富氧火焰中，总的氮氧化物的产生来源于高温区的n o 的生成，因此降低火焰温度是有效控制氮氧化物产生的关键。同时氮氧化物的 生成是富氧中氧气的浓度有关，当氧气达到6 5 时，产生的氮氧化的比例最高， 所以调整窑炉结构控制氮氧化物的产生也是窑炉的设计目标之一1 1 - 孙。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章陶瓷辊道窑炉仿真模型的建立 在陶瓷辊道窑炉仿真模型的建立过程中，首先要考虑的是计算流体动力学 工具的选取。计算流体动力学( c f o ) t 1 2 1 是用来指导流体、热传导、化学反应以 及相关的由质量守恒、能量守恒和动量守恒数值方程相关的物理现象。用c f d 对物理现象进行分析可以得到物理过程的整个细节，可以分析物理过程中产生 的问题，并进行解决或决定是否从新设计。c f d 与模拟分析实验或是相关的实 验测试息息相关，而且可以方便实验设计或是数据的获取。在c f d 计算流体动 力学工具中，根据论文中所做的仿真试验，论文可以粗略的将它们分为，c d f 前 处理模块c d f 分析计算模块和c f d 后处理模块 数值计算方法【1 1 l 的日趋完善，为流体流动传热研究提供了更加强有力的工 具，由此有人把数字模拟法应用到陶瓷窑热工研究域，促进了窑炉热工理论研 究方法的进步。日本学者首先用数字模拟法建立了辊道窑预热带的数学模型， 为窑炉热工数值模拟的研究奠定了基础。前苏联学者使用数值法探索了隧道窑 的窑墙传热、热工参数、推车速度和加热制度等。英国和德国学者针对隧道窑 进行了计算机数字模拟研究。国内学者对制品温度和窑内气体度场进行了数字 模拟研究。有学者采用有限差分法与有限单元法建立制品升温率数学模型，对 制品升温速率和温度均匀性作了探讨。虽然陶瓷辊道窑炉内的复杂热工系统使 得c f d 技术的应用举步维艰，但应用数值模拟方法建立数学模型是陶瓷辊道窑 炉热工研究最为有效的方法。 2 1 c f d 数值计算模块 2 1 1 f l u e n t 软件包功能原理 f l u e n t 1 5 1 是目前国际上非常流行的商用c f d 软件包，它拥有非常丰富的 物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、 石油天然气、涡轮机设计等领域都有着广泛的应用。f l u e n t 的主要的工作原 理是基于有限元的卷积方法： 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 h 巴原始的计算空间离散化为一组有限的控制卷，控制单元( 见图2 1 ) a ( 2 ) 整体的如质量守恒、动量守恒、能量守恒和物质的量守恒的方程在 这个有限的控制卷内进行计算。 盼缈+ p w 州“7 ， 暂态方程对流方程扩散方程 生成方程 ( 3 ) 偏微分方程被离散化为一组代数方程。 ( 4 ) 所有的代数方程然后被数值计算求解，并提供给求解区域。 鳜 图2 1 管道中的流体区域被离散化为一组有限的控制卷，网格 在有限元计算中每个迁移方程( 偏微分方程) 被离散化成代数形式，对于网格 p ，如下式： 虹世肌荟一竹_ 4 ：荟r ，( v 札4 娜r 麓捆 图2 2 离散的网格 离散化的方程需要网格所有面和中心的信息c 见图2 2 ) ( 1 ) 区域数据( 材料的属性、速度等信息) 被存储在网格中心 ( 2 ) 面的值按照本地和邻接的网格值进行内插值替换。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 计算的准确性取决于计算网格的大小。 被离散化的方程可以很容易的解释为 + 善a 。( 2 - 3 ) 即是在区域中每个控制域网格中的方程产生的一个方程组。 2 1 2 c f d 前处理模块 前处理模块主要是用来建立仿真模型，它们的功能主要有两部分内容：实 体建模和网格划分，这个功能主要在h y p e rm e s h 软件包中实现。此外由于仿真 的过程涉及到化学反应过程，所以要在前处理过程中加入p r e p d f ，用来更加真 实的模拟燃烧过程。 虽绕g a m b i t i ”j 是专用的c f d 前置处理器，但是论文在仿真过程中考虑到 考虑到后期接口的良好性和高效性，以及在建模过程中很有必要建立混合型网 格模型，所以采用h y p e rm e s h 作为c f d 的前处理模块。 