工业玻璃熔窑的数值模拟与实验分析外文翻译资料

 2022-07-30 20:36:51

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工业玻璃熔窑的数值模拟与实验分析

Abbassi*,Kh Khoshmanesh

（伊朗德黑兰）Amirkabir理工大学机械工程系

地址：伊朗德黑兰哈菲兹大道，

邮政信箱：15875 - 4413

本文收到日期：2006年12月12日，

本文接收日期：2007年5月16日，

可在线阅读日期：2007年6月2日

摘要：本文提出一座燃气型、蓄热式、横焰玻璃熔窑的三维数值模拟研究。 该窑内分为三个区域：火焰空间，窑池和投料区。火焰空间单独进行模拟研究，而窑池和投料区则耦合为一个整体进行研究。 为了将三个区域连在一起,提出了一种比现有的常规方法更灵活和更快的新方法。 投料区的熔化过程,窑池的自然对流涡，湍流和火焰空间的化学反应都是模拟的。仿真是利用gambit-2和预制fluent-6软件来进行。用计算温度与在炉表面不同的位置测量的实际温度作比较。结果表明,最大相对误差小于7.6%。 这项工作可以组成对炉的参数分析的基础以减少燃料消耗。

关键词: 玻璃熔窑；模拟;火焰空间;窑池;耦合

一．介绍

玻璃熔窑由一个火焰空间和一个窑池组成。 燃料和空气或氧气被送入火焰空间并相互反应释放大量辐射和对流形式的热量。沙子和碎玻璃被送入窑池，前面释放的热量使他们参与一系列的化学反应以融化。 玻璃熔体在窑池中流动以保持均匀直到它离开炉。研究人员做了大量的研究工作来实现燃料消耗和排放的减少和玻璃质量的提高。他们也采用分析模型物理模型数字模型作为主要工具来实现上述目标。 在过去30年里,使用计算机来模拟玻璃熔窑方面已取得了显著进展。 这使得数值模型以比其他模型更快的速度增长。这种模拟已被证明是无价的工具来替代昂贵和耗时的测试。 先进的处理器和计算算法的引进使玻璃熔窑的三维模拟能更准确的处理物理和化学现象。 燃烧反应,燃烧气体的湍流特性，间歇流的复杂的融化过程和气泡的复杂行为，在熔体流动中的固体颗粒在最近的研究呈现更大的趣味。

麦康奈尔和古德森[1] 提出了一个简化的全窑的模型组件。 三个能量方程设计解决了冠,批次和耐火温度。 燃烧空间的辐射交换计算使用豪特尔分区法和流量计算，且窑池是预定义的模式。Mase和小田[2]完成了一二元流动和温度模式以用于玻璃窑窑，熔体上的批速度被假定为常数并解开能量平衡方程来确定了批处理温度，而火焰空间温度则是用豪特尔分区法来模拟出来。

卡瓦略(3 - 5)介绍-综合模型组成的火焰空间,窑池和投料区子模型。 砂粒溶解、氧化还原和精炼过程也考虑在内。赫梅拉尔等人[6]提供了一个完整的玻璃熔窑模型包括三维的玻璃熔体流动沸腾,火焰空间和投料区模拟考虑电升压能力。兰克霍斯特等人[7] 开发了一个包括火焰空间的完整的玻璃熔窑模型和窑池的子模型。 两者的耦合进行了通过在熔体表面热通量的分布。霍克和marchiando [8]提出了一个模型，使用Fluent软件,其中包括三维火焰空间和窑池模型。该模型被用来优化燃烧器的位置和关于玻璃质量燃烧率。

Golchert等人[9] 提出了一种光谱辐射热量转移模型和还原NO耦合动力学模型附加仿真代码流。这个模型被用来探讨了玻璃窑火焰空间内的辐射交换和污染物的形成和流动行为。这个玻璃窑的数学模拟由Loch [ 10 ]全面分析，对其中的演变和模拟的趋势进行了讨论。最近Chang等人[11] 完成了一个使用欧拉方法来模拟在一个窑池的多相流全面的计算模型。 它包括所有的阶段,将固体颗粒或气泡成各种大小的组并将每组作为一个连续体。

