辊道窑不同窑顶结构下气体流场与温度场的数值模拟

孟汉堃 蒋方乐

（景德镇陶瓷学院，江西景德镇333001）

辊道窑不同窑顶结构下气体流场与温度场的数值模拟

孟汉堃 蒋方乐

（景德镇陶瓷学院，江西景德镇333001）

利用CFD软件Fluent对不同窑顶结构的辊道窑气体流场和温度场进行数值模拟，研究了不同窑顶结构下窑内气体流场和温度场的分布，分析了不同窑顶结构对流场和温度场的影响。

辊道窑；不同窑顶结构；数值模拟

0 前言

辊道窑是目前陶瓷行业的主要烧成设备，其窑内温度场均匀，窑内传热速率与传热效率大，保证了快烧的实现，而快烧又保证了产量，降低了能耗，是当前陶瓷工业中优质、高产、低消耗的先进窑型[1]。辊道窑采用什么样的窑顶结构形式，已有学者也进行了一系列的研究和分析[2,3]。它不仅会影响窑炉的造价及窑内温度的均匀性，而且还影响热利用率。为此研究和探讨辊道窑的拱顶和平顶结构，对进一步提高窑炉的产量，增加企业的经济效益有着重要的意义。

随着科学技术的不断发展，在对辊道窑的研究中，数值模拟是一种具有高速度运算能力的模拟手段，它具有研究成本低，周期短的特点，并能得到完整的数据，不再受实验仪器和研究方法的限制。本文以辊道窑窑顶结构为研究对象，结合传热学、流体力学和温度场理论等知识，借助Fluent流体力学模拟软件，建立陶瓷辊道窑的窑体模型，对温度场及流场进行数值模拟，为生产实践及以后的计算机自动控制系统提供有效的理论基础。

1 物理模型与数学模型

1.1 物理模型

本文以某厂拱顶结构的辊道窑为研究对象，并相对应的建平顶结构的辊道窑模型，如图1和图2。考虑到数值模拟的计算量以及现有计算机资源的限制，故只选取辊道窑部分窑体作为模拟对象，其主要尺寸如表1，并对模型进行以下简化：砖坯距两侧窑墙的距离按经验取200mm；挡火板与挡火墙设置在两节模型中间；烧嘴通道长度和端面直径分别取230mm和80mm。

简化后的计算模型结构相对简单和规整，采用六面体单元进行网格划分，窑内结构采用结构六面体网格，而烧嘴砖通道空间采用非结构六面体网格，且生成网格质量很好。网格结构如图3。

1.2 数学模型

1.2.1 控制方程

本文模型为辊道窑烧成带其中两节以及预热带700℃和400℃左右各取两节，窑内气体流动主要为湍流流动，选用标准K-湍流模型进行湍流计算模型；烧成带窑内传热方式主要为辐射传热，选择P-1辐射模型进行辐射计算。由于400℃左右时主要传热方式为对流换热，该模型忽略辐射传热。

数学模型中可用一个通用方程来描述连续、动量和能量方程，即：

表1 窑体烧成带主要尺寸Tab.1 Main dimensions of the kiln's firing zone 单位：mm

表2 各边界物理参数Tab.2 The physical parameters on each boundary

P-1辐射方程：

K方程和ε方程的模型常数(6)如下：

1.2.2 边界条件

以平顶结构模型为例进行边界条件的设置，边界的物理模型如图4所示。各边界的物理参数如表2。烟气物性参数取值如表3。

1.2.3 数值解法

数值计算方法采用分离求解法，能量方程，采用二阶方程式，采用SIMPLE算法进行求解，各控制方程的松弛因子采用默认因子，对方程迭代求解直至最后收敛。

2 数值模拟结果与分析

各模型经过2000多次的迭代计算，残差曲线监视窗口中可以看出曲线已经趋于稳定，认为计算收敛。现在取各个模型的速度分布和温度分布图进行分析和比较。

表3 烟气物性参数Tab.3 The physical parameters of flue gas

从图5、6温度分布图可以直观看出，在烧成带不同窑顶结构下温度分布略有不同，都在1560～1570K之间，温差都在10K左右，温度在靠近窑顶和窑墙的地方都较低。辊上下温度拱顶结构较平顶结构下更为均匀。从图7、8可以看出由烧嘴向窑墙方向速度逐渐变小，拱顶结构下速度分布更为均匀。

从图9、10温度图分布可以看出不同窑顶结构下温度都很均匀，都在964～966K左右，拱顶结构下温度较高，966K温度分布更广，也更均匀，在窑墙与窑顶、窑底交界处温度都低5K。从速度分布图11、12可以看到，在中空处速度都较大，温度稍高，窑墙与窑顶、窑底交界处速度较慢，近壁面处阻力较大，故传热效果要差，温度也就较中空处低。

从图13、14可以看出拱顶结构下温度要略高，但是温差较平顶结构下更大，相比之下，平顶结构下的温度场更为均匀。从图15、16可以看到拱顶结构下的速度略高，有利于对流换热，但是烟囱排出的烟气温度也会更高，不利于热量的利用。

3 结论

通过对不同窑顶结构的辊道窑进行建模和数值模拟分析，可以得到以下结论：

（1）辊道窑在不同窑顶结构下的烟气的温度场和速度流场略不相同，窑顶结构的不同对温度场和流场有一定的影响，合理的窑顶结构可以得到更均匀的温度场，在一定程度上可以保证产品的质量，降低能耗并提高产量。

（2）在烧成带拱顶结构较平顶结构更优一些，这时温度较高，传热方式主要以辐射传热为主，拱顶的明显优势是空间大，辐射平均射线程较大，烟气的辐射率也大，温度较平顶结构下略高且更为均匀。

（3）模型温度在700℃左右时，拱顶结构也是相对平顶结构下温度更均匀。模型温度在400℃左右时，平顶结构温度更为均匀，拱顶结构温度较高，温差也较大，烟气流速大，带走热量相对较多，热利用率较平顶结构低。

（4）拱顶结构的选择还要考虑拱顶的高度和角度等因素，如果不合理可能会增加窑顶的散热量，窑内烟气速度偏大，不利于热量的利用，以及可能会对施工和事故的处理带来不便。对比上述模型后，在700℃左右至烧成带采用拱顶结构，400℃左右采用平顶结构比较合理。

1 胡国林.建陶工业辊道窑.北京:中国轻工业出版社,1998

2 王成礼,范文远.论隧道窑的平顶结构.硅酸盐通报,1994,(5)

3 J.诺衣曼著.江容广译.玻璃熔窑拱顶辐射热的利用.化学世界,第十一卷

4 陶文铨.数值传热学（第2版）.西安:西安交通大学出版社,2001

5 孙晋涛.硅酸盐工业热工基础.武汉:武汉工业大学出版社,1992

6 王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用.北京:清华大学出版

7 杨世铭,陶文铨.传热学（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