数学模拟在玻璃熔窑的应用研究.pdf

第 3 O卷第 3期 2 O 1 2年 6月 陕西科技大学学报 J o u r n a l o f S h a a n x i Un i v e r s i t y o f S c i e nc e T e c h n o l o g y Vo 1 3 0 No 3 J u n 2 0 1 2 文章编号 1 0 0 0 5 8 1 1 2 0 1 2 0 3 0 0 4 4 0 3 数学模拟在玻璃熔 窑的应用研 究 陈国平 李 慧 冯敏鸽 陕西科技 大学 材料科学与T程学院 陕西 西安 7 1 0 0 2 1 摘 要 采 用 F L UE NT软件 对 两座玻 璃熔 窑熔池 玻璃 液 的三 维温度 场 进 行数 学模 拟 计算 并对 数 学模 拟结果 与 实际熔池 池底 的侵 蚀程度进 行 比较 分析 模 拟研 究表 明 窑 炉规模 和 出料 口位 置 对熔 池池底 的 温度会 产 生较 大影 响 该 结果 与 实际运行 效果一 致 且 池底 温度越 高 侵 蚀 越 大 因此 数 学模 拟 法可优 化玻璃 熔 窑设计 并指 导 实际i gg i 作 关 键词 F I UE NT 玻璃 熔 窑 池 底 优化 中图法分 类 号 T Q1 7 1 6 文献 标识 码 A M a t h e m a t i c a l s i m u l a t i o n o f g l a s s m e l t i ng f u r n a c e i n a p pl i e d r e s e a r c h CHEN Gu o p i ng LI Co l l e ge o f M a t e r i a l Sc i e n c e a nd Eng i ne e r i n g Sh a an xi Chi n a H ui FENG M i n g e Un i v e r s i t y o f S c i e n c e Te c h n o l o g y Xi a n 7 1 0 0 2 1 Ab s t r a c t Us e d FI UENT s of t wa r e t o f i n a l i z e t he ma t he m a t i c a l s i mul a t i o n i n or d e r t o ge t t h r e e di m e n s i on a l t e mpe r a t u r e f i e l d o n t wo g l a s s me l t i n g f ur n a c e a nd t o d o t h e c om p a r a t i ve a n a l y s i s be t we e n f l ue nt s i m u l a t i o n r e s u l t s a nd a c t u a l e r o s i on O f f ur na c e po o l bo t t om Fr om s i m u l a t i on r e s e a r c h c a n s h ow t h e s i z e o f f u r n a c e a nd t he ou t l e t l o c a t i o n o f l i q ui d gl a s s h a v e s ome i nf l ue n c e o n t h e t e mpe r a t ur e o f f u r na c e p oo l bo t t o m t he c o nc l u s i o n i s c o ns i s t e nt wi t h t he a c t ua l c o nd i t i o n a nd t he hi g he r t e m p e r a t u r e h a v e bi gg e r e r os i o n t o f ur na c e po o l b o t t o m The r e f o r e m a t he ma t i c a l s i mul a t i o n m e t ho d c a n o p t i m i z e t he d e s i gn o f gl a s s m e l t i ng f u r na c e a nd t o gu i de t he a c t ua l o pe r a t i o n Ke y wo r ds FI U ENT g l a s s m e l t i ng f ur n a c e p o ol bo t t o m o pt i m