燃天然氣橫焰玻璃熔窯火焰燃燒及玻璃液流動的三維CFD耦合分析

任清海，耿　鐵

(1.安陽職業技術學院，安陽　455000；2.河南工業大學，鄭州　450007)

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燃天然氣橫焰玻璃熔窯火焰燃燒及玻璃液流動的三維CFD耦合分析

任清海1，耿鐵2

(1.安陽職業技術學院，安陽455000；2.河南工業大學，鄭州450007)

本文在全面考慮火焰空間的燃燒與玻璃液傳熱、流動的耦合的基礎上，建立了燃天然氣橫焰玻璃熔窯火焰空間和玻璃液傳熱、流動過程的三維數學模型。然后以某燃天然氣連通式橫焰玻璃熔窯為對象，利用商用CFD軟件進行了火焰燃燒和玻璃液傳熱、流動的耦合數值模擬，研究了該熔窖燃燒空間內氣體流動和溫度梯度分布以及熔池內玻璃液的流動和溫度梯度分布，為提高玻璃窯爐的運行與設計水平提供理論依據，從而指導實際生產和玻璃熔窖設計。

橫焰玻璃熔窯； 燃燒； 流動； 耦合數值模擬； CFD

1　引　言

玻璃熔制是組成玻璃的所有物質在燃料燃燒所釋放的高熱條件下進過一系列物理化學反應而形成符合成型要求的無氣泡、均勻的玻璃熔體的過程，是玻璃制品制造過程中的重要環節[1]。在玻璃熔制過程中，玻璃溶液的溫度梯度分布和流動速度是形成均化的、無氣泡的玻璃熔體的重要條件。本文在前人研究的基礎上，全面考慮了燃燒空間中復雜的氣體燃燒、化學反應、湍流流動和輻射、對流傳熱以及火焰空間的燃燒與玻璃液傳熱、流動的耦合關系，建立了燃天然氣橫焰玻璃熔窯燃燒空間火焰燃燒過程和熔池內玻璃液傳熱、流動過程的三維數學模型。然后借助商用CFD軟件模擬了天燃氣在某連通式橫火焰玻璃熔窯燃燒空間的燃燒過程和玻璃液的傳熱、流動狀況，旨在用來優化熔窯設計參數及工藝控制參數，為設計出具有好的可控性和優良運行性能的玻璃熔窯提供理論依據，從而指導實際生產和玻璃熔窖設計。

2　火焰燃燒及玻璃液傳熱、流動的三維數學模型

本次數值模擬的數學模型包括火焰燃燒模型和玻璃液傳熱、流動模型。

燃天然氣玻璃熔窯燃燒空間的三維數學模型主要是研究連通式橫焰玻璃熔窯燃燒空間中的氣體流動和傳熱過程。所以燃燒空間的三維數學模型包括氣相流動模型、燃燒化學反應和輻射傳熱模型[2]。

氣相流動模型包括連續性方程、動量守恒方程、能量守恒方程和湍流模型[3]。

連續性方程：

(1)

x、y和z三個方向的動量方程：

(2)

(3)

(4)

能量守恒方程：

(5)

湍流模型采用標準κ-ε湍流模型：

(6)

(7)

燃燒化學反應模型采用組分輸運與有限速度模型。

幅射傳熱模型采用P-1模型。

對于玻璃液的傳熱流動，模型認為玻璃液為均質的牛頓粘性流體，玻璃液的流動速度場和溫度場在一個換向周期內為穩定狀態，且不考慮化學反應及氣泡對其流動和溫度的影響[4-6]。又由于玻璃液表面與燃燒氣體接觸呈自由界面狀態，吸收火焰空間燃燒釋放的高熱量，二者之間存在強烈的耦合關系，所以本次以火焰空間燃燒計算的結果作為玻璃液傳熱及流動的溫度熱邊界來模擬玻璃液傳熱及流動。

