計(jì)算流體力學(xué)軟件在玻璃窯爐設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 渭南 714099)

玻璃行業(yè)一直以來被認(rèn)為是高耗能行業(yè)，玻璃在窯爐內(nèi)進(jìn)行熔煉溫度往往超過1 200 ℃，各國的工程師也一直從事玻璃冶煉中的降能耗、增產(chǎn)量、提質(zhì)量的研究[1-3]。而這其中的關(guān)鍵就是對(duì)玻璃窯爐進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提高窯爐本身對(duì)于熱量的利用率[4-5]。但是玻璃窯爐在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中涉及復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過程，而如果需要對(duì)玻璃窯爐進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，就需要明確玻璃液流動(dòng)的規(guī)律，熱量傳遞的途徑，而這些過程的研究是無法采用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測量研究，而數(shù)值模擬技術(shù)就成為優(yōu)化玻璃窯爐設(shè)計(jì)，明確其傳熱傳質(zhì)機(jī)理的有效途徑。

1 Fluent軟件簡介

Fluent軟件是目前國際上主流的流體分析軟件，隨后被ANSYS公司收購作為其流體分析中的一個(gè)模塊，F(xiàn)luent軟件分析主要包括前處理建模-網(wǎng)格劃分-流體分析-結(jié)果后處理，前期的建模網(wǎng)格劃分主要利用Gambit進(jìn)行，而在Fluent6.4以后版本已經(jīng)停止對(duì)于Gambit的更新[6-8]。模型的建立可以在DesignMolder來完成，而網(wǎng)格的劃分主流采用ICEM-CFD，ICEM-CFD提供豐富的結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，尤其是在結(jié)構(gòu)劃分領(lǐng)域其提供了多種策略，以獲得高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型。

2 玻璃窯爐模擬的主要流程

玻璃窯爐的模擬第一步需要根據(jù)實(shí)物模型(見圖1)進(jìn)行簡化建模，圖2為典型浮法玻璃生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)示意圖[9]，其中主要包括了玻璃窯爐、玻璃液成型錫槽、退貨窯和冷卻槽。模擬建模過程中需要根據(jù)一定要求對(duì)模型進(jìn)行簡化。這樣可以在保留模擬結(jié)果精度的同時(shí)減少一部分的計(jì)算量。

圖1 玻璃窯爐構(gòu)造示意圖

圖2 典型的浮法玻璃生產(chǎn)線整體示意圖

圖3為玻璃窯爐和熔池立體網(wǎng)格及其劃分圖，模型中為了保證網(wǎng)格精確度采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)窯爐的火焰空間和熔池進(jìn)行劃分，同時(shí)為了保證對(duì)局部重點(diǎn)分析的研究，對(duì)于火焰口、燃料進(jìn)口、煙道出口等進(jìn)行局部加密處理。

圖3 熔窯火焰空間及熔池立體網(wǎng)格劃分圖

3 參數(shù)設(shè)置模擬分析

玻璃窯爐的分析主要需要對(duì)窯爐墻體的換熱條件、燃料進(jìn)口速度、出口條件進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)玻璃液的各項(xiàng)參數(shù)需要根據(jù)溫度的不同來進(jìn)行編程[10]。圖4為玻璃窯爐火焰空間和熔化池的溫度云圖，通過對(duì)熔池不同截面來進(jìn)行分析，可以精確分析在玻璃窯爐不同位置熱量的分布情況，根據(jù)不同區(qū)域玻璃液熔化要求的不同可以對(duì)玻璃液熔池進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，從而獲得最佳熱熔化冶煉工藝。

同時(shí)可以通過模擬對(duì)熔池內(nèi)部玻璃液流動(dòng)的軌跡(見圖5)進(jìn)行研究，可以看出玻璃液流動(dòng)的回流區(qū)域，這對(duì)于進(jìn)一步研究其玻璃液在熔池內(nèi)部傳熱傳質(zhì)機(jī)理有著重要的作用。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)可以讓燃料口處的配合料回流更加充分，這樣可以促進(jìn)配合料的充分熔化，減小卡脖處的回流圈可以減少高溫玻璃液對(duì)窯爐壁的沖刷，延長窯爐使用壽命。

圖4 玻璃窯爐模擬云圖

圖5 玻璃熔池玻璃液流動(dòng)軌跡圖

4 結(jié) 論

介紹了計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent發(fā)展的流程，以及模型處理分析的主要功能，并對(duì)其在玻璃窯爐包括熔池和火焰空間的分析進(jìn)行介紹，從而為玻璃行業(yè)窯爐設(shè)計(jì)及相關(guān)理論研究提出一些參考。