（机械设计及理论专业论文）陶瓷辊道窑高温带流场的数值模拟研究.pdf

武汉理工人学硕十学位论文 中文摘要 陶瓷窑炉的设计和操作水平直接影n 向着制品的烧成质量和能耗，为达到 “优质、高产、低消耗”的优化目标，开展陶瓷窑炉内流场的数字模拟研究 具有理论和实用意义。但是由于影响陶瓷窑炉生产过程的因素十分复杂，对 其进行完令的工程实验研究十分困难。而然，随着计算机技术的发展，以计 算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 为基础的数值模拟力 法却使之成为t 叮能。其耗费省，速度快、效率高，并能在一定条仲下模拟真 实条件和理想条件。 本文利用计算流体力学商业软件f i u e n t 对陶瓷辊道窑商温带的流场进 行了研究。数值模拟技术可以节约大量的成木，克服实际测量的局限性。因 此，本文 要的研究内容如f ： ( 1 ) 对f l u e n t 软件进行了较为系统的探索，包括其理论基础、方稃求 解方法及其功能与使用方法等。以流场问题为突破口，通过剖析和研究，对 f 【u e n t 所能解决的工程实际问题有了较为全面的了解。同时积累了大量的计 算网格划分、数值求解模型的选用、数值求解策略等方面的经验和技能，也对 c f d 基本理论和算法方面也有了较为充分的了解和掌握。 ( 2 ) 研究了陶瓷辊道窑高温带的窑体结构，根据其单节实际的尺寸建立 了i 维模础。在此基础上了解了窑内的流场空间，并建立了流场空间模型， 结合其具体外形结构及数值求解对网格的要求，确定，网格生成的方案，并 生成了高质量的计算网格。 ( 3 ) 在剖析f l u e n 软件和对实际情况计算和分析的基石j f ：上，对陶瓷辊 道窑高温带三维流场进行了系统深入的研究，按照数值求解不可压缩湍流流 动问题的边界条件确定系统的入 1 边界条件类型为速度入l i ，系统出口的边 界条件类型为压力出l | ，其余边界条件类犁均为固壁。 ( 4 ) 通过分析工程中用于求解不可压缩湍流问题常用的湍流模型的使用 范围及特点，确定选用k - 6 模型作为计算的湍流模型，同时确定了湍流运动微 分方程组的差分方案及数值求解算法，井研究了一套提高求解稳定。降及加速收敛 的具体措施。 ( 5 ) 通过数值模拟，得到了窑内流场的基本结构、分布特点、分布规律 及其对窑炉- 眭能的影响，研究1 i 同入口速度及有烟气流动等因素对窑炉内流 场的影响，对陶瓷辊道窑炉的设计和陶瓷生产起了一定的指导作用。 关键字：陶瓷辊道窑，高温带，数值模拟，c f d 武汉理上人学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c ta n dt h eh e a tc o n s u m p t i o na r ed i r e c t l ya f f e c t e db yt h e d e s i g na n dt h eo p e r a t i o nl e v e lo ft h ec e r a m i ck i l n s i no r d e rt oa c c o m p l i s ht h et a r g e t o fo p t i m u mq u a l i t y , h i g hq u a n t i t ya n dl o wh e a tc o n s u m p t i o n ，i ti sm e a n i n g f u la c t u a l l y a n dt h e o r e t i c a l l yt oc a r r yo u tt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d yo ff l u i dp r o c e s si n c e r a m i ck i l n sh o w e v e r i ti sv e r yd i f f i c u l tt or e s e a r c ho nc e r a m i ck i l nw i t h e x p e r i m e n t so t v a r i o u sf a c t o r s b u tw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，t h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o db a s e do i lc f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) m a k e si t p o s s i b l e i tc a l ls i m u l a t ea c t u a la n dv i s u a lc o n d i t i o n sw i t hl o wc o s t ，l a s ts p e e da n d i l i g he f f n c i e n c y i nt h i sp a p e r ，c o m m e r c i a lc f ds o f t w a r ef l u e n ti su s e dt os t u d yt h ef