i z a t i on 0 引言 玻 璃 的质 量 与玻璃熔 窑运 行时 高温玻 璃液 的 熔化质量有很大的关系 因此玻璃生产企业十分关 注玻 璃液 流动 的运 行规律 希望 在窑 炉结构 设计 和 实 际运行 中予 以 掌握 实现 生 产 的有 效 控 制 但 由 于在玻璃熔窑运行中 玻璃液温度较高 炉体结构 严 密 导 致玻璃 液 体 的各 项 参 数 测试 较 为 困 难 因 此全 面掌握 高 温条件下 玻璃 液流 的运行 规律 至今 仍然 是难度 较大 的课题 1 j 通常 人们 研 究 玻 璃 液 流 的方 法 有 现 场 实 测 法 物 理模 拟法 和数学 模拟法 等 三种 其 中 数学模 拟法将燃烧理论 具体实验和窑炉设计等三者结合 起来 通过计 算 结果 与 实 验 数据 的对 比 不 但 对基 本现 象 和过程 的认识有 所深 化 而且 能合理 地设 计 收稿 日期 2 0 1 2 0 2 0 8 基金项 目 陕西省 自然科学基金项 目 2 0 0 7 E 1 1 作者简介 陈国平 1 9 6 3 男 湖北省英 山县人 教授 研究方 向 玻璃窑炉技术 第 3期 陈国平 等 数学模拟在玻璃熔窑的应用研究 4 5 玻 璃熔 窑 相对 于 实 测法 和 物 理 模拟 法 它 具 有 方 便 快捷 成 本低 廉 等 优点 减 少 了实 际 工作 的盲 目 性和工作量 节约了人力物力资源 最大程度地提 高 了玻 璃行业 的经济 效 益 近 年 来 玻 璃熔 窑 数 值 模拟技术得到迅速发展 其中的三维数值模拟克服 了二维 数值模 拟 的不足 能够 更加全 面地 掌握 玻璃 液 流动 规律 优化 窑 炉 结 构 和操 作 工 艺 受 到 了极 大 的关 注 近年来 国内利用三维数值模拟方法 模拟 了 一 些玻 璃熔 窑 的流 动与 温度 场 4 r 6 但 应 用 于玻 璃 生 产实 际过 程却并 不多 这在 很大程 度上 与数 模软 件 的使 用难度 较大 有关 而采 用技 术 成熟 的 F L U E NT流体 动力学 分 析 软件 进 行玻 璃 熔 窑 的数 学 模 拟难 度不 大 更 便 于 在企 业 中推 广应 用 通 过 对 企 业实 际窑 炉 的运 行效果 进行 对 比分 析 该方 法可 为改进熔窑设计 提高操作水平指明方向 1 玻璃 熔池 的数值 模拟 过程 1 1 窑 炉 结 构 以 A B两座 燃油 玻璃熔 窑为对 象进 行 数值 模 拟 熔 窑主要 技术指 标 和主要 尺寸见 表 1 表 1玻璃 熔窑 主要技 术指 标和 尺寸 窑炉 日 熔化熔化池 熔 化池熔化池出料 口 编号 产量 面积 长度 宽度 深度 数量 t d m2 m m m A 1 3 2 2 6 0 3 6 5 1 04 3 B 7 6 1 2 4 6 2 7 3 1 O4 2 这两 座熔 窑的结 构示 意 图见 图 1 熔 窑 在 熔池 上分 为熔 化部 和澄 清 部 澄 清部 为上 抬 式 较 熔化 部浅 加料 口设 置 于熔 池 的单 侧 出料 口在 澄 清部 池墙 的液 面 以下 中部设 置 流 出的玻璃 液无表 面浮 渣 底 部高粘 度玻 璃液 玻璃 成分 和温度 较为 均匀 质量较好 两座熔 窑 的结构 不 同点 是 A 窑 出料 口 数 量为 3个 B窑 出料 口为 2个 熔 化 部 澄清 部 旺 A 窑 B窑 图 1 两座玻 璃熔 窑熔 池结构 示意 图 1 2 数 学模 型 1 2 1 模型假 设 和控制 方程 玻 璃熔 窑 模 型 主要 包 括玻 璃 液传 热 与 流动 模 型 配合 料熔 化模 型 和 火焰 空 间模 型 本 文 主要 研 究玻璃液传热与流动模型 由于窑池玻璃液的传热 与流动极 其 复杂 为 简 化 分析 需 对 模 型 作 如下 假 设 玻璃液为均匀 的牛顿型不可压缩流体 忽略配 合料化学反应和反应生成的气 泡对流动和传热 的 影响 把玻璃熔体看作是均质 的流体 玻璃 液传热 与流动 处于稳 定状 态 流速较 慢 流 动形 式为 层流 玻 璃液 表面 为水 平 玻 璃 液密 度 粘 度 和 导 热 系数 均 为温度 的线 性 函数 玻 璃 液 的 比热 C 和膨 胀 系 数 随温度 变化 不大 近似 为常数 7 建立数学模型时 需要求解 的方程主要包括连 续 性方程 质 量守 恒方程 动 量方程 和能 量方 程 连续 性方 程为 a 0 u 譬 一0 1 d d Y 动量 方程 为 百3 u 罢 8 u 十 3 u 一 P F 赘 嘉 3 v O V 十 O v 一 P F 考 C v 0 2 2 3 w O W 十 w O W fDF 鲁 象十 警 2 能量 方程 为 鲁 尝 O t 3 t a 