基于fluen的熔窯內(nèi)玻璃液流動(dòng)分析

基于fluen的熔窯內(nèi)玻璃液流動(dòng)分析

浮法玻璃盤是浮法玻璃生產(chǎn)過(guò)程中的重要工農(nóng)業(yè)設(shè)備。這是三個(gè)主要的玻璃加熱設(shè)備之一。玻璃從助助材料中融化，然后可以制成玻璃溶液。整個(gè)變化過(guò)程是完成的，其能耗占整個(gè)生產(chǎn)線總能耗的70%以上。了解玻璃熔窯內(nèi)玻璃液流運(yùn)動(dòng)和傳熱的規(guī)律對(duì)于提高窯爐的設(shè)計(jì)水平,改進(jìn)作業(yè)條件,降低生產(chǎn)成本,提高玻璃質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益,節(jié)約能源具有重要意義,因而受到廣大玻璃生產(chǎn)研究設(shè)計(jì)人員的關(guān)注。用FLUENT軟件可以對(duì)熔窯中玻璃液的流動(dòng)情況進(jìn)行有效的模擬,得到玻璃熔窯中的運(yùn)行狀況的有效數(shù)據(jù)。因此,對(duì)浮法玻璃熔窯進(jìn)行研究,對(duì)降低玻璃生產(chǎn)成本、提高玻璃質(zhì)量、節(jié)約熱能都具有重要意義。1浮法成型工藝對(duì)浮法工藝穩(wěn)定性認(rèn)識(shí)存在著問(wèn)題目前我國(guó)一些浮法玻璃企業(yè)通過(guò)設(shè)備引進(jìn),雖然在裝備上已接近國(guó)際水平,但就其整體技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量與國(guó)際先進(jìn)水平尚有不小差距,究其原因,問(wèn)題主要在于我們對(duì)浮法成型的機(jī)理和穩(wěn)定控制認(rèn)識(shí)上還不到位,工藝調(diào)整主要靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行,沒(méi)有理論論據(jù)做支持。2氣體組份和內(nèi)壓層壓浮法玻璃熔窯作業(yè)過(guò)程見圖1。配合料由投料口進(jìn)入熔窯后,在上部火焰和下層玻璃液的加熱下,升溫、脫水、進(jìn)行硅酸鹽反應(yīng),并伴隨有吸熱或放熱效應(yīng)。隨著溫度的進(jìn)一步升高,反應(yīng)產(chǎn)物變成透明的玻璃熔體,其中不僅含有大量的顯氣泡,還含有大量的氣體組份,如CO2,SO2等。配合料熔化后由于密度增大,逐漸流下配合料堆,進(jìn)入下層熔融玻璃液。熔窯中的玻璃液,由于溫度分布的不均勻和出料作業(yè)的綜合作用,形成圖1所示的液流運(yùn)動(dòng)。根據(jù)玻璃熔制要求,玻璃液在離開熔化部之前熔體中的氣泡必須徹底排出或被吸收,新鮮玻璃液中夾雜的砂粒也必須徹底熔化。出料口的玻璃液不僅要求其溫度均勻、穩(wěn)定,還要求具有極高的化學(xué)均勻性。在玻璃熔窯中,一般希望投料口至熱點(diǎn)區(qū)域,有足夠強(qiáng)的自然對(duì)流以保證配合料在穩(wěn)定位置熔化,避免尚未熔化的配合料越過(guò)熱點(diǎn)直接流向出口。熱點(diǎn)至卡脖區(qū)域,希望上層玻璃液流速較慢,使玻璃液在高溫區(qū)域有較長(zhǎng)的滯留時(shí)間。冷卻部主要是保證上層玻璃液能均勻冷卻,滿足成形溫度要求。3國(guó)內(nèi)三維模擬仿真近20多年來(lái),國(guó)外利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)熔化、成型和退火進(jìn)行了大量的研究,已取得了可喜的成績(jī)。荷蘭TNO組織開發(fā)的“玻璃池窯三維數(shù)學(xué)模型”已被美國(guó)福特公司,PPG公司以及比利時(shí)格拉威伯爾等十幾家公司應(yīng)用,取得了良好的效果。而國(guó)內(nèi)三維模擬只對(duì)生產(chǎn)電真空玻璃熔窯進(jìn)行過(guò)試用,對(duì)玻璃熔窯的計(jì)算仿真一般只限于二維,有的公司雖然做過(guò)三維的模擬,但不夠深入,還不足以真正地指導(dǎo)生產(chǎn)。