基于GFM软件的玻璃窑炉数值模拟

王　刚，杨国洪，张　峰，杨　威

（彩虹显示器件股份有限公司，陕西 咸阳 712000）

基于GFM软件的玻璃窑炉数值模拟

王刚，杨国洪，张峰，杨威

（彩虹显示器件股份有限公司，陕西 咸阳 712000）

玻璃窑炉分为燃烧空间和玻璃熔化部分，以GFM软件为研究平台，通过建模、计算与结果分析对玻璃窑炉进行数值模拟研究，从模拟计算结果客观反映玻璃窑炉温度和流场分布规律，为窑炉的优化设计、实际生产工艺提供理论参考。

玻璃窑炉；燃烧空间；玻璃熔化；GFM

玻璃的熔制是配合料在高温条件下发生的一系列物理变化和化学变化，经历硅酸盐形成、澄清、均化和冷却4个阶段后而形成均匀的、无气泡的、并符合成形要求的玻璃液的过程［1］。随着液晶平板产品高速发展，对核心部件平板玻璃质量的要求也愈来愈高。玻璃窑炉是玻璃生产过程中的关键核心设备，属于高耗能设备［2］。对玻璃窑炉的深入研究，对于提高玻璃质量，减少玻璃生产成本具有重要意义。

随着CAE技术的发展，玻璃窑炉的数学模拟技术也得到了迅速发展［3］。玻璃窑炉模型（GFM）是捷克Glass Service公司针对玻璃窑炉设计开发的一种仿真计算软件，用于玻璃窑炉的三维数学模拟。GFM通过对燃烧（CM）和玻璃（GM）两部分耦合计算，可以获得玻璃窑炉内燃烧火焰空间气体流动、燃烧状况以及温度场分布，玻璃液流动方向、玻璃液流速和玻璃液的温度场分布等。通过模拟可以获取窑炉内玻璃液体流动状况以及燃烧空间的传热、燃烧状况［4］。计算结果的分析对减少玻璃窑炉设计周期、降低了优化成本，并且对实际生产工艺的调节有重要的指导意义。

本文以国内某型玻璃窑炉为分析对象，建立全玻璃窑炉几何仿真模型，利用数值模拟软件GFM对整个玻璃窑炉进行模拟计算。

1　几何模型的建立与边界

GFM软件包分为PRE-PROCESSORS、SOLVERS和POST-PROCESSING 3部分，在前处理中用GS CAD建立分析模型，输入边界条件，流体（玻璃液）相关参数以及系统设置参数，进行求解，在后处理中查看计算结果，并进行相关的计算。

该型玻璃窑炉为电熔全氧燃烧型玻璃窑炉，玻璃熔池以电极加热为主，通过焦耳热直接给玻璃加热［5］，燃烧空间以天然气燃烧为辅助型，通过边界耦合，形成一个整体数值模拟计算模型。

1.1玻璃窑炉模型建立

建立的仿真模型如图1至图2所示。

图1　火焰燃烧空间

图2　玻璃熔化池

玻璃窑炉燃烧空间有3组燃枪，非等距排列，纯氧枪距离玻璃液面高度为40 cm，玻璃熔化池池壁有3组电极，电极之间等距排列，第一第三组电极距离前后墙45 cm。

1.2边界条件与网格

在GFM软件CAD模块中，进行模型的建立与网格的划分，并进行边界条件的设定。表1为整个玻璃窑炉的边界条件。

表1　玻璃窑炉边界条件

依据GFM软件边界参数设置条件，设定投入料数值，玻璃液流出量，燃烧枪的天然气量和氧气量，玻璃熔化部分设置电极功率和电极电压，整个玻璃窑炉与空气之间按照自然对流换热进行边界设置，玻璃熔化池与燃烧空间设定耦合边界。初始温度设定为1 400℃。

2　模拟计算结果与分析

2.1温度场分布

图3至图6为玻璃窑炉不同截面温度分布，从计算结果分析可知，火焰称排列，保持水平状态，图4和图5所示，窑炉内部燃烧空间、玻璃流场温度场沿中心线基本呈对称分布，燃烧热很好的辐射到玻璃表面，通过玻璃流场循环，传递燃烧热能。

