摘 要 利用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent中的標(biāo)準(zhǔn)紊動能-紊動能耗散率（k-ε）模型和多孔介質(zhì)模型，對隧道窯冷卻帶內(nèi)氣體流場進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，研究噴嘴的數(shù)量和布置方式對窯內(nèi)氣體流動的影響。研究表明，噴嘴的安裝布置應(yīng)為：上排噴嘴靠近窯頂，下排噴嘴靠近窯車臺面；當(dāng)維持噴入總風(fēng)量和噴嘴噴出速度不變時，噴嘴個數(shù)應(yīng)有一定范圍，不能太多；上排噴嘴和下排噴嘴應(yīng)對稱安裝。

關(guān)鍵詞 隧道窯，冷卻帶，數(shù)值模擬，速度分布，冷卻

1引言

隧道窯冷卻帶位于燒成帶之后，主要用來冷卻高溫制品。冷卻帶的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響窯內(nèi)氣體流動，從而影響制品的冷卻效率及產(chǎn)品質(zhì)量。影響窯內(nèi)氣體流動的因素主要有料垛碼法、燒嘴噴射角度及規(guī)格等[1～5]。本文應(yīng)用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)，利用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent中的標(biāo)準(zhǔn)紊動能-紊動能耗散率（k-ε）模型和多孔介質(zhì)模型，研究冷卻風(fēng)噴嘴安裝位置、噴嘴數(shù)量、上下噴嘴是否對稱安裝對窯內(nèi)氣體流動的影響，為隧道窯設(shè)計(jì)提供參考。

2模 型

2.1 計(jì)算模型

某隧道窯內(nèi)截面寬2.65 m（有效寬2.4 m），高1.14 m（火道高0.24 m，碼料區(qū)高0.75 m，制品距窯頂0.15 m）。冷卻帶長10 m，冷卻風(fēng)入口噴嘴與熱風(fēng)抽出口呈周期性分布，每節(jié)下排和上排各有兩個冷卻風(fēng)入口，窯頂有一個熱風(fēng)抽出口。取隧道窯的一小節(jié)進(jìn)行模擬，為簡化計(jì)算，假設(shè)如下：

（1）每節(jié)吹入的冷卻風(fēng)全部由相應(yīng)的熱風(fēng)抽出口抽出；

（2）流場中間對稱，取一半幾何體劃分網(wǎng)格和計(jì)算。

計(jì)算模型如圖1所示。

2.2 網(wǎng)格劃分

劃分網(wǎng)格時，先劃分面網(wǎng)格再劃分體網(wǎng)格。面網(wǎng)格劃分采用Quad/Pave方法，劃分前先對代表噴嘴的小圓孔進(jìn)行網(wǎng)格劃分。體網(wǎng)格劃分采用混合網(wǎng)格方案。為提高計(jì)算精度，小圓孔網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)間距要與其尺寸相適應(yīng)。最終劃分的網(wǎng)格如圖2所示。

2.3邊界條件的設(shè)置和算法

工質(zhì)為空氣。固體壁面均為無滑移絕熱壁面；上下兩排噴嘴為速度入口；排熱風(fēng)口為自由出口；碼料區(qū)與火道為多孔介質(zhì)[6]區(qū)。在隧道窯內(nèi)制品區(qū)裝滿大量的形狀不規(guī)則制品；火道內(nèi)有支柱分布，使氣體在制品區(qū)和火道內(nèi)流動空間減小且流動阻力增大，因此可將它們設(shè)為參數(shù)不同的多孔介質(zhì)區(qū)?？筛鶕?jù)窯內(nèi)制品碼放情況調(diào)整多孔介質(zhì)參數(shù)，近似模擬窯內(nèi)氣體流動。

壓力與速度的耦合采用SIMPLE算法求解。因網(wǎng)格數(shù)目較大，為加快收斂，動量方程、能量方程和κ-ε方程采用一階迎風(fēng)格式。

3數(shù)值模擬結(jié)果和分析

為具體研究隧道窯的噴嘴布置對窯內(nèi)氣體流動的影響，安排如表1所示的實(shí)驗(yàn)。

3.1 噴嘴垂直安裝位置

下排噴嘴的垂直安裝位置可在距離窯車臺面0～0.24 m范圍內(nèi)即火道內(nèi)；上排噴嘴安裝的位置可在距離窯頂0～0.15 m的范圍內(nèi)。上下兩排噴嘴距離窯車臺面或窯頂由近至遠(yuǎn)（距離制品由遠(yuǎn)至近）分成A～D四種方法安裝，如表2所示。

