卫生洁具辊道窑烧成带温度均匀性仿真研究
的不断加热,发生一系列物理化学变化,直至烧成。
天然气和空气通过烧嘴两根管道以预定的速度喷入炉窑，快速混合后点火燃烧，使窑内温度保持在一定范围内。高温烟气自烧成带向窑头流动，与制品充分换热后进入排烟孔，经烟道及排烟机排出。
第3章 辊道窑烧成带数学模型的建立
陶瓷制品在辊道窑烧成带中的烧制过程是一个十分复杂的演变过程，其涉及到流体运动、传热、传质等复杂的物理变化过程，同时还伴随有不同的化学反应与变化。由于实验条件的限制，采用现场实测手段对烧成带内的温度场和流场变化情况进行研究较为困难。本研究采用FLUENT数值模拟软件对辊道窑烧成内的温度场和流场变化情况进行研究。为方便研究辊道窑烧成带炉膛内的温度分布特性，本章首先建立一个合理的物理模型，然后确定与其相对应的数学模型，并对解析域进行合理的网格划分，为下一章辊道窑烧成带基准工况的数值模拟和综合优化做好铺垫。
3.1 简化与假设
为便于几何模型的建立，合理利用计算资源，对辊道窑窑体的建立以及计算进行了适当的简化与假设，具体如下：
（1）陶瓷制品在辊棒间的传动是一个动态的过程，但由于设备配置无法满足过高要求，对烧成带内的温度场变化过程进行动态仿真较为困难，故在建模时忽略了辊棒，且只选取两个特定的卫生洁具来分析其各个表面的温度分布特点。
（2）在实际生产条件中，本研究对象的后方，即烧成带末段为零压面，无气流通过，故将该零压面按绝热壁面进行简化处理。
（3）忽略窑墙透风对炉温的影响,假设窑体气密性较好。
（4）陶瓷制品体在烧成过程中因物理化学反应吸收和排出的气体的质量较小，在建立模型时忽略其对炉窑温度场、流场的影响，即在烧成过程中假设陶瓷制品质量与体积不变。
（5）忽略烧成过程中陶瓷制品内因化学物理反应产生的热源对温度场的变化影响，即在烧成过程中不考虑制品内热源问题。
（6）由于不同陶瓷卫生洁具形状各异，本研究在建模时将其简化为两个并排的
第 8 页 共 34 页
卫生洁具辊道窑烧成带温度均匀性仿真研究
540?420?540mm的立方体。
3.2 物理模型
本研究选取卫生洁具辊道窑烧成带的一节作为研究对象，，辊道窑烧成带结构尺寸如图3-1所示。
辊道窑模型的中心点是坐标原点。该模型窑长1000mm、窑内空宽1220mm、窑内空高1194mm，辊棒下侧交错布置两个垂直于窑墙的烧嘴，每两个交错烧嘴间距为250mm，烧嘴距窑体两端间距也为250mm，挡火墙在窑底,高198mm。取两个540×420×540的陶瓷坯体按照实际工况放置在传动辊棒上，辊棒距窑底高度为402mm，陶瓷坯体离窑壁距离为160mm，中间火焰平衡带间隔为60mm，由于陶瓷坯体上表面距窑顶只有252mm，所以无需设置上挡火闸板。
图3-1 烧成带结构尺寸图
从图3-1可以看出，该节辊道窑主体部分是一个卧式矩形炉膛，在辊道窑炉壁下方两侧交错分布有烧嘴。该辊道窑使用的烧嘴是低速喷射烧嘴，其天然气管径为14mm，空气管径为62mm（水力直径为48mm），烧嘴的高温气流喷射速度在理想状况下可达到10m/s，天然气与空气在烧嘴喷头处搅动混合后点火燃烧。
3.3 数学模型和解析域
数学建模是基于计算流体力学、计算燃烧学、计算传热学而建立起来的热工理论，数值模拟的核心部分就是建立合理的数学模型。
第 9 页 共 34 页
卫生洁具辊道窑烧成带温度均匀性仿真研究