图3　玻璃窑炉中心轴线温度梯度分布

图4　燃烧空间燃枪中心温度梯度分布

图5　窑炉中心（侧视）温度梯度分布

图6　玻璃液面（俯视）温度梯度分布

2.2流场分布

图7至图10分别为不同截面燃烧空间和玻璃液流动方向示图，图7玻璃液流动形成一个大循环和一个后部小循环，大循环逆时针流动，传递燃烧热，混合配合料使得玻璃液和新配合料充分融合，均化，熔化完成的玻璃液沿着后部小循环从出料口进入通道。环流对于配合料的熔化、玻璃液的均化以及澄清起着重要的作用［6］。综合图示结果可知，玻璃流动稳定，形成的玻璃环流，助于形成高质量均匀玻璃。

图7　玻璃窑炉中心轴线流场分布

图8　玻璃窑炉中心（侧视）流场分布

图9　燃烧空间燃枪中心面流场分布

图10　玻璃液表面（俯视）流场分布

2.3玻璃熔化池焦耳热与电流密度分布

该玻璃窑炉为电熔全氧燃烧型，在后处理结果中，可以得到熔化池焦耳热分布和电流密度分布，图11和图12分别为该模型焦耳热与电流密度分布示意图，由图可知，电极加热效果良好，更好地作用在玻璃液上，电极之间池壁砖得到很好的保护，提高池壁砖使用寿命。

2.4其他分析计算结果

图13是该玻璃窑炉模型进行的玻璃液内部气泡行为分析，图14为玻璃粒子流动轨迹。由图可知，玻璃液中的气泡得到很好的澄清，有利于形成高质量的玻璃。表2为玻璃液质量参数计算，是通过玻璃模型中对粒子的计算跟踪得到，包括滞留时间、熔化指数、澄清指数和均化指数。滞留时间最小的粒子轨迹成为临界轨迹；融化指数是玻璃沿轨迹的熔化质量，数值越高意味玻璃粒子滞留在高温区域的时间越长；澄清指数是玻璃沿轨迹的澄清质量，数值越高意味玻璃粒子滞留在典型澄清温度区域时间越长；均化指数反映1 cm厚的条纹沿轨迹能被稀释的次数。玻璃质量参数计算对玻璃窑炉设计有很高的参考价值。

图11　玻璃熔化池焦耳热分布（俯视）

图13　玻璃液内部气泡行为分析

图14　玻璃粒子轨迹行为分析

表2　玻璃窑炉玻璃液质量参数计算

3　结语

本文以某型玻璃窑炉为分析对象，对整个玻璃窑炉的燃烧空间和玻璃熔化池多物理耦合场进行了数值模拟分析，得到了玻璃窑炉整体的温度场、流场以及焦耳热、电流密度等分布情况，并根据玻璃窑炉实际运行监测数据进行了对比，玻璃温度和空间温度分布趋势与实际一致性比较好，具有很高的参考价值。在实际生产中，可通过不同设计方案的调整，对玻璃窑炉进行参数优化，对比分析结果，提高玻璃窑炉设计水平和生产工艺调整水平，节约生产成本，并能对下一步玻璃窑炉设计提供有力依据。

［1］赵彦钊，殷海荣.玻璃工艺学［M］.北京：化学工业出版社，2006（7）：236-237.

［2］刘宗明，韩韬，段广彬.全氧燃烧玻璃纤维窑炉数值模拟研究［J］.建筑材料学报，2011，14（2）：196-201.

［3］孙承绪，李会平.数字窑炉［J］.玻璃与搪瓷，2006，34（2）：58-61.

［4］金伟，杜凤英，段广彬，等.基于FLUENT平台的玻璃窑炉燃烧空间的数值模拟［J］.山东化工，2011，40（9）：26-29.

［5］唐伟，朱永昌.数学模拟在电熔玻璃窑炉中的应用［J］.建筑玻璃与工业玻璃，2013（4）：47-48.

［6］沈锦林，朱剑飞，颜晖.玻璃池窑内配合料及玻璃液流的三维数值模拟［J］.浙江大学学报：工学版，1999（4）：398-403.

Numerical Simulation of Glass Furnace Based on GFM Software

WANG Gang，YANG Guohong，ZHANG Feng，YANG Wei
（IRICO Display Devices Co.，Ltd，Xianyang 712000，Shaanxi，China）

Glass furnace is divided into the combustion space and glass melting.This paper takes GFM software as the research platform，based on mathematical modeling，calculation and analysis of the results of the numerical simulation of a glass furnace，anduses the simulation results which objectively reflect the glass furnace temperature and flow field distribution，to provide some theory reference for the optimization design and actual production process.

glass melting furnace；combustion space；glass melting；GFM

TQ171

A

1672-2914（2015）04-0049-03

2014-12-01

王 刚（1980-），男，陕西咸阳市人，彩虹显示器件股份有限公司CAE工程师，研究方向为玻璃窑炉仿真技术。