3　研究對象

以圖1所示的某燃天然氣連通式橫焰玻璃熔窯為研究對象，其日產玻璃熔液180 T/D，熔池面積146 m2，長寬比3.46，左右兩側布置8對小爐，相鄰兩小爐中心線間距2.285 m。其小爐的燃燒方式為低壓對插式燃燒，蓄熱式采用連通式。

熔窯包括上側的天然氣燃燒空間和下部的玻璃熔化池兩部分，燃燒室底面與玻璃熔化池液表面進行耦合。

4　CFD耦合數值模擬結果與分析

圖1　某設計出料量為180 T/D的連通式橫火焰玻璃窯爐幾何模型Fig.1　Geometric model of a natural gas fired cross-connected-type glass furnace which discharge amount is 180 T/D

從圖2所示的燃燒空間在玻璃液表面處的溫度分布上可以看出：2號～6號小爐的燃燒火焰比較強烈，具有較高的溫度，而1號、7號和8號小爐的燃燒火焰比較微弱，溫度比較低，從而沿玻璃熔池縱向(熔體流動方向)，熔池中部的玻璃液溫度高，進出料兩端溫度逐漸變低；熔池表面溶液溫度高，池底方向溫度逐漸變低，如圖4所示，這與實際玻璃熔制的情況一致。正是由于玻璃液中存在溫度梯度，造成了不同部位的玻璃液的粘度和密度的不同，有利于形成玻璃配合料的熔化和“泡界線”[3]，進而有利于玻璃液的均勻化。另外泡界線還具有阻止未熔化完成的生料及泡沫進入澄清區域的能力，并且傳給配合料大量的熱量,保證了配合料穩定地熔化[3,4]。而6號到8號小爐處的溫度逐漸變低，這又有利于玻璃液的澄清。從圖3所示的燃燒空間在5號小爐中心線處YZ截面上的溫度分布上可以看出：在燃燒空間的底部靠近5號小爐的位置溫度最高，形成高熱區，而燃燒空間的垂直上方煙氣的對流比較弱，且隨著高度的增加，溫度也慢慢降低，這減輕了煙氣對熔窖碹頂的燒損，有利于延長碹頂使用壽命。

圖2　玻璃液表面溫度分布Fig.2　Temperature distribution in glass surface

圖3　5號小爐中心線YZ截面上燃燒空間的溫度分布Fig.3　Temperature distribution on the YZ section plane of combustion at the 5th small furnace

圖4　熔池縱向對稱面上玻璃液的溫度分布圖Fig.4　Temperature distribution of glass on the vertical symmetry plane of glass tank

圖5　5號小爐中心線YZ截面上燃燒空間的速度分布Fig.5　Velocity distribution on the YZ section plane of combustion at the 5th small furnace

從圖5所示的5號小爐中心線處YZ截面上的燃燒空間的氣體速度分布上可以看出：高熱煙氣從小爐一側流向另一側，并在靠近碹頂處形成回流，燃燒火焰得到的充分擴展，使得天然氣能夠充分燃燒，釋放充足的熱量。從圖6所示的對應5號小爐中心線處YZ截面上玻璃液的速度分布上可以看出：位于5小爐號燃燒火焰下方的玻璃液由于直接受到火焰的加熱而具有較高的溫度，玻璃液面與熔池底部存在大的溫差，產生上下熱冷玻璃液的物質交換，從而形成從熔池側壁到內部的玻璃液回流，起到了攪拌的作用，加速了玻璃的熔融和均化。

從圖7所示的玻璃熔池縱向對稱面上的玻璃液流動的速度分布圖上可以看到流場中存在兩個明顯的環流，這是由于配合料被已經熔融的玻璃液卷向熔窯底部，然后順著熔窯底部流向熱點附近， 一部分向加料端流動，形成一個環流，把玻璃液的熱量傳遞給配合料，起到熔融的作用；另一部分向橋墻方向流動，然后又下降到流液洞口，一部分玻璃液流出流液洞，一部分又流向熱點，構成另一個環流，這一環流起到澄清、均化玻璃的作用。

