隧道窑逆吹气流对温度场和速度场影响的数值模拟

钟斌 冯青 宫小龙 陆琳

摘 要：本文使用计算流体动力学fluent软件，建立了隧道窑预热带三维物理模型，并采用结构化六面体网格对模型进行网格划分，选择realizable-k-e湍流模型，设置边界条件，对隧道窑预热带窑内气体流动进行数值模拟，研究逆吹气流的温度对温度场和速度场的影响。结果表明：逆吹气流可以有效的减小上下温差，提高截面温度的均匀性;逆吹温度为300～500℃时，截面温度均匀性最好;逆吹气流的温度越低，越容易造成产品的局部温差。

关键词：隧道窑预热带;逆吹气流;温度场;数值模拟

1 前 言

隧道窑是一种先进的机械化自动化程度高、能耗低、产量高的连续式热工设备。在隧道窑生产中，普遍存在着预热带上下温差大的问题，一般情况下预热带上下温差在200～300℃，甚至高达400℃。它不仅影响产品质量，而且延长了烧成时间。目前解决隧道窑预热带上下温差的措施有很多，如：设置高温调速烧嘴、设置搅拌气幕、设置窑门、采用轻质窑车等。本文研究的是在隧道窑预热带窑顶设置一定数量的逆吹风管，通过喷出逆向的气流，压迫烟气向下流动，使得上部的高温烟气与下部的低温烟气混合，从而达到减小上下温差的目的。

近些年一些学者通过数值模拟对隧道窑内部温度场和速度场进行研究，但大多数是对烧成带的温度场和速度场的研究[1～3]，对预热带上下温差的研究甚少。通过数值模拟对不同逆吹温度对隧道窑预热带窑内温度场和速度场影响的研究，不仅更加直观了解逆吹气流在窑内的流场分布，也可以找到合适的逆吹温度，使得温度场更加均匀，提高产品的烧成质量。

2 物理模型及其网格划分

2.1物理模型

本文以烧制大型酒缸、酒坛的隧道窑为模型。由于逆吹气流对前后的温度场都有影响，所以本文选取一组逆吹风管的前后几节窑体作为研究对象，其尺寸如下：

窑体结构尺寸：长×内高×内宽=9000×2100×1630（mm）。

逆吹风管：管径为50mm;逆吹风管之间的间距为420mm，离窑墙的距离为210mm;逆吹风管出风口中心到窑顶的距离为75mm，共5根逆吹风管;

坯体尺寸：将大型酒缸、酒坛简化为直径为800mm的圆柱体;坯体到窑顶距离为150mm，到窑底的距离为80mm;

2.2网格划分

为了更方便的划分网格，将模型分为两部分，逆吹风管周围划为一部分，其余划为另一部分。使用ICEM软件对两部分模型进行网格划分，采用结构化网格，最后将两部分网格进行组装。生成的网格数量为2000多万个，网格质量在0.55以上。出口处的坯体为半圆柱型是为了避免出口回流，减少回流对出口附近的温度场、速度场的影响。

3 控制方程与边界条件

3.1控制方程

本文采用Realizable k-e湍流模型、DO輻射模型;使用标准壁面函数;使用UDF定义边界条件及流体的物性参数;使用SIMPLEC算法及二阶迎风格式。

从逆吹风管喷出的高速气流对窑内烟气产生强烈的扰动，使得窑内烟气流态为湍流，并且逆吹气流与烟气逆向，逆吹气流会产生急剧的回转，因此数值模拟中选用reliable k-ε湍流模型作为求解该段窑内气体湍流流动。模拟求解的过程还需要满足质量、动量和能量守恒定律。各方程表达式如下：

质量方程：

（1）

动量方程：

（2）

（3）

（4）

能量守恒方程：

（5）

reliable k-ε模型方程包括了湍动能方程（k方程）和耗散方程（ε方程）。

湍动能方程（k方程）：

（6）

耗散方程（ε方程）：

（7）

3.2边界条件

本文章模拟设置使用Fluent二阶迎风格式，算法使用SIMPLE，由于逆吹气流存在高度扭曲区域的流动，故将Solve＼Method面板中的Pressure的空间离散格式设置为PRESTO！。求解器为三维稳态分离式求解器。