嘉 3 十 十 d 一 十 十 L 式 中 a x p c 为热扩 散率 U W 为流 体 沿 z Y z方 向的速 度分 量 1 2 2边 界条件 玻 璃 液 的模 型 是将 玻 璃 液表 面 设 置成 传 热 固 壁 玻璃液面考虑熔化及重力 的影响 玻璃配合料 在 熔窑 中各个 物性 参数 的变 化 密 度 粘 度 导热 系 数 等 随温度 的 变化 根 据 经 验 的 公 式 写 成 UD F 函数导 人到模 型 中 具 体的 物性参 数变 化如下 通 过池底 和 池壁 向环境 散发 的热量 为 Q 一 K1 T 一 T 4 式 中 K 为 池 壁 外 侧 换 热 系数 m K T 为外 壁温 度 K T 为环 境温度 K 加料 口和 出 料 口 的边 界 条 件 根 据 出料 量 给 定 玻璃 液 流 动模 型采 用 S I MP L E算 法 迭 代 计 算 求解 网格 划分 X y Z方 向的步长 均为 0 1 m 辐 射模 型 为 DO模 型 在 此 条件 下 计 算玻 璃 窑 池 内 玻璃 液温度 分布 并得 出不 同出料 口数量对 玻璃 液 温度分 布 的影 响 5 O 陕西科技大学学报 第3 O 卷 密度呈上升趋势 当温度为 l 0 0 0 o C时达到最大值 当温度 进一 步升 高 时 体 积 密度 下 降 复 合 材料 中 的 HA相随温度的升高而不断降低 当温度超过 1 0 0 0 时该趋 势 明显 2 随 Z r O 的 引 入 材 料 体 积 密 度 有 一 定 提 高 但当 Z r O 含量超过 2 0 时 其体积密度有所 降低 当 Z r O 含 量为 2 O 时 杂质含 量最 低 参考 文献 1 于方丽 周永强 张卫珂 等 羟基磷灰石 生物材料 的研 究 现状 制备及发展前景 J 陶瓷 2 0 0 6 2 7 8 2 余丽萍 凌军 刘志 忠 等 羟基磷灰石 的湿化学法合 成 J 陶瓷科学与艺术 2 0 0 5 1 4 6 3 温立哲 成晓玲 黄慧 民 等 水热 法制备纳米 HA 二氧 化锆复合粉体口 硅酸盐通报 2 0 0 8 2 7 2 3 9 9 4 张敏 汪宏斌 全仁夫 等 羟基磷灰石一 二氧化 锆生物复 合材料的制备及其 生物相容 性 J 复合材料学 报 2 0 0 6 2 3 2 1 1 6 n 7 E 5 王国营 高景龙 氧化锆复合 生物陶瓷用 于人体硬组织 修 复的研究 进展 J 中国美 容 医学 2 0 0 7 1 6 8 1 1 6 1 1 1 6 3 6 李静 黄慧 张富强 等 V I 腔种植 用羟基磷灰石一 氧化 错复合 陶瓷的机械性能测试 J 上海 交通大学学报 医学 版 2 0 0 6 4 5 6 3 4 3 6 7 3要玉宏 刘江南 王正品 等 材 料力学性能 的微型杯 突试 验评述 M 理化检测 物理分册 2 0 0 4 4 0 1 2 9 3 0 8 郑昌琼 冉均 国 新 型无机 材料 M 北 京 科 学出版 社 2 0 0 3 3 0 8 3 1 5 5 3 0 5 8 8 9 张然 曾 献 英 羟基磷 灰石 生物 陶瓷材 料的研 究概 况 J 生物 骨科材料与临床研究 2 0 0 5 2 2 4 3 4 7 1 o 孟令科 朱 晓丽 溶 胶一 凝胶 法制备经 基磷灰石 及其过 程 的控制 J 材料 导报 2 0 0 2 1 6 1 1 7 5 7 7 1 1 王铭 杨瑞 华 沥青 混合料 毛体 积密度 测定 方法研 究 J 华东公路 2 0 0 8 6 7 1 7 4 1 2 郑 昌琼 冉均 国 新型无机材料 M 北京 科 学出版社 2 0 0 3 3 0 8 31 5 5 3 0 5 8 8 上接 第 4 6页 口 以减 少对 池底 耐 火 材料 的侵 蚀 从 而延 长 熔 窑 寿命 3 结论 采 用数 学模 拟与 实际现 场对 比的方 式 可 为玻 璃 熔 窑的设 计提供 帮助 玻璃 熔窑 的澄 清部上 抬结 构在采用纵向出料 口时 会使池底温度升高 加速 池底耐火材料的侵蚀 减少窑炉 的使用寿命 因此 设计 上应 避免 这种结 构带来 的影 响 数学模拟方法作为一种辅助设计 优化工艺的 手段 而应 用 于玻 璃 生产 已被许 多 国内外玻 璃企业 所 重视 虽然 在一 些 领 域 的应 用 取 得 了成 效 但 仍 然 不是 十分 理想 只有结 合各个 企业 自身 的生 产经 验与体会 反复充分验证 才能取得最佳应用效果 为 企业 优化 设计 和工艺 操作 提供 帮助 参 考文 献 1 苍利 民 魏永强 阎韬 等 超 白玻璃熔窑 内玻璃液 流动 和传 热的三维数值模拟 J 玻璃 2 0 1 1 3 8 2 3 6 2 朱红钧 林元 华 谢龙汉 F L UE NT