l o w f i e l do ft h ef i r i n gz o n ew i t hr o l l e rk i l l l n u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a ns a v ec o s ta n d o v e rc o m et h er e s t r i c t i o nd u r i n ga c t u a lm e a s u r e t h e r e f o r e ，t h es t u d yc o n t e n t sa r e a sf o l l o w s ： ( 1 ) f l u e n ti ss y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d ，i n c l u d i n gt h eb a s i st h e o r y ，s o l v i n g m e t h o d so fe q u a t i o n s ，b a s i cf u n c t i o n sa n du s i n gm e t h o d s a sp r o c e s so fs t u d y i n g ， t h ef l u i dp r o b l e mi sr e s e a r c h e da n dt h r o u g ha n a l y s i s ，t h ep r o b i e m sw h i c hc a nb e s o l v e db yf l u e n ta r er e c o g n i z e da n dm a s t e r e d m e a n w h i l e ，m a n ye x p e r i e n c e so f g e n e r a t i n gc a l c u l a t i o nm e s h ，c h o i c eo ft u r b u l e n tf l o wm o d e l s ，t a c t i c so fs o l v i n gt h e t u r b u l e n tf l o wm o v e m e n td i f f e r e n c ee q u a t i o n sn u m e r i c a l l ya n dt h el i k eh a v eb e e n a c c u m u l a t e d b a s i ct h e o r i e sa n da l g o r i t h m so fc f dh a v ea l s ob e e nb e t t e ru n d e r s t o o d a n dg a s p e d f 2 1t h ek i l ns t r u c t u r eo ff i r i n gz o n ew i t hr o l l e rk i l ni ss t u d i e da n d t h r e e 。d i m e n s i o n a lm o d e li se s t a b l i s h e d b a s eo nt h i s t h ef l u i ds p a c ei ss t u d i e da n d t h es p a c em o d e li se s t a b l i s h e dc o m b i n i n gt h es t r u c t u r ea n dr e q u i r e m e n tf o rm e s h b yn u m e r i c a ls o l v c ，m e s hg e n e r a t i o ns c h e m ei s d e c i d e da n dh i g hq u a l i t ym e s h s t r u c t u r ei sg e n e r a t e d ( 3 ) b ya n a l y z i n g t h ef l u e n ts o , w a r ea n da c t u a l c o n d i t i o n s ，t h e t h r e e d i m e n s i o n a lf l u i ds p a c eo ff i r i n gz o n ew i t ht h er o l l e rk i l ni sd e e p l ys t u d i e d t h e b o u n d a r yc o n d i t i o n so fi n l e t s m - , do u t l e t sa r er e s p e c t i v e l ys e ta sp r e s s u r ei n l e t ， p r e s s u r eo u t l e t ，a n dt h o s eo ft h er e s i d u a lp a r t sa r es e ta ss o l i dw a l la c c o r d i n gt ot h e b o u n d a r yc o n d i t i o n so fn u