CFD软件的单元玻璃窑炉的数值模拟研究.doc

CFD软件用于玻璃纤维窑炉数值模拟的研究韩 韬1，刘宗明1，张铁柱2，刘敏2(1.济南大学 材料科学与工程学院，山东 济南 250022；2.泰山玻璃纤维股份有限公司，泰安 271000)摘要：本文建立了玻璃纤维窑炉空气助燃火焰空间三维数学模型，其中气相流动模型由标准k-湍流模型组成，化学反应模型使用有限速率/涡耗散模型，辐射传热模型使用离散坐标模型。以某玻纤厂年产2万吨玻璃纤维的熔窑为研究对象，利用CFD软件对燃烧空间内气体的流动状况、温度分布和压力分布进行数值模拟。通过模拟结果与现场实测数据进行比较可以看出，该数学模型能够比较客观地反映单元玻璃窑炉富氧燃烧空间的温度场、速度场和压力场的分布规律；这对了解窑炉工作原理、改善工况、降低风险以及优化窑炉设计都具有一定指导意义。关键词：数学模型；玻璃窑炉；温度场；速度场；压力场中国分类号：TQ171.6 文献标识码：AA Study of Numerical Simulation based on CFD in the Fiberglass FurnaceHAN Tao1 , LIU Zong-ming1,ZHANG Tie-zhu2,LIU min2(1.School of Materials Science and Engineering, University of Jinan, Jinan 250022, Shandong, China; 2.Taishan Fiberglass Inc. Taian 271000, Shandong, China)Abstract: This paper establishes a three-dimensional mathematical model of fiberglass furnace in the combustion space, which consisting of the gas flow model composed of the standard k- model; a chemical reaction model composed of eddy-dissipation model; and a radiation model composed of discrete ordinates model. Based on the object of an annual output of 20,000 tons fiber glass furnace, the distribution of gas flow and temperature field, velocity field and pressure field of the furnace are simulated by using CFD software. According to the comparison between the simulation results and the measured results obtained on the spot, it can be suggested that the mathematical model can objectively reflect the real distribution of the temperature field, velocity field and pressure field of the cell glass furnace. The studies here will be really useful for understanding the furnace works, improving the working conditions, reducing the risks, and optimizing the designs of glass furnace.Key words：mathematical model; glass melting furnace; temperature field; velocity field; pressure field熔窑是玻璃生产工艺中最重要的热工设备之一。