陶瓷窯內流場與溫度場仿真模擬及結構優化

1 前言

摘要 陶瓷窯內溫度分布的均勻性對制品的質量具有關鍵的影響。本文以實際陶瓷窯爐為幾何模型，采用數值模擬的方法，對現有陶瓷窯爐結構改造及參數優化后的窯內煙氣的流場與溫度分布進行了仿真模擬。結果表明，陶瓷窯爐的結構及操作參數對窯內的溫度分布有重要影響，在對陶瓷窯爐結構改造及采用合理的操作參數后，窯內能取得均勻的溫度分布。

關鍵詞 陶瓷窯爐，流場，溫度場，仿真模擬，結構優化

對于薄壁陶瓷窯爐，當以燃料燃燒作為主要熱源時，窯內的主要換熱方式是熱煙氣與制品之間的對流換熱和輻射換熱。而決定窯內對流換熱強度與溫度分布的主要因素是窯內燃燒情況及熱煙氣流動的流場。

本文根據現有陶瓷窯爐的結構及操作參數。采用數值模擬的方法，計算了窯內的流場與溫度分布。并對窯爐結構及操作參數進行了改造優化，計算了優化后窯爐內的流場與溫度場，最后取得了較均勻的溫度分布。

2 數學模型

受窯內制品排列方式、燃料燃燒等影響，陶瓷窯爐內實際煙氣流動情況非常復雜，在進行模擬計算時必須進行一些合理的簡化。本計算模型進行了下列簡化：

(1)未考慮窯內制品對流體流動的阻力，只考慮窯內煙氣的流動及溫度分布。

(2)窯內煙氣看作不可壓縮性流體，煙氣的物性參數取平均溫度為1550℃時的參數，不考慮物性參數隨溫度的變化。

2.1基本方程

在最高溫度保溫時。將窯內煙氣的流動近似看作穩態湍流流動。此時表示湍流流動的N-S方程按文獻進行計算。將煙氣與制品之間的對流換熱看作湍流換熱過程，能量傳輸方程按文獻進行計算。描述窯內湍流流動的模型采用k—ε模型，具體方程按文獻進行計算。

2.2邊界條件

本計算以某廠實際陶瓷窯爐作為計算模型，該窯爐的結構示意圖如圖1所示。

燒嘴人口看作速度入口，根據燒嘴結構及一次風量、燃油量進行計算，入口溫度根據燃燒溫度計算，本計算取1600℃。

煙氣出口看作壓力出口，根據排煙機的性能參數及排煙管路圖計算出口的抽力，本計算取-800Pa。

頂部及側墻可看作無滑移流動邊界。窯內溫度場計算應根據窯爐砌筑圖及砌筑材料的物性參數，耦合窯內的煙氣流動，同時計算出窯體砌筑材料及窯內的溫度分布。本計算根據實際測量結果，按照窯體外表面溫度為70℃進行計算，環境溫度取20℃，材料表面黑度取0.85，計算窯體的散熱量，并以第二類邊界條件進行窯內溫度場的計算。

3 網格劃分與計算

采用正交直角坐標系統，在整個區域內劃分六面體網格。為了保證計算精度并節約計算時間，在入口區域、出口區域采用較密的網格劃分格式，其它區域則采用相對稀疏的網格劃分格式。網格劃分圖略。

利用CFD商業軟件求解各方程，選用分離求解器，二階差分格式。計算時設置監視點，并監視各變量隨迭代次數的變化，當能量殘差值小于2×10^-8、其它各殘差值小于10^-6，且監視點的速度不再發生變化時，即認為收斂，可獲得穩定的速度場及溫度分布。

4 計算結果與分析

4.1改造前窯爐內的流場及溫度分布

圖2、圖3、圖4分別為改造前窯爐在一定操作參數下，窯內寬度方向、長度方向及高度方向中心截面的流場圖及溫度分布圖，圖5為設置有燒嘴水平斷面處(上部一排)流場圖及溫度分布圖。

由圖2(a)可知，在寬度方向，周邊熱煙氣的流動速度大于中心，造成周邊氣體的偏流現象，從而導致周邊溫度高于中心溫度，上部溫度高于下部溫度，如圖2(b)所示，同一斷面上最大溫差達30℃左右。窯內氣體流動速度小，只在靠近頂部左右兩端及底部靠近兩端各形成兩個漩渦，氣體湍流強度小，對流換熱強度弱，不利于強化制品與熱煙氣之間的對流換熱，能量消耗大。

由圖3(a)可知，由于氣流之間的相互引射作用，由燒嘴噴入的氣流并不是直接由出口流出，而是沿壁面向上流動，然后再通過中心截面向下流動，由出口流出，這有利于熱煙氣與制品之間的熱量交換。但周邊熱煙氣的流動速度大于中心，且形成的漩渦靠近周邊，從而導致周邊溫度高、中心溫度低；上部溫度低、下部溫度高的現象。

由圖4、圖5可知，在窯內水平截面上。靠近左上角和右下角形成兩個漩渦，中間氣體流動速度低，從而導致周邊溫度高于中心溫度，最大溫差達30℃以上。

4.2改造后窯爐內的流場及溫度分布

圖6、圖7分別為改造后窯爐在窯內寬度方向及高度方向中心截面的流場圖及溫度分布圖。

由圖6(a)可知，改造后的窯爐內，由上向下形成多個煙氣流動的漩渦，加強了窯內的對流換熱過程，有利于強化熱煙氣與制品之間的對流換熱，節省了能量消耗；且窯內溫度分布較均勻，如圖6(b)所示，上下最大溫差不到10℃，寬度方向中心與周邊最大溫差也小于10℃。

由圖7(a)可知，改造后的窯爐，在高度方向中心水平截面上，中間氣流速度高，中間高速氣流與周邊流動的氣流之間形成多個漩渦，氣體流動的湍流強度加強，強化了窯內的換熱過程，降低了中心溫度與周邊溫度差，使同一截面溫度分布均勻，如圖7(b)所示。

5 結論

(1)采用數值模擬方法計算了陶瓷窯爐內的流場與溫度分布，計算結果表明：窯內氣流的流場直接影響窯內溫度的均勻性。

(2)改造前窯爐內，由于存在氣流偏流現象，靠近周邊的氣流流動速度大于中心，使得窯內上下及四周與中心之間存在較大的溫差，最大溫差達30℃左右。

(3)對窯爐改造后，煙氣在窯內流動的速度增加，在窯內形成多處漩渦，湍流強度增加。不僅強化了窯內熱煙氣與制品之間的傳熱過程，而且使窯內溫度分布均勻，最大溫差不大于10℃，有利于提高產品的質量，降低能量消耗。