由于線段上的速度分布比較直觀，做一條過窯內(nèi)制品中心附近且平行于隧道窯橫截面的直線，考察該線段上窯內(nèi)氣體的速度分布情況（以下3.2～3.3都是模擬分析該線段上的窯內(nèi)氣體速度分布）。設(shè)上下噴嘴的氣體噴出速度為120 m/s，經(jīng)迭代計(jì)算后，該線段上的速度分布如圖3所示。由圖3可以看出，噴嘴垂直安裝靠近窯車臺面或窯頂，如安裝方法A，窯內(nèi)線段上速度分布均勻，制品區(qū)速度在0.5～2.0 m/s之間，主要集中在0.5 m/s左右；噴嘴安裝在距離窯車臺面或窯頂?shù)闹虚g位置，如安裝方法B，速度大小在0.25～1.2 m/s之間，主要在0.4 m/s左右，窯內(nèi)線段上速度減小且大小不均勻；噴嘴與窯車臺面或窯頂?shù)木嚯x繼續(xù)增大，即安裝位置稍微靠近制品時，如分布方法C，此時窯內(nèi)線段上速度增大而且大小分布均勻，與安裝位置A的情況幾乎相同；噴嘴與窯車臺面（或窯頂）的距離增大到噴嘴靠近制品時，如安裝方法D，窯內(nèi)線段上速度增大，但大小不均勻，氣體流速在0.2～0.8m/s之間，主要集中在0.6m/s左右。由此看出，噴嘴安裝位置在距離窯車臺面（或窯頂）的中間位置時平均速度最??；靠近或遠(yuǎn)離窯車臺面（或窯頂）時平均速度大。這是因?yàn)閲娮煸谥虚g位置時，噴出的氣流有足夠的空間擴(kuò)散，速度減小得快；靠近或遠(yuǎn)離窯車臺面和窯頂時，噴出氣流的擴(kuò)散空間相對減小，速度減小得慢。在熱風(fēng)抽出口負(fù)壓的帶動下，制品區(qū)氣體流動的速度后者大于前者。安裝位置A和C的速度大且較均勻。但是考慮到溫度因素，噴嘴離制品近，急冷風(fēng)未充分與周圍進(jìn)行熱交換，急冷風(fēng)與制品的溫差大，易造成制品開裂。所以，噴嘴合適的安裝位置是下排靠近窯車臺面，上排靠近窯頂。

這一結(jié)論可以從隧道窯某一橫截面上的溫度分布等高線上進(jìn)一步論證。過冷卻帶的中間作一橫截面，考察該面上的溫度分布情況。其計(jì)算結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，位置為A和C時，溫度等高線比較均勻，溫度也較高，窯內(nèi)的氣體形成環(huán)流；其它兩個噴嘴的安裝位置，由于窯內(nèi)氣流速度較慢，流動不暢通，制品與氣體換熱速度慢，造成窯內(nèi)氣體溫度較低。其原因是熱源相同時，合適的噴嘴安裝位置會使窯內(nèi)氣體的流速增大，而流速增大加強(qiáng)了氣體與制品的換熱強(qiáng)度，所以窯內(nèi)制品溫度高且分布均勻。因此可得出結(jié)論：噴嘴安裝位置靠近窯車臺面和窯頂時（安裝位置A），溫度最高、最有利于制品冷卻，是最合適的安裝位置。

事實(shí)上，在以下的模擬中，噴嘴的布置方法有利于窯內(nèi)氣體均勻快速地流動、氣體溫度也比較高，有利于制品的冷卻。

3.2 噴嘴數(shù)量

假設(shè)隧道窯急冷帶的一小節(jié)內(nèi)有2個噴嘴，在總風(fēng)量與噴風(fēng)速度不變的情況下，噴嘴分別增加到4個、6個和8個，其內(nèi)徑相應(yīng)減小。設(shè)噴嘴的氣體噴出速度為120m/s，經(jīng)迭代計(jì)算后窯內(nèi)某線段上速度分布如圖5所示。