采用計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)模擬技術(shù)加強(qiáng)對(duì)浮法玻璃的熔化、成型和退火控制,對(duì)進(jìn)一步提升國(guó)內(nèi)浮法玻璃整體水平和產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。4玻璃熔窯的數(shù)學(xué)模型目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)熔窯內(nèi)傳熱和流動(dòng)的研究主要有3種方法:現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量、物理模擬試驗(yàn)、數(shù)學(xué)模擬研究?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法是研究熔窯熱工過(guò)程最直接的方法,其優(yōu)點(diǎn)在于反映真實(shí)情況。但這種方法不能隨意變動(dòng)生產(chǎn)條件,而且生產(chǎn)窯爐又處于高溫熔制和封閉狀態(tài),很難對(duì)熔窯內(nèi)部運(yùn)行情況進(jìn)行全面細(xì)致的觀察和測(cè)試。物理模擬在實(shí)際應(yīng)用中由于其可視性、可測(cè)性和方案變換容易,為研究玻璃熔窯提供了極大方便。但是,熔窯物理模擬只能做到近似相似,尤其是對(duì)配合料的模擬還不能解決。數(shù)學(xué)模擬是一類較為先進(jìn)的研究方法,它是隨著計(jì)算機(jī)發(fā)展和數(shù)值計(jì)算水平提高而發(fā)展起來(lái)的一種研究方法。數(shù)值模擬的發(fā)展相對(duì)要晚一些。它是根據(jù)流體力學(xué)和傳熱學(xué)原理,通過(guò)求解數(shù)學(xué)模型來(lái)獲得對(duì)熔窯內(nèi)玻璃液流動(dòng)與傳熱情況的認(rèn)識(shí)。隨著電子技術(shù)與計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展,計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度與內(nèi)存容量大幅度提高后,玻璃熔窯的數(shù)值模擬技術(shù)便迅速發(fā)展起來(lái),并獲得越來(lái)越多的應(yīng)用。它避免了物理模擬中不能滿足所有相似條件的缺陷,并具有容易改變作業(yè)參數(shù)、易于控制邊界條件的優(yōu)點(diǎn),正越來(lái)越廣泛地被各國(guó)玻璃熔窯研究人員所采用。由于數(shù)值模擬比物理模擬具有更大的靈活性并可獲得更多的信息,它的應(yīng)用已日益超過(guò)物理模擬而成為研究玻璃液流動(dòng)與傳熱的主要手段。迄今為止,有關(guān)玻璃液流動(dòng)與傳熱的認(rèn)識(shí)大多來(lái)自于物理模擬和數(shù)值模擬。其中,20世紀(jì)70年代,MaseHetal首次提出了比較接近實(shí)際生產(chǎn)的浮法玻璃熔窯縱截面二維數(shù)學(xué)模型。此后,又對(duì)該模型進(jìn)行了改進(jìn)。該模型在眾多二維熔窯模型中是比較完善的,其局限是不能反映玻璃液橫向運(yùn)動(dòng)和溫度分布以及池寬變化對(duì)作業(yè)的影響。進(jìn)入20世紀(jì)80年代后,玻璃熔窯數(shù)學(xué)模擬由二維發(fā)展到三維,其實(shí)用價(jià)值有了極大的提高。但至今尚未建立具有較大實(shí)用意義的三維浮法玻璃熔窯數(shù)學(xué)模型。FLUENT軟件是計(jì)算流體流動(dòng)和傳熱的專用軟件,它不需要研究人員具有計(jì)算機(jī)編程的能力,只需要具有流體力學(xué)和傳熱學(xué)方面的知識(shí)就可以對(duì)玻璃熔窯的運(yùn)行狀況進(jìn)行模擬研究,通過(guò)建立一個(gè)比較接近實(shí)際作業(yè)的三維數(shù)學(xué)模型,對(duì)熔窯的內(nèi)部溫度場(chǎng),速度場(chǎng),壓力場(chǎng)等進(jìn)行有效的模擬為浮法玻璃熔窯研究提供有效的分析手段。