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工业玻璃熔窑的数值模拟与实验分析
摘要
本文介绍了一种烧气、连续式、单侧小炉玻璃熔窑的三维研究。熔窑分为三个区域：火焰空间、窑池、投料池。火焰空间是分开模拟的，而窑池和投料池作为一个整体连接在一起。为了耦合这三个区域，提出了比现有的传统方法更灵活和更快速的新方法。模拟窑池中的熔化过程，玻璃窑池中的自然对流涡流和湍流以及火焰空间的化学反应。使用Gambit-2和Fluent-6软件进行模拟。将计算出的温度与在窑炉表面不同位置测得的实际值进行比较。结果表明最大相对误差小于7.6％。这项工作可以形成窑炉参数分析的基础，以降低其燃料消耗。
关键词：玻璃熔炉; 模拟; 火焰空间; 玻璃池窑; 耦合
1.介绍
玻璃熔窑由一个火焰空间和一个窑池组成lsquo;。燃料和空气/氧气被送入火焰空间并发生反应释放出大量的以辐射和对流形式的热量。沙子和碎玻璃被送入窑池中释放出的热量使他们发生一系列的化学反应使之能够融化。 玻璃熔体在窑池中流动来进行均质化直至其离开炉子。
为了实现这一目标，已经做了大量的研究工作减少燃料消耗和排放，也提升了玻璃质量。基于分析的，物理和数值模型已被用作主要工具来帮助研究人员实现上述目标。过去三十年来，取得了显著进展在使用电脑来模拟玻璃熔窑。这个确保数值模型的增长速度比其他模型更快。模拟被证明是非常有价值的工具，能够替代昂贵和耗时的测试。先进的处理器和计算算法确保玻璃熔窑的三维模拟更准确地处理物理和化学现象。燃烧反应，燃烧的湍流性质玻璃的复杂熔化过程和气泡的复杂行为在最近的研究中熔体流动中的固体颗粒更受关注
麦康奈尔和古德森[1]提出了一种简化的包含所有窑炉部位的模型。 三个能量方程解决了窑顶，窑壁以及耐火材料的温度。火焰空间中的辐射交换使用Hottel区域方法和流量进行计算玻璃池窑的流型是预定义的。 Mase和Oda [2]完成了二维流动和温度模式用于玻璃熔炉。 玻璃料的熔化速度被假定为常量，能量平衡方程用来确定玻璃料温度。 使用Hottel区域法模拟火焰空间温度。
Carvalho [3-5]介绍了一个由火焰空间，窑池和投料池模型组成的综合模型。 还考虑了砂粒溶解，氧化还原和澄清过程。 Chmelar等人 [6]提供了一个完整的玻璃熔炉模型，其中包括三维玻璃熔体流动与气泡，火焰空间和投料池模拟，并考虑电助燃的能力。 兰克霍斯特等人[7]开发了一个完整的玻璃熔炉模型，包括火焰空间和玻璃池窑模型。 通过熔体表面上的热通量分布进行耦合。 Hoke和Marchiando [8]提出了一个使用Fluent软件的模型，其中包括三维火焰空间和玻璃池窑模型。 该模型用于优化燃烧器的位置和燃烧速度与玻璃质量的关系。
Golchert等人在文献[9]提出了一个光谱辐射传热模型和一个减少的NOx动力学模型，并结合了一个流动模拟模式。 该模型用于研究玻璃熔炉火焰空间中的辐射交换，污染物形成和流动行为。 Loch综述了玻璃熔炉的数学模拟[10]，其中讨论了模拟的演变和趋势。 最近Chang等人 [11]使用欧拉方法完成了一个全面的计算模型来模拟玻璃窑池中的多相流动。 它包括所有阶段，将固体颗粒或气泡分成不同大小的组，并将每个组看作连续的。
尽管在火焰空间，玻璃池窑和投料池的三维建模方面取得了进展，但是它们或者没有被耦合到整个炉子模型中，或者没有经过与操作炉数据的仔细验证。
在这项工作中，窑炉被分成火焰空间，玻璃池窑和投料池。 玻璃池窑和投料池相互连接，其界面没有任何设定。 然而，燃烧空间是单独模拟的。 这项工作的主要贡献是引入了一种新的方法，用于将火焰空间与玻璃池窑-投料池模型相耦合。 在这种方法中，通过使用质量流量，原料的温度和组成，耐火材料的热损失以及通过燃料端口的气体流量的变化来估计玻璃池窑和投料池的自由表面上的热通量分布。此外，通过简单的技术来预测投料池的几何形状。 通过实际测量炉表面上十八个位置的温度来验证计算结果。
2.数学模拟
2.1 燃烧空间模型
由于湍流，化学反应和辐射交换，火焰以及燃烧产物的热行为非常复杂。 这里简要解释用于处理上述现象的模型。