本次模拟选择预热带阶段，平均温度为600℃，上下温差为300℃（上部温度750℃，下部温度450℃）。进口烟气温度使用了UDF，使其具有上下温差;由于烟气本身存在温差，逆吹气流与主烟气之间也存在温差，且烟气的密度又与温度有关，故将烟气密度随温度变化的函数编译为UDF导入fluent中。表1中的y表示的是y方向的数值。各边界条件的具体参数及其大小如表1所示。

4 计算结果及分析

本文章的模拟结果在计算3500多次后达到稳定，残差曲线各项指标均达到指定值，并且设置了出口速度和出口温度的监测，出口速度和出口温度也保持稳定。由此认为计算结果达到收敛要求。

4.1 温度场结果分析

该模型有两排产品，布置了5根逆吹风管，进口上下温差为300℃（450～750℃），进口速度为0.502m/s，逆吹速度为25m/s，图3（a）、（b）、（c）、（d）的逆吹气流温度分别为20℃、100℃、200℃、300℃。图3是两排产品之间截面（即Z=0m处）的温度分布图;

由图3可以看出，在不同的逆吹温度下，其温度分布基本相同。高速的逆吹气流从喷风管喷出，逆吹气流在喷出的过程中不断的与烟气换热，并卷吸一部分高温烟气，逆吹气流温度不断升高;上部高温烟气被迫向下流动，与下部低温烟气混合，提高下部温度，并且上部高温烟气与低温逆吹气流混合，降低了上部高温烟气，实现上部降温，下部升温，上下温差减小，截面温度均匀性提高;逆吹气流与烟气之间会形成一个交界面，在这个交界面前后，有较为密集的等温线，即在这附近的温度变化剧烈，容易造成产品的局部温差;如图3（a）所示，对于较低的逆吹温度时，会导致上部温度偏低，形成了上低、中高、下低的温度分布，其截面温度均匀性相对较差，并且上部的升温曲线将从正常升温变为升温、降温、急剧升温三个阶段，不利于产品的烧成;随着逆吹气流温度的升高，逆吹气流所引起的低温区域减小，上述三个阶段将会得到缓解，截面温度均匀性也得以提高;

4.2 速度场结果分析

图4是两排产品之间截面的速度矢量图，即Z=0m处的速度矢量图，进口上下温差为300℃（450～750℃），进口速度为0.502m/s，逆吹风速为25m/s，图4（a）、（b）、（c）、（d）的逆吹气流温度分别为20℃、100℃、200℃、300℃。

由图4可以看出，在相同逆吹速度，不同逆吹温度下的速度矢量图基本一致。上部高温烟气有明显的往下流动的趋势，上部高温烟气和下部低温烟气混合，下部温度升高，减小了截面上下温差;高速的逆吹气流在喷风管出口处形成局部的负压，大量的烟气被卷吸进去，与逆吹气流混合，使得逆吹气流温度升高;在逆吹气流的前端，一些向下流动的高温烟气被卷吸进入逆吹气流中，与逆吹气流相混合，使得逆吹气流温度进一步升高，有效的减小逆吹气流所引起的低温区域;

4.3 不同逆吹温度对温度场的影响

4.3.1温度标准差

如何准确的判断截面温度均匀性的好坏至关重要，对于有明显温度分层的截面，可以计算截面的最大温度和最小温度的差值大小来判断温度的均匀性，对于温度分布比较混乱，或者有小部分极值出现的截面时，采用计算温差的方法来判断温度均匀性就不太可靠。在统计学中，标准差可以衡量一组数据的波动大小，标准差越大，其数据的偏离程度越大，标准差越小，其数据偏离程度小。同样，在截面内提取若干温度点，计算标准差，若标准差越大，其截面温度均匀性越差，若标准差越小，其温度均匀性越好。

4.3.2 不同逆吹温度的各截面的标准差

由于逆吹气流对前后温度场都有影响，所以选取逆吹风管前后六个截面，每个截面提取109×141=15369个温度点进行标准差的求解。截面1为x=3m处的截面（即第二列和第三列产品之间的截面）;截面2、截面3、截面4、截面5、截面6分别是x=2m、x=1m、x=0m、x=-1m、x=-2m处的截面;逆吹气流与窑内烟气之间存在一个交界面，交界面处存在强烈的热交换和冷、热气流的混合，截面温度极度混乱，使得处于交界面处的截面温度均匀性往往是最差的。