圖6　對應5號小爐中心線YZ截面上玻璃液的速度分布Fig.6　Velocity distribution on the YZ section plane of glass at the 5th small furnace

圖7　熔池縱向對稱面上的玻璃液流動的速度分布圖Fig.7　Velocity distribution of the glass flow on the vertical symmetry plane of the glass tank

圖8　熔池中玻璃液的三維立體流動速度分布圖Fig.8　Three dimensional flow velocity distribution of glass in glass tank

圖8為熔窯中玻璃液的三維立體流動速度分布圖，從圖中可知熔窯內玻璃溶液同時在縱向和橫向兩個方向，都存在環流。這是由于熔池中部的玻璃液溫度高，玻璃液密度小，速度大，從而熔窯表層的玻璃液向進出料兩端流動，引起底部的玻璃液向上運動以進行補充，形成環流；同時，在窯池兩側，玻璃液的水平和側向速度均很小，主要受上下玻璃液溫度差和重力作用上下交換，也形成環流。即熔池內玻璃液同時在縱向和橫向兩個方向上存在環流，呈現出高度的三維特性，在很大程度上起到了攪拌的作用，有利于玻璃的熔融、氣泡的逸出以及均化。

5　結　論

本文在全面考慮火焰空間的燃燒與玻璃液傳熱、流動的耦合的情況下，建立了燃天然氣橫焰玻璃熔窯燃燒空間和以燃燒計算的溫度結果為熱邊界的玻璃液傳熱流動過程的三維數學模型。

通過運用CFD軟件對天燃氣在某連通式橫火焰玻璃熔窯燃燒空間的燃燒過程和玻璃液傳熱流動過程進行了耦合模擬。結果表明，該火焰燃燒與玻璃液傳熱流動的耦合計算能夠全面反映燃燒空間和玻璃液流的流動速度分布和溫度梯度分布，并且通過優化燃燒空間和玻璃液流的流動速度分布和溫度梯度分布可以指導實際生產和玻璃熔窖設計，為設計出具有良好可控性和優良運行性能的玻璃熔窯提供理論依據，彌補傳統經驗設計的不足。

[1] 趙彥釗，殷海榮．玻璃工藝學[M]．北京：化學工業出版社，2006．7：236-237.

[2] Geng T, Ren Q H, Zhang Y Y. Three-dimensional numerical simulation of the combustion chamber of glass furnace[J].ICEICE,2011:3774-3776.

[3] 耿鐵，任清海. 玻璃熔窯中玻璃液流動的三維CFD數值模擬[J].硅酸鹽通報，2011,30(2)：394-397.

[4] 賀建雄，姜宏，魯鵬,等．全氧燃燒型浮法玻璃熔窯液流流場的數學模擬[J]．武漢理工大學學報， 2014,36(12)：12-17.

[5] 張玉敏．淺議玻璃窯爐的溫度控制[J]．玻璃，2014,(2)：30-38.

3D-CFD Coupling Analysis of Combustion and Glass Melt Flow in the Natural Gas Fired Glass Furnace

RENQing-hai1,GENGTie2

(1.Anyang Vocational and Technical College,Anyang 455000,China;2.Henan University of Technology,Zhengzhou 450007,China)

Considering the coupling of the combustion and the glass melt heat transfer and flow，the 3 d mathematical model of the combustion glass melt heat transfer and flow of the natural gas fired glass furnace was established. And then taking a natural gas fired cross-connected-type glass furnace as research object, the combustion and the glass melt flow were coupling simulated by the commercial CFD software, and the gas flow and temperature distribution in combustion space and the flow and temperature distribution of the glass melt were studied. It provide a theoretical basis about designing of good operating performance and controllability glass melting furnace, and also made up the defect of experience design of technician.

glass furnace;combustion;flow;coupling numerical simulation;CFD

國家自然科學基金(51375143).

任清海(1976-)，男，工學碩士，工程師，講師.主要從事塑料及玻璃成型過程數值模擬及可視化方面的研究.

耿鐵，工學博士，教授.

TU526

A

1001-1625(2016)06-1716-04