因此，利用数值模拟方法对玻璃熔窑进行科学研究，深入了解窑内温度场、气流场分布，提高玻璃熔窑设计水平，改进熔窑结构和作业条件，对降低玻璃生产成本，提高玻璃质量，节约能源都具有重要意义。随着计算机技术的发展，数值模拟技术对玻璃窑炉预测能力日益提高，其方法是根据流体力学和传热学的原理建立玻璃熔窑数学模型1，运用计算机软件对窑内玻璃液和火焰空间进行数值模拟以此获得窑炉内部玻璃液的流动、燃烧和传热状况等相关信息。这避免了物理模拟中不能满足所有相似条件的缺陷,并具有容易改变作业参数、易于控制边界条件2的优点。本文根据流体力学和传热学原理建立了一个反映玻璃窑炉内火焰空间流动场和温度场的三维数学模型。模拟结果具有一定的理论价值可为熔窑的研究提供有效地分析手段。1. 数学模型燃烧是一种带有剧烈放热化学反应的流动现象。实际燃烧过程是一个包含流体流动、传热、传质和化学反应以及它们之间相互作用的复杂的物理和化学过程。它满足物理和化学的基本定律。其涉及的主要基本定律是：质量守恒定律、动量守恒定律、能量转换和守恒定律等。控制方程的数学描述一般为3：质量守恒方程： (1) x方向动量方程： (2) y方向动量方程： (3) z方向动量方程： (4)能量守恒方程： (5)湍流方程则根据标准k-湍流模型列出：(6) (7)式中：k为湍动能；为湍动能耗散率；Gk是由于平均速度引起的湍动能k的产生项；k，是与湍动能k和耗散率对应的Prandtl数；C1,C2为经验常数。化学反应模型采用涡-耗散模型, 认为反应速率由湍流控制,因此避开了Arrhenius化学动力学计算，节省了计算时间。辐射模型采用DO(离散坐标)辐射模型。2. 数学模型的数值解法数学模型需用数值解法进行求解，数值解法是以离散数学为基础的求解方法，对数学模型进行离散化处理。常见的离散化方法有有限差分法、有限元法和有限体积法4。本文FLUENT软件采用的离散化方法为有限体积法。3. 数值模拟应用实例及网格划分将上述的数学模型和数值求解方法借助于计算机数值模拟软件5，可以把火焰空间的燃烧和传热过程进行解析和处理。对于某一玻璃窑炉可依据窑炉的具体尺寸对边界条件进行定义，包括速度边界条件、热边界条件定义。通过软件进行模拟，就会得到炉窑内不同区域的玻璃液温度场分布、空间火焰温度场分布和速度场分布情况6-7。将模拟结果与窑炉实际检测数据状况进行比较分析，获得最佳工艺状况，确定关键部位可以改进及如何改进等，从而指导玻璃液熔化工艺参数，也能为玻璃的生产质量提供保证8。我们利用GAMBIT软件和FLUENT软件数值模拟了泰安山玻纤年产3万吨单元玻璃窑炉的火焰空间内气体的流动状况和温度场、速度场分布。3.1玻璃窑炉的结构及尺寸 玻璃窑炉的结构及有关尺寸参看图1、图2、图3。图1.火焰空间剖面图 图2 火焰空间俯视图该单元玻璃窑炉设置了6对小炉，每个小炉内设置一喷枪，其分布如图2。图3 后墙烟道主视图3.2 网格划分和边界条件图4为根据上述实际数据利用前处理软件GAMBIT建立的几何模型和相应的网格文件。图4 GAMBIT划分网格模型的立体图表1燃料进口工况喷枪号1#2#3#4#5#6#空气12.513.5418.7518.759.038.33天然气1010.83151514.446.67在FLUENT软件中设置边界条件如下：(1)进气口为速度入口类型，具体参数见表2；(2)出口边界设为压力出口类型；(3)壁面条件采用绝热边界条件；(4)玻璃液面条件采用实际生产中玻璃液面的温度分布情况。4.模拟结果与分析4.1温度场分布图5 喷枪中心面温度分布图6 第3对喷枪中间截面温度分布图7 典型喷枪中心截面温度分布图8 中心纵切面温度分布图5为喷枪中心面上温度分布模拟结果，从图中可以看出喷枪中心的水平面温度呈对称分布，高温分布在第3、4对喷枪之间有利于形成热点，并且在化料区温度分布也与实际相符。图6，图7为流量最大的第3对喷枪和典型喷枪的温度分布模拟结果，喷枪的火焰基本上是水平的。由于火焰较短，温度高，水平的火焰杜绝了火焰上扬或下冲造成的局部过热现象，这有助于保护窑墙和碹顶，保护玻璃液的均匀性。在喷枪作用下，由于强烈的射流混合作用，使得燃烧空间大部分区域温度分布非常的均匀。