h y p e rm e s h 1 2 l 是一个高效的有限元前处理器，考虑到陶瓷辊道窑炉结构的相 对复杂性，特别是烧嘴和窑体接触的结构复杂，采用六面体非结构网格划分； 其他区域几何形状比较规则，生成六面体结构化网格。 2 1 3 c f d 后处理模块 t e c p l o t 卅在陶瓷辊道窑炉仿真建模中被选为f l u e n t 的后处理软件具有强 大的视觉处理能力，可以将电脑计算后的资料进行视觉化处理，便于更形象化 地分析一些科学数据，它是一种传达分析结果功能最强大的视觉化软件。t e c p l o t 可以用做建立一个图形，二维数据的等高线和矢量图块。使用t e c p l o t 可以很容 易地在一页上建立图形和图块或者对它们进行定位。每一个图形都是在一个文 本框中，而这些框架可以被复制再修改，这就会很容易地对一个数据集显示其 不同的视图。此外f l u e n t 与t e c p l o t 之间的接口相当便利，在f l u e n t 计算 完毕之后就可以在t e c p l o t 中快速的进行处理。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 陶瓷辊道窑炉的仿真模型建立 2 2 1 几何模型的建立 z 2 11 陶瓷辊道窑炉烧成带结构特点 在陶瓷辊道窑炉的仿真实验过程中，论文主要研究了陶瓷辊道窑炉的烧成 带的模型，所以在论文中也主要对陶瓷辊道窑炉的烧成带的结构和仿真进行研 究，胸瓷辊道窑炉烧成带实物如图2 3 所示。 图2 3 陶瓷辊道窑炉的烧成带截面 在陶瓷辊道窑炉的仿真模型建立过程中，论文忽略了窑炉顶和底以及其他 部位的厚度。在所建立的燃烧带仿真模型中，仿真模型的尺寸太小等于实际窑 炉结构中工作区的尺寸大小，在忽略了次要因素的情况下，建立仿真模型比较 方便同时也较切合实际。 22 12 陶瓷辊道窑炉的同格划分 由于窑体的结构是六面体结构，烧嘴的结构是柱体结构，所以可以把几何 模型分为两部分，一部分是窑体，另一部分是烧嘴。 由于窑体是六面体结构，整个区域几何形状比较规则，并且结构相对简单， 相当容易产生结构化网格，由此这一部分网格单元划分拟用结构化六面体网格 划分，因为烧嘴和窑体接触地方的结构相对比较复杂，拟用六面体非结构网格 划分。初步建立的模型的基本参数如下： ( 1 伥宽x 高= 3 0 0 0 x 1 3 4 0 x 1 0 1 5 ； ( 2 婉嘴尺寸：大圆柱半径r = 6 0 ，睦度h = 1 0 0 小圆柱半径r = 3 0 ，长度h = 5 0 ； 2 对烧嘴，4 个烧嘴位置的圆心坐标分别为( 1 0 0 0 ，2 5 0 ，0 ) ( 2 0 0 0 ，7 6 5 ，0 ) ( i 0 0 0 ，7 6 5 ，1 3 4 0 ) ( 2 0 0 0 ，2 5 0 ，1 3 4 0 ) ： 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 辊子数量4 2 根，半径2 5 m m ，辊子间相距7 0 m m ，两侧的辊子距离窑体 4 0 m m g ( 4 ) 单元数3 8 2 0 9 7 节点数6 9 3 5 3 ； 当陶瓷辊道窑炉仿真模型几何外形比较复杂或者流动的长度尺度太大时， 三角形网格和四面体网格所生成的单元会比等量的包含四边形网格和六面体网 格的单元少很多。这主要是因为三角形网格和四面体网格许可单元聚集在流域 的所选区域，然则四边形网格和六将面体网格会在不必要加密的地方产生单元。 非结构的四边形网格和六面体网格对于普通外形提供了许多三角形和四面体网 格的所不具备的优点。四边形和六边形单元的第二个特点是它们在某些情况下 可允许比三角形四面体单元较大的比率。三角形四面体单元的大比率很多时候 会影响单元的歪斜。因此，假如有相对比较简单的几何外形，而且流动和几何 外形很符合，例如长管，就可以使用大比率的四边形和六边形单元。 仿真模型的主要的误差来源就是数值耗散也被称为虚假耗散，虚假耗散在 结构化网格中对于求解数学模型的精度产生很大的影响，在一般情况下，具有 比较规则网格模型产生的虚假耗散对于求解精度影响相对较小。 2 2 2 数学模型的建立 2 2 2 1 湍流基本模型 在自然环境和工程计算中流体的流动常常是湍流流动【1 1 1 。模拟任何实际过 程首先遇到的就是流体的湍流问题。流体流动要受到物理守恒定律的支配，基 本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。如果流动 包含有不同成分的混合或相互作用，系统还要遵守组分守恒定律。