5維網(wǎng)格、fluen網(wǎng)格的生成及其調(diào)整FLUENT是用于計(jì)算流體流動(dòng)和傳熱問(wèn)題的程序。它提供的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成程序,對(duì)相對(duì)復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成非常有效。可以生成的網(wǎng)格包括二維的三角形和四邊形網(wǎng)格;三維的四面體、六面體及混合網(wǎng)格。FLUENT還可根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整網(wǎng)格,這種網(wǎng)格的自適應(yīng)能力對(duì)于精確求解有較大梯度的流場(chǎng)有很實(shí)際的作用。由于網(wǎng)格自適應(yīng)和調(diào)整只是在需要加密的流動(dòng)區(qū)域里實(shí)施,而非整個(gè)流場(chǎng),因此可以節(jié)約計(jì)算時(shí)間。5.1網(wǎng)格劃分與求解流程FLUENT程序軟件包由以下幾個(gè)部分組成:(1)GAMBIT用于建立幾何結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格的生成。(2)FLUENT用于進(jìn)行流動(dòng)模擬計(jì)算的求解器。(3)prePDF用于模擬PDF燃燒過(guò)程。(4)TGrid用于從現(xiàn)有的邊界網(wǎng)格生成體網(wǎng)格。(5)Filters(Translators)轉(zhuǎn)換其他程序生成的網(wǎng)格,用于FLUENT計(jì)算?？梢越涌诘某绦虬?ANSYS,I-DEAS,NASTRAN,PATRAN等。利用FLUENT軟件進(jìn)行流體流動(dòng)與傳熱的模擬計(jì)算流程如圖2所示。首先利用GAMBIT進(jìn)行流動(dòng)區(qū)域幾何形狀的構(gòu)建、邊界類型以及網(wǎng)格的生成,并輸出用于FLUENT求解器計(jì)算的格式;然后利用FLUENT求解器對(duì)流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行求解計(jì)算,并進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的后處理。5.2lagrangian軌道模型的應(yīng)用FLUENT軟件可以采用三角形、四邊形、四面體、六面體及其混合網(wǎng)格。FLUENT軟件可以計(jì)算二維和三維流動(dòng)問(wèn)題,在計(jì)算過(guò)程中,網(wǎng)格可以自適應(yīng)調(diào)整。FLUENT軟件的應(yīng)用范圍非常廣泛,主要范圍如下:(1)可壓縮與不可壓縮流動(dòng)問(wèn)題。(2)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流動(dòng)問(wèn)題。(3)無(wú)粘流,層流及湍流問(wèn)題。(4)牛頓流體及非牛頓流體。(5)對(duì)流換熱問(wèn)題(包括自然對(duì)流和混合對(duì)流)。(6)導(dǎo)熱與對(duì)流換熱耦合問(wèn)題。(7)輻射換熱。(8)慣性坐標(biāo)系和非慣性坐標(biāo)系下的流動(dòng)問(wèn)題模擬。(9)用Lagrangian軌道模型模擬稀疏相(顆粒,水滴,氣泡等)。(10)一維風(fēng)扇、熱交換器性能計(jì)算。(11)兩相流問(wèn)題。(12)復(fù)雜表面形狀下的自由面流動(dòng)問(wèn)題。5.3求解網(wǎng)格的建立程序在文利用FLUENT軟件進(jìn)行求解的步驟為:(1)確定幾何形狀,生成計(jì)算網(wǎng)格(用GAMBIT,也可以讀入其他指定程序生成的網(wǎng)格)。(2)輸入并檢查網(wǎng)格。(3)選擇求解器(2D或3D等)。(4)選擇求解的方程:層流或湍流(或無(wú)粘流),化學(xué)組分或化學(xué)反應(yīng),傳熱模型等。確定其他需要的模型。