m e r i c a ls o l u t i o nt oi n c o m p r e s s i b l et u r b u l e n tf l o w ( 4 ) b yo v e r a l la n a l y s i so ft h et u r b u l e n tm o d e l st h a ta r ec o m m o n l yu s e d i n e n g i n e e r i n g t on u m e r i c a l l ys o l v ei n c o m p r e s s i b l et u r b u l e n tf l o w , k - cm o d e li sc h o s e n t oc l o s et h et u r b u l e n tf l o wm o v e m e n td i f f e r e n c ee q u a t i o n sg r o u p ，a n di no r d e rt o n u m e r i c a l l y s o l v et h ed i f f e r e n c ee q u a t i o n s g r o u p ，t h e d i f f e r e n c es c h e m ea n d 武汉理上大学硕l 学位论文 a l g o r i t h ma r ea l s os p e c i f i e d ，as u i to fc o n c r e t em e a s u r eo fi m p r o v i n gt h es o l u t i o n i n s t a b i l i t ya n ds p e e d i n gc o n v e r g e n c eh a sb e e nm a d eb ys t u d y i n gt h en u m e r i c a l s o l u t i o np r o c e s s ( 5 ) t h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，s t r u c t u r eo ft h ef l o wf i e l d ，d i s t r i b u t i o nf e a t u r e a n dt h ei m p a c tt ot h ek i l na r es t u d i e d c o n s i d e r i n gf a c t o r so fd i f f e r e n ti n l e tv e l o c i t i e s a n df u i ds p e e do ft h ef l u eg a s ，t h ed i s t r i b u t i o nc o n d i t i o ni sr e v e a l e d ，t h ed e s i g no f c e r a m i ck i l ni sa l s og u i d e d k e yw o r d s ：r o i e rk i l n ，f i r i n gz o n e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，c f d 武汉珲工大学硕士学位论义 第1 章绪论 1 1 研究的目的和意义 能源是人类发展的基础，而其贮存量是有限的，从某种意义上讲，拥有r 能 源也就拥有了未来和希望。1 _ 业在向人类提供财富的同叫，消耗了人量的能源， 把日趋严重的能源危机摆在人类面前，如何高效开发和利用能源成了人类重点研 究和探讨的q 题。 随着我国经济的高速发展，人们对建筑陶瓷的需求日益增加以及对产晶质 量、品种等的要求越来越高，其生产过程管理水平和工艺过程技术含量也不断提 高。目前，陶瓷制品的生产过程一般由制粉料和成型烧成两大部分组成，而成型 烧成生产线对产品的品种规格、尺、j 、颜色的质量起着非常关键的作用。在常见 的陶瓷墙地砖生产中，粉料由压机压制成坯体经过输送进入烘干窑烘丁水分，然 后经过施釉线进行施釉和色彩处理进入辊道窑，在辊道窑内根据工艺配方要求的 烧成曲线烧成需要的陶瓷产品。陶瓷坯体在窑炉烧成过程中包括坯体的物理化学 变化过程、运动过程，气体流动过程，燃料燃烧对坏体加热煅烧过程和传热过程 等。f 1 】 然而，在建材工业中陶瓷生产是我国的耗能大户之一，而窑炉又是陶瓷产品 生产巾最主要的耗能设备，约占总耗能的8 0 9 0 。由丁国际市场能源的需求不 断加大，能源的价格不断攀升供应不断紧张，研究和分析窑炉的热工过程及其性 能的规律性，减少热量损失，从而达到陶瓷生产优质，高产，低消耗的目的，已 成为重大课题。 陶瓷窑炉的热i ：过程是传热，燃烧，气体流动在烧制陶瓷过程中的综合作用， 影响因素有很多，有窑炉结构，燃料性质燃烧，供热能力分配及气体流动等。【2 j 如果用实验的方式一一对其进行研究，工作量可想而知，而且，在实际过稃中， 由于仪器设备的限制，窑炉的许多参数的测量准确度难度很大。 随着计算机技术的发展，利用计算机对。j ，程问题进彳j 数值模拟自七十年代以 来取得了重大发展，已广泛应用于军事，核工业，冶金，化工和环保等行业，并 已开发出教育版，商业版软件，逐步由用于解决专门问题的软件向高度复杂与精 细的，能计算大部分流动与传热问题的通用化软件包方向发展。