如果流动处 于湍流状态，系统还要遵守附加的湍流输运方程。 对于均匀的湍流问题，可以用经典的统计理论进行分析研究f 1 2 l 。然而实际 上的湍流是不均匀的，所以湍流的工程计算是比较困难的。目前对湍流最根本 的模拟方法是在湍流尺度的网格尺寸内求解瞬态三维n s 方程的全模拟，这时 候不必引入任何模型，不过这是目前计算机容量及速度尚难以解决的问题，至 少在近期不容易实现。论文按照国内外不少学者的看法，采用目前可以用于工 程的现实模拟方法，即是由r e y n o l d s 时均方程出发的模拟方法，这就是常说的“湍 流模型”。这种方法基本点是利用某些模拟假设，将r e y n o l d s 时均方程或者湍 流特征量的输运方程中高阶的未知关联项用低阶关联项或者时均量来表达，因 武汉理工大学硕士学位论文 而使r e y n o l d s 时均方程封闭。这主要是由于工程中主要计算目标的往往是时均 速度场、温度场、湍流脉动时均特性等，并不需要知道湍流产生及发展的细节， 因此，并不需要过细的模拟。所以说，湍流模型的方法是目前处理工程问题中 最有效而且最有希望的方法。 在实际的工程应用中常用的湍流模型、各种湍流模型的使用条件也不同( 见 表2 1 ) 。标准的k s 模型作为一种应用最为广泛的一种模型是f l u e n t 工程流 场计算中的主要的工具，标准的k - e 模型适用范围广、经济、精度高。它是个半 经验的公式，是从实验现象中总结出来的，它对有较大压力梯度、分离、大流 线弯曲的计算结果较差，但是对陶瓷辊道窑炉来说可以做为默认或是首选的基 本湍流模型。 表2 1 不同的湍流模型分类 模型说明 s - a 是直接求解湍动粘度的单方程模型，设计用于航空领域的，主要 是具有良好近壁的网格的墙壁束缚流动，f l u e n t 可以使用较为 粗糙的网格。k 值中包含应变率应变率选项功能改善对涡流的预 测效果。 标准k g求解k 和占的两方程模型，是缺省的k s 模型，系数都是有经验 确定，只对充分发展的湍流有效，粘性加热、浮力、可压缩的选 项和其他的k 模型相同 r n g k 是标准的k 模型的变体，方程和系数都是分析所得，和标准 k - 模型相比，由于方程的改变提高了对高应力变率流动的模 拟能力，附加选项有助于预测螺旋流和低雷诺数的流动 r e a l i z a b l ek - 是标准的k e 模型的变体，r e l i a b i l i t y 源于某些改变，而这些改变 允许遵循某些数学约束，最终提高了该模型的性能 标准k 是求解k 和缈的两方程模型，是基于w f l c o x 耗散比。缺省的k 国 模型对墙壁束缚流动和低雷诺流动显示出良好性能。 s s t k ， 是标准k o j 的，综合了原始的w i l c o x ( 用于近壁区) 和标准 k 一( 用于远避区) 。 雷诺效应是直接使用输运方程求解雷诺应力，避免其它模型的各向同性粘 度的假设。适用与高螺旋流动，二次压力力选项提高了许多基本 剪切力流动的性能 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 2 燃烧反应模型 有化学反应的湍流是一个相当复杂的现象，其中的速度、温度、压力、密 度和化学组分的浓度等都有很大的脉动1 1 6 l ，用概率密度函数( p r o b a b i l i t yd e n s i t y f u n c t i o n ，简称p d f ) 的方法来解决有化学反应的湍流问题是一个既相对简单又直 接的途径，该方法在解决湍流燃烧的问题中得到了最广泛的应用。在f l u e n t 中常用的燃烧反应模型如下。 ( 1 ) g e n e r a l i z e df i n i t e r a t em o d e l ( 通用有限速率模型) ( 2 ) n o n p r e m i x e dc o m b u s t i o nm o d e l ( 非预混燃烧模型) ( 3 ) p r e m i x e dc o m b u s t i o nm o d e l ( 预混燃烧模型) ( 4 ) p a r t i a u yp r e m i x e dc o m b u s t i o nm o d e l ( 部分预混燃烧模型) ( 5 ) c o m p o s i t i o np d ft r a n s p o r tc o m b u s t i o nm o d e l ( 组分概率密度输运燃 烧模型) 由于陶瓷辊道窑炉的燃烧过程涉及到化学反应而且所有反应物都均匀混合 在一起的情况，所以采用预混燃烧模型。 