(5)確定流體的材料物性。(6)確定邊界類型及其邊界條件。(7)條件計(jì)算控制參數(shù)。(8)流場(chǎng)初始化。(9)求解計(jì)算。(10)保存結(jié)果,進(jìn)行后處理等。6玻璃液流運(yùn)動(dòng)模型玻璃熔窯內(nèi),除了化學(xué)反應(yīng)過(guò)程外,還有各種物理過(guò)程,如流體的流動(dòng)與混合過(guò)程、傳熱過(guò)程,擴(kuò)散傳質(zhì)過(guò)程等。這些過(guò)程可以歸納為動(dòng)量傳遞,熱量傳遞和質(zhì)量傳遞過(guò)程,通稱為“三傳”。在實(shí)際生產(chǎn)中,單從化學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)不能全面地解決問(wèn)題,必須把化學(xué)反應(yīng)和“三傳”合并起來(lái)綜合考慮和分析。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),必須借助計(jì)算機(jī)模擬技術(shù),才能把化學(xué)反應(yīng)規(guī)律與傳遞過(guò)程規(guī)律綜合起來(lái)進(jìn)行解析和處理。動(dòng)量傳遞表現(xiàn)為由壓強(qiáng)差引起的流體流動(dòng),如窯池內(nèi)玻璃液的流動(dòng)、火焰空間內(nèi)氣體流動(dòng)、蓄熱室內(nèi)氣體流動(dòng)、管道內(nèi)的氣體和液體流動(dòng)等。熱量傳遞表現(xiàn)為由溫度差引起的熱交換,如窯體內(nèi)部的熱傳遞、玻璃液內(nèi)部的熱交換、配合料內(nèi)部的熱交換、氣-固間的熱交換、氣-液間的熱交換、液-固間的熱交換等。質(zhì)量傳遞表現(xiàn)為濃度差引起的物質(zhì)擴(kuò)散,如玻璃液內(nèi)部的物質(zhì)擴(kuò)散、氣體空間內(nèi)同組分間的擴(kuò)散等。玻璃液流運(yùn)動(dòng)模型的建立:假設(shè):(1)玻璃液為均勻的牛頓型不可壓縮流體;(2)忽略玻璃液內(nèi)氣泡和化學(xué)反應(yīng)的作用;(3)玻璃液傳熱和流動(dòng)處于穩(wěn)定狀態(tài);(4)玻璃液的部分物理性質(zhì),如比勢(shì)Cp,膨脹系數(shù)β近似為常數(shù)。而粘度μ,有效導(dǎo)熱系數(shù)Keff,密度ρ隨溫度變化,可表示為Keff=α0+α1T+α2T2+α3T3(1)logμ=A+B/(T?C)(2)ρ=ρ0[1?B(T?T0)](3)玻璃液流運(yùn)動(dòng)模型由流體連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程組成。連續(xù)性方程ομοx+οvοy+οwοz=0(4)x方向動(dòng)量方程ορμοτ+ορμμοx+ορvμοz+ορwμοz=?οPοx+οοx[μομοx]+οοy[μομοy]+οοz[μομοz]+μ[ο2μοx2+ο2vοy2+ο2wοz2](5)y方向動(dòng)量方程ορvοτ+ορμvοx+ορvvοz+ορwvοz=?οPοx+οοx[μοvοx]+οοy[μοvοy]+οοz[μοvοz]+μ[ο2μοx2+ο2vοy2+ο2wοz2]+ρ0gβ(T?T0)(6)z方向動(dòng)量方程ορwοτ+ορμwοx+ορvwοz+ορwwοz=?οPοz+οοx[μοwοx]+οοy[μοwοy]+οοz[μοwοz]+μ[ο2μοx2+ο2vοy2+ο2wοz2](7)能量守恒方程οTοτ+μοTοx+vοTοy+wοTοz=οοx[αοTοx]+οοy[αοTοy]+οοz[αοTοz](8)式中,μ,ν,w為玻璃液在x,y,z方向上的速度(m/s);μ為玻璃液的動(dòng)力粘度(Pa·s);p為壓力(N/m2);T為玻璃液的溫度(K);α為玻璃液的導(dǎo)溫系數(shù)(J/m2·s),α=Keff/(Cp·ρ);CP為玻璃的熱容(J/kg·K)。根據(jù)熔窯的具體尺寸定義好邊界條件,包括速度邊界條件、熱邊界條件、通過(guò)FLUENT軟件的計(jì)算得到熔窯內(nèi)部玻璃液的流動(dòng)情況。通過(guò)改變不同的