这既有利于玻璃液流动的均匀性，也能在生产过程中更精确地控制温度制度，以达到预期的火焰空间温度分布，形成良好的热稳定环境。图8为窑炉中心纵切面上温度分布的模拟结果，从中可以看出高温区域主要集中在空间的底部，而碹顶处温度分布较低，这样的温度分布有利于热量的合理利用，减少碹顶的热载荷提高了整个窑炉的热效。4.2 模拟结果验证图9 碹顶中心线上温度分布曲线图10实测值与模拟值对比在玻璃池窑的实际生产中，最重要的工艺参数就是温度，生产现场在碹顶中心线上布置了五只铂铑热电偶测温仪，对碹顶处模拟值的获取，是通过建立一条碹顶面上的中心线，取出中心线上的各点的温度，如图9所示。通过模拟温度结果所测得的数据对比，从图10中可以看出，虽然在模拟过程中假设了许多条件，但是两者相差不大，吻合较好。说明模拟结果良好，具有较高的准确性与可信性，能够在实际指导生产中得到应用。4.3 速度场分布图11 喷枪中心面速度分布图12 第3对喷枪中间截面速度分布图13 典型喷枪中心截面速度分布图14 中心纵切面速度分布图11为喷枪中心面上速度度分布模拟结果，从中可见，火焰从两侧的喷枪处喷出，进行燃烧，反应烧成烟气后由窑炉前边的烟气出口排出，这是火焰空间气体的主流方向，与实际窑炉中烟气流动情况相符。中间两对喷枪的速度稍大，但是气流相撞后产生的速度比较小，并不会影响使玻璃液的流动和对碹顶构成造成冲击。图11，图12为流量最大的第3对喷枪和典型喷枪的速度分布模拟结果，从中可以看出喷嘴形成的射流流动很强，并且在池底基本上平行于玻璃液流表面，直至遇到另一侧喷嘴的射流，受两边射流的冲击，在靠近碹顶两边各形成一个环流，这对加强火焰与配合料、玻璃液的传热是有利的，并且有利于火焰的伸展。但该处已不是火焰区，温度相对较低，对胸墙和碹顶不构成危险。可以看出在窑炉碹顶区域，烟气的流动方向偏向下方，有利于碹顶安全。图13为窑炉中心纵切面上速度度分布的模拟结果，从中可以看出在整个的火焰空间内气体的流速相对于喷枪所在的平面较小流动也较平缓。4.4 压力和组分分布图15 喷枪俯视面压力分布图16 第3对喷枪中间截面压力分布图17 中心纵切面压力分布图15为典型喷枪中心截面的压力分布模拟结果。从中可以看出在整个燃烧空间内只有一小部分的压力为正压，大部分区域的压力是微负压，这有利于融熔玻璃液中气体的排出，能够提高玻璃液的均化效果，这与实际相符。图16和图17为典型喷枪中心截面的水和甲烷组分分布模拟结果，从中可以看出甲烷燃烧比较充分，含量几乎为零。水分的分布主要集中在空间的底部，这样有利于玻璃生产后的成型和抛光。5. 结论1）根据流体力学和传热学原理建立了一个关于富氧燃烧空间的三维数学模型。通过温度场模拟结果与所测得的数据的对比，说明模拟结果具有可信性。2）经速度场和温度场数值模拟结果看出：在速度场分布，气体整体的流动平稳，没有火焰相撞的状况发生；温度场的分布均匀，高温区域合理，对生产有更好的促进作用。3）从压力和组分数值模拟结果看出：通过数值模拟可以准确的显示窑内整个的压力和组分分布，对燃烧制度的改进提供了有效地分析手段。4）研究结果表明，所建立的三维数学模型能够比较全面准确地反映玻璃熔窑火焰空间速度场、温度场压力场以及组分的分布规律，可以验证现有窑炉燃烧制度的合理性以达到节约能源和提高产量的目的。参考文献：1 陈泽敬,胡桅林.模拟技术及其在玻璃熔窑设计中的应用J.玻璃, 2005, (28):1-2.2 S L Chang,C Q Zhou,B Golchert.Eulerian approach for multiphase flow simulation in a glass melterJ.Applied Thermal Engineering,2005,25:30833103.3 孙承绪，李会平.数字窑炉J.玻璃与搪瓷，2006，34(2):58-61.4 龙天渝,苏亚欣,向文英,等.计算流体力学M.重庆:重庆大学出版社,2007.5 王福军.计算流体动力学分析CFD软件原理与应用M.北京:清华大学出版社, 2004.6 A Abbassi,Kh khoshmanesh.Numerical simulation and experimental analysis of an industrial glass mel