尽管取得了进展，在三维建模的火焰空间，窑池和投料区，他们要么没有被耦合到一个整体窑炉模型或没有经过仔细验证操作炉数据。

在这部作品中,炉分为火焰空间,窑池和投料区。窑池投料区相互耦合,没有地方假设它们的接口。然而,火焰空间分别模拟。这个工作的主要贡献是引入一种新方法，它是用来耦合火焰空间的窑池投料区模型。在该方法中的热通量分布在窑池和投料区的自由表面估计的质量流率，温度和原材料的组成耐火材料热损失与气体流量的变化通过炉子的燃料口。同时几何投料区的由一个简单的技术预测。通过实际测量的温度在炉表面上的十八个位置的计算进行了验证。

二． 数学模拟

2.1. 火焰空间模型

火焰的热行为和燃烧产物由于湍流,化学反应与辐射交换非常复杂。应用于处理上述现象的模型在这里简要地讲解一下

2.1.1.湍流模型

采用Realizable k-–E模型模拟了Shih提出的燃烧气体的湍流的性质[ 12 ]。这种模式的目的是解决不足之处采用两种修正的传统K—E模型。首先，一个新的涡粘性公式涉及变量Cm被雷诺兹提出申请。二、新方程的耗散率，E的基础上均方涡度的动力学方程波动。

.而不是标准壁面函数,基于一个两层的,介绍了非平衡壁面函数应用。由Kimand 和Choudhury[13]提出。这个关键的元素壁函数如下。 首先, Launder和Spalding对数定律对压力梯度效应敏感。 第二,墙上邻近细胞被认为由一个粘性子层和一个完全湍流层组成。不同的配置文件湍流剪应力、生产率和耗散率被认为在每一层。该模型放宽了被相邻壁的标准壁函数采用的当地均衡假设（生产=耗散）

2.1.2. 燃烧模型

燃烧反应通过应用由Magnussen和Hjertager [ 14 ]提出的涡破裂模型进行了模拟。 这个模型的主要特征是要考虑到湍流对反应速率的影响。 反应的速率与耗散速率和反应物和燃烧产物的湍流动能的比值e/k成比例。这一比率代表了湍流漩涡的时间尺度以及斯伯丁的涡耗散模型[15]。

2.1.3. 辐射模型

热气体的辐射交换建模是通过使用由洛克伍德和沙[16]提出的离散纵坐标辐射模型(宿舍)。 在这个模型中虚构的球被认为是在每一个细胞。在这个模型中 每个球都是分为离散的固体的角度,每个关联到一个向量的方向。 辐射传递方程(RTE) 是沿每条矢量求解辐射强度。该模型在解决表面到表面辐射的辐射参与燃烧的问题。

从火焰到燃烧产物发出的辐射在不同的波长。这个事实在应用由豪特尔和Sarofim [17]提出的灰色气体的加权和中被考虑到。在这个模型中, 总气体的发射率被认为是几个假想的灰色气体的总和。求和相关系数取决于气体组成和温度，这一理论来自莱茵河和塔克[18]。

2.2. 窑池模型

守恒方程包括质量、动量和能量方程。熔岩流是由强温产生的强自由对流电池熔体表面差异造成的。窑池的流动是由于低速和高粘度熔体层流 (2、3、5)。 辐射效果被认为是一种有效的导热系数（2、3、5)。

2.3.投料区模型

守恒方程包括质量、动量和能量方程。投料区可以划分为关于温度的三个区域。温度低于1073 K的区域叫做未融合的核心,在原材料的温度升高的地方。 温度在1073 - 1473 K的区域称为化学反应区, 在原材料组分之间形成玻璃熔体的反应。最后, 温度超过1473 K的区域称为熔融层其中,一层薄薄的玻璃熔融流流动沉没在窑池[19]。在每一个地区方程是不同的。化学反应的能量方程区包括一个焓源项。但能源熔融层的方程包括一个降低的有效导热系数，考虑到辐射交换。有效导热系数是由于熔融层[ 20 ]的厚度小而比比窑池中低。