这些软件在经济 性、可靠性与适应性方面均获得了相当的成功，同时具备速度快，可以模拟真实 条件和理想条件的特点。因此，通过建市理论与实践相结合的数学模型，在计算 机的帮助下，能够很好地模拟窑炉在烧成过程中的各种工况，快速分析，为窑炉 武汉理上大学硕士学位论文 的优化操作和设计提供理沦依据。 基于匕述凶素，本文拟建立数学模型，开发大型通用软件f l u e n t 的应用 功能，并对陶瓷辊道窑内流场和热工特点进行研究，为陶瓷生广过程和设计提供 较佳参数，进一步推动c f d 技术在陶瓷行业中的应用。 1 2 陶瓷辊道窑炉 1 2 1 陶瓷辊道窑炉简介 生产陶瓷的一个重要工序是烧成工艺，烧成【? 艺是通过窑炉实现的。陶瓷烧 成t ，2 技术的提高和发展需要窑炉来实现，而窑炉设备的技术改进又必然促进陶 瓷烧成技术的发展。每一个窑炉结构突变时期也都是陶瓷生产发展的飞跃阶段。 我国陶瓷工业有史已久，在窑炉方面叮以追溯到商朝以前的穴窑，商州出现圆窑 和方窑，战国时南方出现了下通风馒头窑和水平焰龙窑，南宋以来出现阶梯窑和 景德镇窑口i ，到了现代则有r 隧道窑、辊道窑等各式各样的窑炉，但从陶瓷窑炉 的操作方法上却可以分为连续式和间歇式两大类。本文主要研究连续式窑炉中的 辊道窑。 辊道窑是近几十年发展起来的新犁快烧连续式r 业窑炉，目前已广泛用于建 筑陶瓷、日用陶瓷、卫生陶瓷t 业生产中。我国陶瓷窑炉专家刘振群教授早在上 壮纪8 0 年代初就指出陶瓷窑炉要“煤气化、轻体化、辊道化、自动化”的四化 发展方向，辊道窑代表了现代工业窑炉的发展方向。辊道窑出现于本世纪初2 0 年代，最初足应用于冶金工业；3 0 年代美国首先将辊道窑试验用t ：陶瓷烤花工 序；4 0 年代意大利开始研究将辊道窑用于快烧釉面砖并取得了成功。六七t 年 代，国外先进国家已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。 我国起步较晚，7 0 年代才开始在陶瓷工、研究推广应用辊道窑。由于当时 幽内保温材料的材质较筹。陶瓷辊棒的长度较短等原因，主要还是运用在日用瓷 烤花卜。1 9 7 3 年沈阳陶瓷厂首先试验成功辊道窑焙烧釉面砖；1 9 7 4 年山西省闻 喜县陶瓷厂建成我国第一条煤烧日用瓷烤花辊道窑；同年，辽宁省海成县陶瓷阴 ，建成我国第一条油烧口用瓷烤花辊道窑。虽然我国辊道窑起步晚，但发展迅猛。 随着我国改革开放的进程，方面国内大量的基本建设对各种建筑瓷砖的需求， 提供了极大的市场；另一方面，8 0 年代初广东石湾等地先后从国外弓 进辊道窑 及其生产技术。这两方面的因素不仅极大地推动了我国墙地砖等建筑陶瓷上业的 武汉理t 大学硕士学位论文 发展，造就了许多个建陶基地，而且也极大地推动r 我国建陶i q k 辊道窑的发展。 辊道窑是一种截面旱狭长彤的隧道窑，与窑牟隧道窑小同，它不是用装载制 品的窑牟运动，而是由一根根平行排列、横穿窑工作通道截面的高温辊棒组成“辊 道”，制品放存辊道卜，随着辊子的转动而输送入窑，存窑内完成烧成丁艺过程， 故称辊道窑。 辊道窑可以按使用燃烧结构分类，也f 日按加热方式分类，还可以按通道多少 来分类。1 3 i - - 般对建陶工、l p 辊道窑结合燃料与加热方式分类。t 要有以下几种： ( 1 ) 明焰辊道窑 火焰进入辊道卜下空间，与制品接触并直接加热制品。气烧明焰辊道窑的常 用气体燃料有：天然t 、发生炉煤气、石油液化气等，要求煤气是洁净的。烧轻 柴油明焰辊道窑使用的足供油系统代替供气系统，较为简单。 ( 2 ) 隔焰辊道窑 火焰一股只进入与窑道隔离的马弗道巾，通过隔焰板将热量辐射给制品并对 其进行加热。其中煤烧隔焰辊道窑是指煤在火箱中燃烧，火焰进入辊道卜的隔焰 道( 马弗道) 内，间接j 日热制品。而油烧隔焰辊道窑是以重油或渣油为燃料，火 焰般也是进入窑道下的马弗道中，间接加热制品。 ( 3 ) 电热辊道窑 以安装在辊道卜卜的电热元件( 硅碳棒或电热幺幺) 作热源，对制品辐射加热。 适用于电力资源丰富的厂家或小型辊道窑。 在上述几种类型的辊道窑中，由于明焰辊道窑的燃烧产物直接与制品接触， 对提高传热效率、均匀窑内断面温度场、节能等都是有利的，代表了辊道窑的主 流。 辊道窑机械化、自动化程度高，小仅降低了工人的劳动强度，还保i f 了产品 质量的稳定。而且辊道窑能与前后工序连成完整的连续生产线，大大提高了生产 效率。 1 2 2 现代连续式窑炉的研究手段和发展动态 同其他领域的研究手段一样，从窑炉出现到现在的几千年内，其设计和改进 芋要靠试验，包括近代发展起来的冷态模拟试验，热态模拟试验，水力模型试验 和全尺_ j 装置试验。人们依靠试验取得数据和经验公式，同时也依靠试验发现问 题，改进设计。但由于试验研究方法受到各种条件的限制，如高温工况给温度等 参数的测量带来很火困难，同时由于影响因素很多，试验只能得出单个物理量之 刈的相互关系，从而降低了试验结果的使用价值。 几十年前人们已经建立了化学流体力学基本方程组，但由于方程数量多，耦 武汉理工大学硕士学位论文 合和非线性化，只有经过大量简化才可以求解。这方面使得人们无法通过将解 与实验对照起来检验理论，因为难以区分这种解的误差是来源于基本理论还是人 为的假设。 