卫生洁具辊道窑的烧成过程涉及有气体燃烧、热量传递、烟气流动等过程，本研究中用到的数学模型包含湍流模型、通用有限速率燃烧模型、p?1传热模型等，本节将对这些主要数学模型进行详细说明。 3.3.1控制方程
(1)质量守恒方程
质量守恒方程也被称作连续性方程，该方程表明在任意封闭控制体系中，流体质量总是保持恒定的。即对于在辊道窑内部，处于稳态流动的流体满足以下条件[12]：
?(?u)?(?v)?(?w)???0?x?y?z （3-1）
公式（3-1）中?是流体的密度，u、v、w是流体在坐标系上x、y、z三个方向的速度分量。
（2）能量守恒方程
能量守恒定律是热力学第一定律在流体力学中的具体表现,即控制体中净热流率与体积力、表面力对体系作功功率之和等于流体内能量的增加率。其方程如下：
div(?uT)?div(kgradT)?STcp （3-2）
公式（3-2）中，T是温度，cv是比热容，k是流体的传热系数，ST是粘性耗散项。 （3）动量守恒方程
动量守恒方程是牛顿第二定律在流体力学中的体现，在x、y、z三个方向上的动量守恒控制方程如下：
div(?uu)?div(?gradu)??p?Su?x （3-3-a）
div(?vu)?div(?gradv)?
?p?Sv?y （3-3-b） ?p?Sw?z （3-3-c）
3.3.2 湍流模型
div(?wu)?div(?gradw)?在陶瓷辊道窑实际运行过程中，由于窑内存在剧烈燃烧反应，气流波动较大，所以气体流动状态基本上都处于湍流状态。因此在本研究中，对卫生洁具辊道窑内的气体流
第 10 页 共 34 页
卫生洁具辊道窑烧成带温度均匀性仿真研究
动的数值模拟选择采用湍流模型。
湍流数值模拟有很多种类，Reynolds平均法(RANS)在工程应用上效果良好。本研究使用Realizablek?ε双方程模型对陶瓷制品烧制过程中炉窑中的气体流动进行模拟。
Realizablek?ε湍流模型的k 和?的输运方程分别如下:
??k??ujk??T?k??()?Gj????t?xj?xj?k?xj （3-4）
?????uj???T?????()?(C?1Gj?C?2??)?t?xj?xj???xjk相关模型常数如表3-1所示。
表3-1 Realizablek??湍流模型数值
常量 数值
（3-5）
C?
1.44
C?1
1.90
C?2 1.0
?k 1.2
??
3.3.3 燃烧模型选取
辊道窑的燃烧过程比较复杂，天然气在辊道窑内完全充分燃烧的前提是有两点：燃烧时间足够，燃烧速度可控且氧气充足。炉窑内的天然气能否充分燃烧，对陶瓷产品质量和辊道窑的能源利用率评估有着重要的影响。
本文所研究的燃烧类型属于非预混合燃烧，并且辊道窑内气流为湍流。有限速率燃烧模型可以模拟大多数气象燃烧问题，且模型实施简便，且计算容易收敛，故本研究采用有限速率燃烧模型。
炉窑的燃烧计算是通过热平衡和物料平衡进行的，其基本方程是燃烧所需空气量、燃烧产物组分、燃烧产物生成量、燃料发热量、燃烧温度等计算公式[13]。其能量方程为：
???(?Ys)?(?Ysvj)??t?xj?xj???D??Ys??ws??xj??? （3-6）
公式（3-6）中，?为气体密度；Ys为气体焓熵；ws为气体源项。 3.3.4 辐射传热模型选取
在陶瓷制品烧制过程中，热烟气与陶瓷制品之间存在辐射换热，且辐射换热在两者热量传递过程中占主导地位。
第 11 页 共 34 页