三．解决方法

Gambit-2是用于生成几何和炉网生成[ 21 ]。燃烧空间按端口位置划分为六个舱室。在每一个隔间中,燃烧空间是划分成 56 ·42 ·36个元素,而航空港是划分 成 30 ·20 ·24元素。在燃料港口,燃料和燃料之间发生化学反应,元素的浓度增加应用了非结构化元素。玻璃罐和批毛毯子是划分成 40 ·40 ·206 和 40 ·10 ·100元素。熔体自由表面附近和批次附近边界[的元素浓度增加22]。

Fluent-6应用求解器[21],其中采用有限体积法descritize微分方程[23]。在燃烧空间,对流项是通过快速方法建模的 ,而在窑池和投料区他们采用二阶逆风法建模。速度和压力项耦合在所有地区[ 21 ]是使用简单的算法。

四．物理性质

4.1. 燃烧空间

燃烧气体的热物理性质在表1总结。可燃烧气体被认为是一个混合物。混合物的密度使用理想气体定律来定义。混合物的粘度、热导率和比热被定义为一个质量纯组分平均值。 每一个的比热物质随温度的多项式函数变化。

4.2,窑池

熔融玻璃的热物理性质在表2中总结。表中我们可以看到,熔体的密度、比热、热膨胀率是常数,而熔体的粘度和有效导热系数强烈依赖于温度。熔体流动以自然对流为主力和强烈易受发散的迭代解。为减少这种倾向，粘度和有效电导率的值保持不变温度不超过1173 K [22]。

4.3. 投料区

投料区的热物理性质在表3中总结，表中我们可以看到,性质强烈依赖于温度的投料区可以分为未融合的核心,化学反应区和熔层。一般非融合核心性能的那些原料，熔融层的性能是指熔融玻璃和反应区的特性计算插值。这些反应是523 kJ/kg的吸热。温度小于1073 K，粘度保持不变[ 22 ]。

表1

燃烧气体的热物理性质[21]

密度（kg / m3） 不可压缩 - 理想气体

粘度（kg / m s） 质量加权法

热导率（W / m K） 质量加权法

比热（J / kg K） 混合法

表2

熔融玻璃的热物理性质[2,3,22,25]

密度（kg / m3） 2500

黏度（Pa s） 1813 T lt;1073 K

10exp(-2 3600/（T-573）) Tgt; 1073K

热膨胀系数（1 / K） 5bull;10-5

比热容（J / kg K） 1256

有效热导率（W / m K） 5.38 T lt;1073 K

5.386-0.02168T 0.00002058T2 Tgt;1073K

表3

投料区的热物理性质[3,19,22,25]

密度（kg / m3） 1400 未熔化芯

线性 化学反应区

插值

2500 熔融层

粘度（Pa s） 1813 未熔化的芯

10exp(-2 3600/（T-573）) 化学反应区和熔融层

比热 （J / kg K） 1100 未熔化芯

线性 化学反应区

插值

1256 熔融层

有效热导率（W / m K） 1.5 未熔化芯

线性 化学反应区

插值

3.5-4.5 熔融层

熔化热（J / kg） 523,000 化学反应区

五.窑的描述和操作条件

在这项工作中，模拟了Abguineh玻璃熔窑厂2号炉。 该炉是燃气，再生和侧口，容量为200吨/天的容器玻璃。 窑池长26.3米，宽10.3米，宽1.5米深。 它的底部装有起泡器，但是它们在测量期间停止服务。 窑池在原料供给的后壁外侧延伸3m。 火焰空间具有弧形冠最小和最大高度为1.5 m1.8mu;m。 每侧有六个空气端口并且每个具有三个燃料端口。 火焰的方向是每20分钟改变一次[22]。

5.1.火焰空间的工作条件

在燃料端口处，给出气体速度，端口1-6的流速为120,240,460,460,440和240 m3 / h [22]。燃料的温度采用300 K的湍流强度比水力直径为燃料涡流的10％和0.15mu;m。在空气口，给出了空气速度使得过量空气与气体流量成比例为20％率。通过再生器将空气预热至1373K。湍流强度比和液压空气涡流的直径分别为10％和0.5m。在出口处应用完全发展的边界条件。在冠和侧壁，自然对流边界条件。整体传热系数和周围温度取为10W / m 2 K和300K。再生器扩展，空气燃料混合空间和阴影墙假定是绝热的。所有港口的发射率表面假定为0.6，除了投料区和其发射率沿其变化的熔融自由表面基本上

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