在对辊道窑等陶瓷窑炉热工理论的研究中，突出的特点是各学科之间相互交 叉，相互渗透，正是由于流体力学、数值计算学、传热学、计算机科学、控制学、 系统工程等综合作用才促进了陶瓷窑炉热工理论研究方法的进步。目前对陶瓷窑 炉热工理论的研究经过了实体研究、相似模拟研究和数字模拟研究= 个大阶段。 饵一座窑炉都有其特殊性，因而实体研究中得到的结果很难适用别的窑炉现在 已经很少肯人采用这种方法。相似模拟浊是以相似理论为指导，建奇：缩小的实体 模型，做冷态实验，并将实验结果归纳成准数方程。由于很多准数之问l t 互相交义， 难于满足所有条件，且无法模拟同时存在传质和反应过程的实际工况，其应用受 到了很大限制。而数字模拟方法则以基础理论研究为依据，运用物理平衡概念， 建立数学模型，借助计算机进行数值计算。这种方法便于模拟实际生产中的各种 工况，是最为科学先进的一i ：程研究方法。近年来，各国学者针对陶瓷窑炉的砌筑 材料、燃烧系统及烧成制度等采用了各种方法，进行了广泛的研究。 由十电了计算机的高速发展，数值计算方法的日趋完善，使得为流体流动与 传热研究提供了强有力的工具，从此有人把数字模拟法引入陶瓷窑热丁研究领 域，促进了窑炉热工理沦研究方法的进步。日本学者首先用数字模拟法建立了隧 道窑预热带的数学模型，为窑炉热工数值模拟的研究奠定r 基础。原另：联学者用 数值法研究了隧道窑的窑墙传热、热工参数、推午速度和加热制度等。英国和德 国学者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速 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速 率数学模型，对制品升温速率和温度均匀性作了探讨；计算流体力学的发展，特 别是c f d 技术的工程应用，引起了窑炉研究者的兴趣，部分学者应用s i m p l e 法，分析研究了i 业炉膛的流场分布。虽然，陶瓷窑炉内复杂的热工系统使c f d 技术的应用步履维艰，但建立数学模型用数值模拟方法开展陶瓷窑炉热工研究是 最为科学有效的方法。此外，燃烧过程的数值计算以计算机为桥梁，把燃烧理论， 实验和窑炉设计i 者有机结合起来，开辟了用燃烧理论直接指导实验和设计工作 的途径。将窑炉的几何形状，结构尺寸和进出口状态作为定解条件，通过计算机 求解控制徼分方程组，便可以计算出其内部流体速度，温度和组分浓度等参数的 分布及其变化，预测窑炉的气动，传热和燃烧性能以及污染物排放水平。这不仪 育助f 深化对基本现蒙和过程的认识，而且使窑炉的设计和操作最优化在很大程 度上依靠合理的计算，从而减少实验上作的盲目性和工作量。 武汉理工人学硕士学位论文 1 3c f d 的概况和发展动态 研究流体运动规律的主要方法有实验和理论分析，前者以地面实验为研究手 段，后者利用简单的流动模型假设，给出所研究问题的解析解，这些奠定了计算 流体力学的基础。然而，采用这些方法难于研究复杂的讣线性流体流动现象，特 别是绕流流场特性的研究等，计算机的问世使数值力法取代解析方法解决这些问 题成为可能。 计算流体力学c f d ( c o m p u t “o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 是近代流体动力学、数值 学和计算机科学相结合的产物，以计算机模拟和分析研究，以解决实际问题揭 示新的研究方向。c f d 包括对各种类型流体( 气体，液体及特殊情况下的固体) ， 在各种速度范围内的复杂流动( 含化学反应，光电效应等复杂现象) 在计算机上 进行数值模拟的计算。它涉及用计算机寻求流动问题的解和流体动力学研究中计 算机的应用两个方面题。 利用c f d 对过程进行数学模拟与相应的实验流体力学研究相比，耗资小、 速度快，同时，计算机程序可以给出详细而完整的资料。对计算机来说，对r 尺 、j 的大小、温度的高低，有毒或易燃物质等真实条件方面的处理几乎不存住i 、u j 题， 也很容易严格地实现模拟理想条什。随着c f d 学科的四个层次：硬件层次，算 法层次，数学层次和物理层次的发展和完善，随着超级计算机技术的高速发展， 解的精度和分辨率更高，从而c f d 使包括飞行器设计过程在内的众多工程问题 的解决发生了革命性变化。悼l 超声速及接近声速的流体流动在c f d 领域占了很 人比例，其研究方法也几乎成了c f d 技术的先导。j 十年代后期以来，计算流体力学解决了流体力学中的许多疑难问题，而 维流体动力学的大部分和丈量的近似乃法则逐步失去地位。计算流体动力学突破 了求解非线性微分方程组的网难，使其存工程领域中得到了广泛应用已经建立 r 大量的数学模型，与【：程巾小断开发出的各种反映相耦合或结合，逐步形成了 以c f d 为基础的c a e 软件库。国外已大量出现提供c f d 工程咨询服务的公一j 。 在c f d 技术应用方面，己出现高度复杂与精细的，能计算大部分流动与传热问 题的通用程序如大型通削软件f i 。u e n t ，p h o e n i c s ，c f x 5 等，它们在经济 性，可靠性与适用性方面均获得了相当的成功。 c f d 的发展与计算机的关系极为密切，求解三维雷诺平均n s 方程，需要 多于1 0 6 个网格点，每个节点需存贮3 0 个6 4 位字长数据，则浚问题求解至少 3 0 m 字内存。