2.1.1 湍流模型
燃烧气体的湍流性质通过应用Shih提出的可实现的k-e模型来模拟[12]。该模型旨在通过采用两种修改来解决传统k-e模型的缺陷。首先，如雷诺兹提出的那样，应用涉及变量Cm的新的涡流粘度公式。其次，根据均方涡度波动的动态方程应用了一个新的耗散率方程e。
Kimand和Choudhury [13]介绍了一种基于双层的非平衡壁函数，而不是标准壁函数。这个墙功能的关键要素如下。首先，Launder和Spalding的对数律对压力梯度效应敏感。其次，假定壁邻近的单元由粘性子层和完全湍流层组成。湍流剪切应力，生产率和耗散率的不同剖面被认为在每一层。该模型放宽了相邻单元处标准壁函数采用的局部平衡假设（生产=耗散）。
2.1.2 燃烧模型
通过应用Magnussen和Hjertager [14]提出的涡流破裂模型模拟燃烧反应。 该模型的主要特点是考虑了湍流对反应速率的影响。 反应速率与耗散速率与反应物和燃烧产物的湍动能之比e / k成比例。 这个比率的倒数代表Spalding涡旋耗散模型之后的湍流涡旋时间尺度[15]
2.1.3 辐射模型
热气体的辐射交换使用Lockwood和Shah [16]提出的离散纵坐标辐射模型（DORM）建模。 在这个模型中，假想的球体被认为是围绕着每个细胞。 每个球体被分成不连续的立体角，每个立体角与矢量方向相关联。 沿每个矢量求解辐射传输方程（RTE）以计算辐射强度。 该模型对于解决从表面辐射到表面辐射到燃烧问题中参与辐射的问题都很有用。
辐射从火焰和燃烧产物以不同波长发射。 应用Hottel和Sarofim [17]提出的加权灰色气体总和考虑了这一事实。 在这个模型中，气体的总发射率被认为是几个虚灰色气体的总和。 求和相关中使用的比率取决于气体组成和温度，并且从莱茵和塔克[18]中获得。
2.2 窑池模型
默认方程包括质量，动量和能量方程。 熔体流动主要是由熔体表面严重温度差异造成的强烈自由对流单元。 由于熔体的速度低和粘度高[2,3,5]，窑池中的流动是层流的。 辐射效应被认为是有效的热导率[2,3,5]。
2.3 投料池模型
默认方程包括质量，动量和能量方程。投料池可以根据温度分成三个区域。温度低于1073K的地区称为未熔核，原材料温度升高。温度为1073-1473K的区域称为化学反应区，化学反应区在原材料组分之间发生反应形成玻璃熔体。最后，温度超过1473K的区域称为熔融层，熔融玻璃薄层流动直至沉入窑池[19]。这些方程在每个区域都是不同的。化学反应区的能量方程包括一个焓源项。但是，考虑到辐射交换，熔融层的能量方程包括降低的有效热导率。由于熔化层厚度较小，有效热导率值低于窑池[20]。
3.解决方法
应用Gambit-2生成炉子的几何形状和网格[21]。燃烧空间根据港口的位置分为六个舱室。在每个车厢内，燃烧空间被分成56·42·36个元素，而空气口被分成30·20·24个元素。在燃料端口周围，在燃料和空气之间发生化学反应，通过应用非结构化元素来增加元素的浓度。玻璃罐和分批毯分别被分成40·40·206和40·10·100个元素。在无熔体表面和批料边界附近元素的浓度增加[22]。
Fluent-6被用作解算器[21]，其中有限体积法被用来对控制微分方程进行解析[23]。在燃烧空间中，对流项通过QUICK方法模拟，而在玻璃罐和分批毯中，它们通过二阶迎风方法模拟。速度和压力项在所有地区使用SIMPLER算法进行耦合[21]。
4.物理性质
4.1.燃烧空间
燃烧气体的热物理性质总结在表1中。燃烧气体可被认为是混合物。使用理想的气体定律来定义混合物的密度。混合物的粘度，热导率和比热定义为纯物质的质量分数平均值。每种物质的比热随着温度的多项式函数而变化。
4.2.玻璃罐
熔融玻璃的热物理性质总结在表2中。从表中可以看出，熔体的密度，比热和热膨胀比是恒定的，而熔体的粘度和有效热导率强烈依赖于温度。熔体流动主要受自然对流力的影响，并且极易受迭代解决方案的影响。为了减少这种趋势，温度低于1173 K时，粘度和有效电导率的值保持不变[22]。
4.3.投料池