2 2 2 3 辐射模型 气体燃料在辊道窑内燃烧，除了热传递之外还有辐射传热相关，辐射传热 在整个能量传递过程中起到了非常大的作用，针对有吸收、发射、散射性质的 介质，辐射传播方程与光学厚度、散射与发射率、颗粒效应、半透明介质与镜 面边界、非灰体辐射、局部热源、封闭腔体内没有辐射介质时的辐射传热和外 部辐射等因素有关。辐射传播方程能够应用的典型场合包括： ( 1 ) 火焰辐射； ( 2 ) 表面辐射换热； ( 3 ) 导热、对流与辐射的结合问题； ( 4 ) h v a c ( h e a t i n gv e n t i l a t i n ga n d a i rc o n d i t i o n i n g s ，采暖、通风和空调 工业) 中通过开口的辐射换热以及汽车工业中车厢的传热分析； ( 5 ) 玻璃加工、玻璃纤维拉拔过程以及陶瓷工业中的辐射传热； 在f l u e n t 分析计算中，可以选在的模型主要有以下几种： ( 1 ) d i s c r e t et r a n s f e rr a d i a t i o nm o d e l ( d t r m ) ( 2 ) p 一1m o d e l ( 3 ) n er o s s e l a n dm o d e l ( 4 ) d i s c r e t eo r d i n a t e s ( d o ) m o d e l 武汉理工大学硬士学位论文 ( 5 ) s 2 sm o d e l 在上面模型中，d o 模型是所有四种模型是最为复杂的辐射模型，从小尺度 到大尺度辐射计算都适用，且可计算非灰度辐射和散射效应，但需要较大计算 量，虽然d o 模型计算量比较大，但由于在上面的模型中，d o 模型最符合陶瓷 辊道窑炉仿真模型的建立，所以论文在建模过程中选用d o 模型。 22 2 4 速度压力耦合 在使用分离求解器时，可以选择三种压强一速度的关联形式，即s i m p l e 、 s i m p l e c 和p i s o 。s i m p l e 和s i m p l e c 通常用于定常流计算，p i s o 用于非 定常计算。f l u e n t 缺省设定的格式为s i m p l e 格式，但是由于s i m p l e c 稳 定性较好，在计算中可以把亚松弛因子适当放大，所以在很多情况下可以考虑 选用s i m p l e c 。s i m p l e c 相比s i m p l e 通常收敛更快，并且可以使用较大的 松弛因子。但是相对比较复杂的湍流或者附加物理方程的计算，s i m p l e c 与 s m t p l e 基本没有区别，所以仿真模型在f l u e n t 中设置速度压力耦合选项中 论文采用s i m p l e c 分离求解器。 2 3 初步的模拟结果 按照论文本章2 2 1 2 节的基本参数对陶瓷辊道窑炉初步建立窑炉的仿真模 型，并进行网格划分( 见图24 ) 。通过选择适当的湍流模型、辐射模型和燃烧模 型以及其他参数，经过f l u f 2 q t 进行计算后，可以得到温度场仿真的初步结果， 并查看了烧嘴所在水平面( 见图2 5 ) 和竖直面( 见图2 6 ) 的温度场。 图2 4 烧嘴、窑体和辊道的网格划分 武汉理工大学硕士学位论文 图2 5 烧嘴所在的水平面的温度场 图2 6 烧嘴所在的竖直面的温度场 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章温度场的均匀性分析与试验设计 3 1 均匀设计概述 我们在论文中采用的均匀设计是一种试验设计方法，称为均匀设计或均匀 设计试验法【1 7 1 。几乎所有的试验设计方法z 在本质上全都是在试验的范围内找 出代表性点的方法，因此均匀设计也不例外，它是只考察设计设计试验点在试 验范围内均匀散布的一种试验设计方法。均匀设计由方开泰教授和数学家王元 在1 9 7 8 年一起提出，它是数论方法中的“伪蒙特卡罗方法”的一个应用。 均匀设计遵守和具备试验设计方法的共同性质及本质内容，它能够从整体 试验点中选出部分的具有代表性的试验点，这部分被挑选出的试验点在所设计 试验范围内充分均匀分散，但是仍然能够反映整体的主要特征。比如说正交设 计是按照正交性来考察代表点的，它在考察代表点的时候有两个特点：均匀分 散，整齐可比。“均匀分散”是的设计试验点均匀地布在试验范围内