发展c f d 需要对计算机速度和内存及系统结构作巨大改进，而提 高超级计算机性能的丰要潜力又在于算法的改进，这是降低数值模拟费用 u 确保 复杂流场的准确数值仿真成功的关键之一。改进的算法不但要求效率高，易于实 武汉理一人学硕上学位沦文 现，而且要对几何形状不敏感：小仪能求解气动问题，还能扩展成与结构动力学， 轨道飞行j 学，电磁学及化学等多学科结合的算法软件，这使行行算法成为c f d 发展的前沿问题之一，包括线性代数的并行计算研究；微分方程并行算法研究： 图形并行处理算法研究和非数值并行算法研究等。最引人注目的并行处理是适合 多处理机系统的多任务技术，其实现方法有三种，即宏任务方法，微任务方法和 自习j 任务化。 我国存c f d 技术方面开始于六十年代中期，随着计算机技术的发展而发展 起来，大体上类似于圈外的发展过程，但与先进国家相比仍有一定的差距，罕今 尚未开发m 一套计算流体力学通用软件。 c f d 计算机程序主要有针对研究具体问题而编写的专用程序：针对种类 型问题编制的程序( 通用程序) 等两类。其中，通用程序多为模块式结构，适用 者可以根据需要自行拼装，而且，程序中往往配有很强的f j 后处理系统，可以随 时引入计算机软件，硬件，数学模型等最新发展。适用这类通用软件包，经过一 定处理可以解各种反应流问题，无论一维，一维还是三维，定常还是非定常，均 相还是非均相，湍流还是层流，牛顿还是非牛顿流体，都可以求解，同时可以处 理各种不同的几何形体。使用通用软件包是发展和应用c f d 技术的正确途径。 1 4f l u e n t 软件 从八卜年代初到九卜年代中期，英美科学家和工程技术人员领先开发通用性 c f d 工程软件并以知识产品的方式进入市场，形成以f l u e n t ，p h o e n i c s ， f l o w 3 d ，c f d s c f x ，s t 觚c d ，f i d a p ，f l o t r a n 等知名产品为代表的 c f d 软件市场。目前。在c f d 彳业还有批具有特定用途的软件包，如喷涂用 的n e k t o n ，模流分析的m o l d f l o w ，电子传热和空调行业使用的 f l o t h e r m ，适用于可压缩流的r a m p a n t 等等。 f i ，u f n t 是由美国f l u e n t 公司于1 9 8 3 年推出的c f d 软件。它足绪 p h o e n i c s 软件之后的第j 个投放市场的基于有限体积法的软件。f l u e n t 是 目前国际上比较流行的商用c f d 软件包，在美国的市场占有率为6 0 ，也是f 1 前功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛的c f d 软件之 。1 1 2 】 f l u e nr 提供了非常灵活的网格特性，让用户可以使用非结构网格，包括三 角形、四边形、四面体、六面体、金字塔形网格来解决具有复杂外形的流动，甚 至可以用混合型非结构网格。它允许用，1 根据解的具体情况对网格进行修改。 f l u e n t 使用g a m b i t 作前处理软件，它可读入多种c a d 软件的i 维几何模 型和多种c a e 软件的网格模型。f l u e n t 可用于二维平面、二维轴对称和三维 流动分析，可完成多种参考系下流场模拟、定常与非定常流动分析、不可压缩和 武汉理工大学硕l 学位沦丈 u r 压流计算、层流和湍流模拟、传热和热混合分析、化学组分混合和反映分析、 多相流分析、同体o 流体耦合传热分析、多孔介质分析等。它的湍流模犁包括 k - e 模型、r e y n o l d s 戍模型、l e s 模型、标准壁面函数、双层近肇模型等。 f l u e n t 町应用到流体，热传递及化学反应等有关的t 业。它具有丰富的物 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、汽车设训、石 油大然。i 、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。其在石油天然气r 业上的应用 包括：燃烧、井下分析、喷射控制、环境分析、油气消散聚积、多相流、管道 流动等等。f l u e n t 的软件设汁基于c f d 软件群的思想，从用户需求角度卅发， 针对各种复杂流动的物理现象，f l u e nr 软件采用不同的离散格式和数值方法， 以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效 率地解决各个领域的复杂流动计算问题。基于上述思想，f l u f n tj r 发了适用于 各个领域的流动模拟软什，这些软件能够模拟流体流动、传热传质、化学反应和 其它复杂的物理现象，软件之间采用了统的网格生成技术及共同的图形界而， 而各软件之间的区别仅在于应肆j 的工业背景不一j ，因此大大方便了用户。 