投料池的热物理性质总结在表3中。如表中所示，由于批料毯可以分为未熔融芯，化学反应区和熔融层相对于温度，所以这些性能强烈地取决于温度。一般来说，未熔核的性质是原材料的性质，熔融层的性质是熔融玻璃的性质，通过插值计算反应区的性质。 该反应是吸热的，523kJ / kg的潜热。 对于低于1073 K的温度，粘度保持不变[22]。
燃烧气体的物理性质[21]
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密度(kg/m3) |
不可压缩理想气体 |
||
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粘度(kg/m s) |
质量加权混合法 |
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热导率(W/m K) |
质量加权混合法 |
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|
比热(J/kg K) |
混合定律 |
||
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表2 熔融玻璃的热物理特性[2,3,23,25] |
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密度(kg/m3) |
2500 |
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|
粘度(Pa s) |
1813
10exp（-2 |
Tlt;1073K Tgt;1073K |
|
|
热膨胀系数(1/K) |
5 · 10-5 |
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|
比热(J/kg K) |
1256 |
||
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有效的导热系数 (W/m K) |
5.38 5.386-0.02168T 0.00002058T2 |
Tlt;1073K Tlt;1073K |
|
表3
配合料的热物理性质[3,19,22,25]
|
密度(kg/m3) |
1400 |
未熔化的核 |
|
线性插值 |
化学反应区 |
|
|
2500 |
熔层 |
|
|
粘度(Pa s) |
1813
10exp （-2 ） |
未熔化的核 化学反应区和 熔层 |
|
比热 (J/kg K) |
1100 线性插值 |
未熔化的核 化学反应区 |
|
1256 |
熔层 |
|
|
有效的导热系数 (W/m K) |
1.5 线性插值 |
未熔化的核 化学反应区 |
|
3.5–4.5 |
熔层 |
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熔化热(J/kg) |
523,000 |
化学反应区 |
5.炉子描述和操作条件
在这项工作中，Abguineh玻璃熔炉的2号炉进行了模拟。 该炉为燃气，连续式和侧口，容量为200吨/日容器玻璃熔窑。 玻璃熔窑长26.3米，宽10.3米，深1.5米。 它的底部装有起泡器，但在测量过程中它们不能使用。 玻璃熔窑在原料进料的后壁外延伸3米。 燃烧空间有一个弧形冠，最高和最高高度分别为1.5米和1.8米。 每边有六个气口，每个口有三个燃油口。 火焰的方向每20分钟改变一次[22]。
5.1火焰空间的运行条件
在小炉口，给定气体速度使得小炉口1-6的流速分别为120,240,460,460,440和240m3 / h [22]。 燃料温度取300K，湍流强度比和燃料涡流的水力直径分别取10％和0.15mu;m。 在空气口处，空气速度被设定为使得过量空气与气体流量成比例为20％。 再生器将空气预
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