輥道窯不同窯頂結構下氣體流場與溫度場的數值模擬

孟漢堃 蔣方樂

（景德鎮陶瓷學院，江西景德鎮333001）

輥道窯不同窯頂結構下氣體流場與溫度場的數值模擬

孟漢堃 蔣方樂

（景德鎮陶瓷學院，江西景德鎮333001）

利用CFD軟件Fluent對不同窯頂結構的輥道窯氣體流場和溫度場進行數值模擬，研究了不同窯頂結構下窯內氣體流場和溫度場的分布，分析了不同窯頂結構對流場和溫度場的影響。

輥道窯；不同窯頂結構；數值模擬

0 前言

輥道窯是目前陶瓷行業的主要燒成設備，其窯內溫度場均勻，窯內傳熱速率與傳熱效率大，保證了快燒的實現，而快燒又保證了產量，降低了能耗，是當前陶瓷工業中優質、高產、低消耗的先進窯型[1]。輥道窯采用什么樣的窯頂結構形式，已有學者也進行了一系列的研究和分析[2,3]。它不僅會影響窯爐的造價及窯內溫度的均勻性，而且還影響熱利用率。為此研究和探討輥道窯的拱頂和平頂結構，對進一步提高窯爐的產量，增加企業的經濟效益有著重要的意義。

隨著科學技術的不斷發展，在對輥道窯的研究中，數值模擬是一種具有高速度運算能力的模擬手段，它具有研究成本低，周期短的特點，并能得到完整的數據，不再受實驗儀器和研究方法的限制。本文以輥道窯窯頂結構為研究對象，結合傳熱學、流體力學和溫度場理論等知識，借助Fluent流體力學模擬軟件，建立陶瓷輥道窯的窯體模型，對溫度場及流場進行數值模擬，為生產實踐及以后的計算機自動控制系統提供有效的理論基礎。

1 物理模型與數學模型

1.1 物理模型

本文以某廠拱頂結構的輥道窯為研究對象，并相對應的建平頂結構的輥道窯模型，如圖1和圖2。考慮到數值模擬的計算量以及現有計算機資源的限制，故只選取輥道窯部分窯體作為模擬對象，其主要尺寸如表1，并對模型進行以下簡化：磚坯距兩側窯墻的距離按經驗取200mm；擋火板與擋火墻設置在兩節模型中間；燒嘴通道長度和端面直徑分別取230mm和80mm。

簡化后的計算模型結構相對簡單和規整，采用六面體單元進行網格劃分，窯內結構采用結構六面體網格，而燒嘴磚通道空間采用非結構六面體網格，且生成網格質量很好。網格結構如圖3。

1.2 數學模型

1.2.1 控制方程

本文模型為輥道窯燒成帶其中兩節以及預熱帶700℃和400℃左右各取兩節，窯內氣體流動主要為湍流流動，選用標準K-湍流模型進行湍流計算模型；燒成帶窯內傳熱方式主要為輻射傳熱，選擇P-1輻射模型進行輻射計算。由于400℃左右時主要傳熱方式為對流換熱，該模型忽略輻射傳熱。