1 5 研究内容 ( 1 ) 根据长1 2 5 mc q 系列煤气辊道窑高温带结构，建立辊道窑高温带单节 窑体三维吱体模型，并根据设汁资料、测试的1 1 况条件等，建亩_ 简化模型，生成 计算网格以及确定了计算边界条件、流动状态； ( 2 ) f l u e n t 软件的剖析，分析结构，掌握应用功能； ( 3 ) 辊道窑的c f d 研究，根据流动状态选择合理的流动模型，确定差分格 式及数值求解算法等计算参数，利用f l u e n i 、软件对辊道窑炉高温带的速度场、 压力场等进行研究： ( 4 ) 通过分析数值模拟结果研究r 系统流场的结构及其对性能的影响。 1 6 研究思路 ( 1 ) 剖析f l u e n t 软件的应用功能。 ( 2 ) 流动过程剖析。 ( 3 ) 对几何尺、j 为2 1 0 0 m m 2 5 0 0 m m 9 3 3 m m 的辊道窑高温带中节窑体 在不矧边界条件下进行流场分析。 武汉理工大学硕上学1 屯沦文 第2 章f l u e n t 软件包概述 f 1 ，u e n _ l 是目前处于世界领先地位的c f d 软件之，它是个用- - 模拟和 分析在复杂儿何区域内的流体流动与热交换问题的号用c f d 软件。【“1 f l u e n t 程序软件包由以f 几个部分组成： ( 1 ) g a m b i t ：用于建市几佃结构和网格的一成。 ( 2 ) f l u e n i ：用于进行流动模拟计算的求解器。 t3 ) p r e p d f ：用于模拟p d f 燃烧过程。 ( 4 ) t o r i d ：用于从现肖的边界阚格生成体网格。 ( 5 ) f i l t e r s ：转挠其他程序生成的网格，用jf l u e n t 汁臂。 利用h ，u e n t 软件进行流体流动与传热的模拟计算流程如图2 一l 所示。首 先利用g a m b i t 进行流动区域几何形状的构建、边界类型以及网格的牛成，并 输出用于f l u e n t 求解器计算的格式：然后利用f l u e n t 求解器对流动区域进 行求解计算，并进行计算结果的后处理。 图2 - 1f l u e n t 基本程序结构示意图 本空采用f i ，u e n t 软件包对辊道窑高温带的流场进行研究，主要使用r 软 件的两个模块：前处理模块( 网格生成模块) 和球解及后处理模块，前处理模块 包括两个酬格生成软件g a m b i t 和t o r i d ，求解及后处理模块只有个软件 f l u e n t 。本章对g a m b i t 和f i 。u e n t 这两个软件作简要介绍。 武汉理工大学硕十学值论文 2 1g a m b it 简介 g a m b i t 是g - , k 的c f d 前处理软件，其主要功能包括几何建模和嗣格牛成。 g a m b i t 以其强大的功能，在目前所有的c f d 前处理软件巾占领先地位。 g a m b i t 通过它的用户界面( g u i ) 来接受用户的输入。g a m b l l lg u i 简单而 义直接的做出建立模型、网格化模型、指定模型区域大小等基本步骤。 g a m b l l 的网格功能手要体现在以f 几个方面： ( 1 ) 完全非结构化的网格能力 g a m b i t 之所以被认为是商用c f d 软件最优秀的酊置处理器完全得益于其 突出的非结构化的网格生成能力。g a m b i t 能够针对极其复杂的几何外形生成 三维四面体、 面体的非结构化网格及混合网格，且有数十种网格生成方法，生 成网格过程又具有很强的自动化能力，因而大大减少rl 作量。 ( 2 ) 网格的白适应技术 f l u e n r i 采用删格a 适应技术，可根据计算中得到的流场结果反过来调整和 优化网格，从而使得计算结果更加准确。这是目前在c f d 技术中提高计算精度 的最重要的技术之一。尤其对于有波系十扰、分离等复杂物理现象的流动问题， 采用自适应技术能够有效地捕捉到流场中的细微的物理现象，大大提高计算精 度。如采用白适应嘲格后可以有效地分析汽车后视镜附近的气流分离现象，汽车 尾部的旋涡区域及发动机水套的温度场等复杂问题。f l u e n t 软件具有多种自适 j 、选项，可以对物理量值、物理量的空| 日j 微分值( 如压力梯度) 、网格容积变化 率、壁面y + v + 值等进行自适应。 ( 3 ) 丰富的c a d 接口 g a m b i t 包含伞面的几何建模能力，既可以在g a m b i l 内直接建立点、线、 面、体的几何模型，也可以从p r o e 、u g i i 、i d e a s 、c a t i a 、s o l i d w o r k s 、 a n s y s 、p a t r a n 等主流的c a d c a e 系统导入几何和网格。g a m b i t 与c a d 软件之间的直接接口和强大的布尔运算能力为建立复杂的几何模型提供了极大 的方便。 ( 4 ) 混合网格与附面层内的网格功能 g a m b i t 提供了对复杂的几何形体生成附面层内网格的重要功能。( 附面层 足流动变化最为剧烈的区域，因而附面层网格对计算的精度有很大影响) 。而且 附面层内的贴体蚓格能很好地与丰流区域的网格自动衔接，大大提高了网格的质 量。另外，g a m b i f 能自动将四面体、六面体、三角柱和金字塔形网格自动混 合起来，这对复杂几何外形来说尤为重要。 ( 5 ) 网格检查 武汉理工大学硕十学位论文 g a m b i t 拥有多种方便简捷的网格检查技术，能快捷的榆杳已生成的网格 的质量。