图5为不同逆吹温度下各截面的标准差。逆吹温度在20～300℃时，各截面的标准差随着逆吹温度的升高而降低，;逆吹温度在300～500℃时，各截面的标准差基本不变;逆吹温度高于500℃时，各截面的标准差缓慢上升。逆吹温度在20～300℃阶段，过低的逆吹温度使得上部出现低温区域，由于逆吹气流压迫的作用，上部高温烟气向下流动，使得中部温度偏高，而底部虽然有高温烟气的混合，但还是低于中部温度，形成上部温度低，中部温度高，下部温度低的状态，随着逆吹温度升高，上部温度也随之升高，随着上部温度缓慢接近中部温度，其截面温度均匀性变好，即标准差减小;逆吹温度在300～500℃阶段，逆吹气流的温度比较接近中部的温度，其上部的温度变化不大，所以截面温度均匀性较为平稳，即标准差基本不变;当逆吹温度超过500℃时，上部和中部的温度整体升高，而底部的温度升温速度慢，从而加大了上下的温差，使得截面温度均匀性变差，即标准差开始增加。

4.3.3 逆吹风管中心线的温度分布

图6是中间喷风管中心线上的温度分布。由图可以看出，逆吹风管之后的温度比较平稳。到达逆吹风管口时，由于有逆吹风的吹出，中心线上的温度骤降。随着位置前移，中心线的温度先是保持不变一段距离，然后迅速上升，接着缓慢升温，最后又快速升高。第一阶段温度保持不变是由于中心温度处于逆吹气流的核心区域，在核心区域之内，温度不变;第二阶段温度迅速上升，是因为随着位置前移，脱离了核心区域，此时存在强烈的热交换、外部高温烟气卷吸混合，使得温度迅速上升。第三阶段温度平缓上升，此时中心温度与周围的温度相近，升温速度较慢。第四阶段温度又急剧上升，这是因为处于逆吹气流和窑内高温烟气的交界面，中心线温度由逆吹气流的温度过度为窑内烟气温度。逆吹气流的温度越高，第二阶段的升温速率越慢，这是因为逆吹气流与烟气的温度差越来越小，之间的热交换也随之减小，逆吹气流的温度上升较慢。第四阶段的升温速率也变缓，这是因为逆吹气流的温度逐渐接近烟气温度，并且在前三个阶段的升温，逆吹气流的温度进一步的接近烟气温度，两者之间的温差减小，其升温速率也变小。

5结论

通过对不同逆吹角度对隧道窑预热带温度场和速度场数值模拟的分析可以得出以下结论：

（1）逆吹气流可以有效的减小上下温差，提高截面温度的均匀性;

（2）适当的增加逆吹温度，可以提高截面温度均匀性。并且逆吹温度在300～500℃时的截面温度均匀性最好。逆吹温度超过500℃，截面温度均匀性开始变差;

（3）逆吹温度越低，逆吹气流与烟气交界面的温度梯度越大，容易造成产品的受热不均，导致开裂;逆吹溫度越高，逆吹气流与烟气交界面的温度梯度越小;

参考文献

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Numerical Simulation of Temperature Field and Velocity Field Influenced by the Reverse Airflow in the Tunnel Kiln

ZHONG Bin， FENG Qing， GONG Xiao-long， Lu Lin

（Jingdezhen Ceramic Institute，Jingdezhen 333001， China）

Abstract： This paper uses computational fluid dynamics fluent software to establish a three-dimensional physical model of the tunnel kiln preheating zone and uses a structured hexahedral grid to mesh the model， select the realizable-k-e turbulence model， set the boundary conditions， and preheat the tunnel kiln Numerical simulation of the gas flow in the belt kiln is carried out to study the influence of the angle of the back-blowing airflow on the temperature field and velocity field. The results show that Reverse blowing air flow can effectively reduce the temperature difference and improve the temperature uniformity of the cross-section; the temperature uniformity of the cross-section is the best when the temperature is 300 ～ 500℃;the lower the temperature is easy to cause the local temperature difference of the product.

Keywords： Tunnel kiln preheating; Reverse blowing airflow; Temperature field; Numerical simulations