急冷風(fēng)噴嘴分別為2個和4個時，窯內(nèi)某線段上的速度分布幾乎相同，中間速度線比較平直、速度大小比較均勻，制品區(qū)速度大小在0.5～2.0 m/s之間，主要在0.5 m/s左右；當(dāng)噴嘴個數(shù)增加到6個時，制品區(qū)靠近噴嘴處速度增大，但是速度線有起伏、大小不夠均勻，主要速度集中在0.5 m/s左右，但是最小速度為0.3 m/s，速度有減小的趨勢；噴嘴數(shù)為8個時，制品區(qū)域速度減小到0.2～0.4 m/s之間，而且速度線起伏較大，不利于制品快速均勻冷卻。由此可以看出，噴嘴數(shù)量增加，窯內(nèi)氣體流動均勻度減小，不利于制品快速均勻冷卻。其原因是在總流量不變的情況下，噴嘴個數(shù)增加，單個噴嘴的送風(fēng)量減小，對窯內(nèi)氣體的擾動作用減小，導(dǎo)致窯內(nèi)氣體流速減小而且流動不均勻。由此可知隧道窯的一小節(jié)內(nèi)噴嘴的個數(shù)應(yīng)為2至6個，不能太多。

3.3 噴嘴布置方式

急冷風(fēng)入口的排布方式分上下噴嘴的對排和錯排，而錯排又分為兩種：一是上排噴嘴對準(zhǔn)熱風(fēng)抽出口，下排噴嘴和上排噴嘴交錯排列（錯排1）；二是下排噴嘴對準(zhǔn)熱風(fēng)抽出口，上排噴嘴和下排噴嘴交錯排列（錯排2）。設(shè)上下兩排噴嘴的氣體噴出速度為120 m/s，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出，錯排1的左邊（下排噴嘴安裝的一邊）速度明顯高于錯排2和對排左邊的速度。這是因?yàn)槠渖吓艊娮鞂?zhǔn)熱風(fēng)抽出口，吹出的急冷風(fēng)易被抽走，下排噴嘴吹入的冷風(fēng)在熱風(fēng)抽出口負(fù)壓的帶動下更快地向出口處流動。錯排2和對排的速度分布線幾乎相同，因?yàn)樗鼈兊纳吓艊娮於疾粚?zhǔn)熱風(fēng)抽出口，只是排布方式分別為對排和錯排；對排的制品區(qū)速度比錯排2的要大些，而且大小更均勻，有利于制品均勻快速冷卻。

4結(jié)論

（1） 噴嘴垂直安裝位置應(yīng)是上排噴嘴靠近窯頂，下排噴嘴靠近窯車臺面處；

（2） 當(dāng)維持總噴入風(fēng)量及噴嘴噴風(fēng)速度不變時，噴嘴個數(shù)應(yīng)保持在一定范圍，不能太多；

（3） 上下噴嘴的對稱布置有利于窯內(nèi)氣體流動均勻。

參考文獻(xiàn)

1 吳建青，劉振群.梭式窯爐對流換熱的模擬研究[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，1997，25(2):152～156

2 高 暉，郭烈錦，顧漢祥.梭式窯空氣動力模型中紊流流動與對流傳熱的數(shù)值模擬研究[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2002，30(5): 602～607

3 馮 青，陸 琳，曾德生等.輥道窯燒嘴噴射角度對窯內(nèi)湍流氣流影響的研究[J].中國陶瓷工業(yè)，2004(1):22～25

4 趙越清.快燒陶瓷隧道窯的截面溫度分布及其均衡措施[J].中國陶瓷工業(yè)，2005，12(1):32～35

5 陳國紅，黃紹明，王世剛.空氣推板式隧道窯高溫間接冷卻系統(tǒng)[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2004(111):51～52

6 Fluent.inc.Fluent uer's guid[EB/OL].Http://www.Fluent.com.

Effect of Nozzle Quantity and Arrangement on the Airflow in Cooling Section of Tunnel Kiln

Ai Mingxiang1Wang Shifeng1，2 Liu Guangxia1

(1 School of Material Science and EngineeringShandong Institute of Light IndustryJinan Shandong250353

2 Space Thermal Science Research InstituteShandong UniversityJinan Shandong 250061)

Abstract: By using the CFD software Fluent's k-ε model and porous media conditions，the airflow in a kiln's cooling section was numerically simulated to provide guidance for the quantity and arrangement of nozzle.The results showed that the upper and lower nozzles should be symmetrically installed and they should be close to the kiln ceiling and the kiln car's table-board respectively，the quantity of nozzle should be appropriate instead of too many.

Keywords: tunnel kiln，sharply cooling section，numerical simulation，velocity distribution，cooling