该模块包括对网格单元的体积、扭曲率、长细比等影响收敛和稳定的参 数进行报告。从而可以直观而方便地定化质量较差的网格单元从而进步优化网 格。 2 2f l u e n t 简介 图2 - 2g a m b it 软件程序界面图 f l u e n t 是通用的c f d 软件包，用柬模拟从不ir t 压缩到高度可压缩范围内 的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术因而f l u e n t 能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格 技术及成熟的物理模型，使f l u e n t 在转捩与湍流、传热与相变、化学反应与 燃烧、多相流、旋转机械、动变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有 广泛应用。 f i ，u e n t 软件具有以下特点： ( 1 ) 采用基于完，牟= 非结构化网格的有限体积法，而且具有基于嗍格节点和 网格单元中心的梯度算法。 ( 2 ) 具有强大的网格支持能力，支持界面不连续的网格、混合网格、变形 网格以及滑动网格等。值得强调的是，f l u e n t 软件还拥有多种基于解的网格自 适应技术以及网格动态自适应技术，对于捕捉非常复杂的物理现象非常有利。 ( 3 ) 软件中的动网格技术主要解决边界运动的问题，片j 户只需指定初始网 武汉理上人学硕十学位论文 洛和运动壁面的边界条件，余卜的网格变化完令由解算器自动生成。网格变形方 式有三种：弹簧压缩式、动态铺层式以及局部网格重生式。其中局部剜格重生式 是f i 。 j e n t 所独有的，而且用途广泛，可用于非结构网格、变形较大的问题以 及物体运动规律事先不知道而完全由流体所产生的力所决定的问题。 ( 4 ) 包含_ 二种算法：分离隐式算法、耦合显式算法、耦合隐式算法。从而 使f l u e n t 软件适用于低速刁i 可压缩流动、跨声速流动乃至压缩性强的超声速 和高超声速流动。 ( 5 ) 包含丰富而先进的物理模刑，使得用户能够精确地模拟无粘流、层流、 湍流、传热和传质、多乳介质、化学反应、颗糙运动、多相流、自由表露流、榴 变流等复杂的流动现象。 湍流模型包括混合长度模型、方程s p a l a r t a l l m a r a s 模型、k s 模型组、 k 一0 9 模型组、雷诺应力模型( r s m ) 组、大涡模拟( l e s ) 模型组以及最新的 分离涡模拟( d e s ) 和v 2 f 模型等。这些湍流模型还包含一些子模型。另外用 户还可以对已有的模型进行定制或添加自己的湍流模型。 包含拉格朗【_ 1 稀疏相模型( d p m ) 、体积分率模犁( v o f ) 、e u l e r 模犁、 混合( m i x t u r e ) 模型、空泡( c a v i t a t i o n ) 模型等丰富的多相流模型，它们大多 都还包含止b 子模型，可以模拟气气、气液、气崮、液液、液剧以及气液同等相 与：作用的多相流动问题。另外，e u l e r 模型、v o f 模型、m i x t u r e 模型都可以考 虑传质与传热物理现氰。 包含多种组分模型以高质量地求解反应流，如组分输运模型、非预混燃烧 模型、预混燃烧模型、部分预混燃烧模型以及c o m p o s i t i o np d f 输运模型等。 多孔介质模型不仅可以考虑体积化学反应，而且可以考虑表面化学反应。 多孔介质模型中可以考虑各向异性热传导以及非均匀孔隙分布，即在不同方向上 流动特性可以4 i 一样。 可求解对流、热传导以及辐射引起的传热物理现象。f l u e n t 包含丰富的 辐射模型，有r o s s e l a n d 模型、p l 模型、d i s c r e t e y r a n s f e r ( d ，i a m ) 模型、s u r f a c e t o s u r f a c e ( s 2 s ) 模型、d i s c r e t eo r d i n a t e s ( d o ) 模型。 ( 6 ) f l u e n t 具有高效的并行计算功能，提供各种自动分区算法：内置 m p i 并行计算机制可以大幅度提高分布式并行计算效率。另外，f l u e n t 还具 有动态负载平衡的能力，当并行计算的c p u 负载不平衡时可自动调节分区以确 保全局高效率并行计算。 ( 7 ) f l u e n t 提供了良好的用户界面，并为用户提供r 二次开发接口 ( u d f ) 。 ( 8 ) 具有强大的后处理功能，可以以图形、曲线以及具体数字的报告的方 武汉理：大学硕士学位论文 式对计算结果进行方便的处理。 ( 9 ) 采用c c + + 语言编写，从而大人提高了对计算机内存的利用率。 2 3 本章小结 图23f l u e n t 软件程序界面图 ( 1 ) f l u e n t 软件包二e 要由两个基本程序g m a b i t 和f l u e n t 组成，可 在g a m b i t 中创建儿何模型和网格模型，并导入f l u e n t 执行计算。 ( 2 ) f l u e n i 、提供了灵活的网格特性，对流体流动等问题能进行有