數學模型中可用一個通用方程來描述連續、動量和能量方程，即：

表1 窯體燒成帶主要尺寸Tab.1 Main dimensions of the kiln's firing zone 單位：mm

表2 各邊界物理參數Tab.2 The physical parameters on each boundary

P-1輻射方程：

K方程和ε方程的模型常數(6)如下：

1.2.2 邊界條件

以平頂結構模型為例進行邊界條件的設置，邊界的物理模型如圖4所示。各邊界的物理參數如表2。煙氣物性參數取值如表3。

1.2.3 數值解法

數值計算方法采用分離求解法，能量方程，采用二階方程式，采用SIMPLE算法進行求解，各控制方程的松弛因子采用默認因子，對方程迭代求解直至最后收斂。

2 數值模擬結果與分析

各模型經過2000多次的迭代計算，殘差曲線監視窗口中可以看出曲線已經趨于穩定，認為計算收斂。現在取各個模型的速度分布和溫度分布圖進行分析和比較。

表3 煙氣物性參數Tab.3 The physical parameters of flue gas

從圖5、6溫度分布圖可以直觀看出，在燒成帶不同窯頂結構下溫度分布略有不同，都在1560～1570K之間，溫差都在10K左右，溫度在靠近窯頂和窯墻的地方都較低。輥上下溫度拱頂結構較平頂結構下更為均勻。從圖7、8可以看出由燒嘴向窯墻方向速度逐漸變小，拱頂結構下速度分布更為均勻。

從圖9、10溫度圖分布可以看出不同窯頂結構下溫度都很均勻，都在964～966K左右，拱頂結構下溫度較高，966K溫度分布更廣，也更均勻，在窯墻與窯頂、窯底交界處溫度都低5K。從速度分布圖11、12可以看到，在中空處速度都較大，溫度稍高，窯墻與窯頂、窯底交界處速度較慢，近壁面處阻力較大，故傳熱效果要差，溫度也就較中空處低。

從圖13、14可以看出拱頂結構下溫度要略高，但是溫差較平頂結構下更大，相比之下，平頂結構下的溫度場更為均勻。從圖15、16可以看到拱頂結構下的速度略高，有利于對流換熱，但是煙囪排出的煙氣溫度也會更高，不利于熱量的利用。

3 結論

通過對不同窯頂結構的輥道窯進行建模和數值模擬分析，可以得到以下結論：

（1）輥道窯在不同窯頂結構下的煙氣的溫度場和速度流場略不相同，窯頂結構的不同對溫度場和流場有一定的影響，合理的窯頂結構可以得到更均勻的溫度場，在一定程度上可以保證產品的質量，降低能耗并提高產量。

（2）在燒成帶拱頂結構較平頂結構更優一些，這時溫度較高，傳熱方式主要以輻射傳熱為主，拱頂的明顯優勢是空間大，輻射平均射線程較大，煙氣的輻射率也大，溫度較平頂結構下略高且更為均勻。

（3）模型溫度在700℃左右時，拱頂結構也是相對平頂結構下溫度更均勻。模型溫度在400℃左右時，平頂結構溫度更為均勻，拱頂結構溫度較高，溫差也較大，煙氣流速大，帶走熱量相對較多，熱利用率較平頂結構低。

（4）拱頂結構的選擇還要考慮拱頂的高度和角度等因素，如果不合理可能會增加窯頂的散熱量，窯內煙氣速度偏大，不利于熱量的利用，以及可能會對施工和事故的處理帶來不便。對比上述模型后，在700℃左右至燒成帶采用拱頂結構，400℃左右采用平頂結構比較合理。

1 胡國林.建陶工業輥道窯.北京:中國輕工業出版社,1998

2 王成禮,范文遠.論隧道窯的平頂結構.硅酸鹽通報,1994,(5)

3 J.諾衣曼著.江容廣譯.玻璃熔窯拱頂輻射熱的利用.化學世界,第十一卷

4 陶文銓.數值傳熱學（第2版）.西安:西安交通大學出版社,2001

5 孫晉濤.硅酸鹽工業熱工基礎.武漢:武漢工業大學出版社,1992

6 王福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用.北京:清華大學出版

7 楊世銘,陶文銓.傳熱學（第四版）高等教育出版社,2006

Numerical Simulation of Gas Flows and Temperature Fields for Roller Kilns with Different Roofs

MENG HankunJIANG Fangle
(Jingdezhen Ceramic Institute,Jingdezhen,Jiangxi 334003)

Numerical simulation of gas flows and temperature fields within roller kilns with different roofs are realized through CFD software Fluent.The distributions of gas flow and temperature inside these kilns are investigated,and their dependence on different roof structures is analyzed.

roller kiln;different kiln roof;numerical simulation

on Apr.8,2012

TQ174.6+5

A

1006-2874（2012）03-0010-05

2012-04-08