王　剛，楊國洪，張　峰，楊　威

（彩虹顯示器件股份有限公司，陜西 咸陽 712000）

基于GFM軟件的玻璃窯爐數(shù)值模擬

王剛，楊國洪，張峰，楊威

（彩虹顯示器件股份有限公司，陜西 咸陽 712000）

玻璃窯爐分為燃燒空間和玻璃熔化部分，以GFM軟件為研究平臺，通過建模、計算與結(jié)果分析對玻璃窯爐進行數(shù)值模擬研究，從模擬計算結(jié)果客觀反映玻璃窯爐溫度和流場分布規(guī)律，為窯爐的優(yōu)化設計、實際生產(chǎn)工藝提供理論參考。

玻璃窯爐；燃燒空間；玻璃熔化；GFM

玻璃的熔制是配合料在高溫條件下發(fā)生的一系列物理變化和化學變化，經(jīng)歷硅酸鹽形成、澄清、均化和冷卻4個階段后而形成均勻的、無氣泡的、并符合成形要求的玻璃液的過程［1］。隨著液晶平板產(chǎn)品高速發(fā)展，對核心部件平板玻璃質(zhì)量的要求也愈來愈高。玻璃窯爐是玻璃生產(chǎn)過程中的關鍵核心設備，屬于高耗能設備［2］。對玻璃窯爐的深入研究，對于提高玻璃質(zhì)量，減少玻璃生產(chǎn)成本具有重要意義。

隨著CAE技術的發(fā)展，玻璃窯爐的數(shù)學模擬技術也得到了迅速發(fā)展［3］。玻璃窯爐模型（GFM）是捷克Glass Service公司針對玻璃窯爐設計開發(fā)的一種仿真計算軟件，用于玻璃窯爐的三維數(shù)學模擬。GFM通過對燃燒（CM）和玻璃（GM）兩部分耦合計算，可以獲得玻璃窯爐內(nèi)燃燒火焰空間氣體流動、燃燒狀況以及溫度場分布，玻璃液流動方向、玻璃液流速和玻璃液的溫度場分布等。通過模擬可以獲取窯爐內(nèi)玻璃液體流動狀況以及燃燒空間的傳熱、燃燒狀況［4］。計算結(jié)果的分析對減少玻璃窯爐設計周期、降低了優(yōu)化成本，并且對實際生產(chǎn)工藝的調(diào)節(jié)有重要的指導意義。

本文以國內(nèi)某型玻璃窯爐為分析對象，建立全玻璃窯爐幾何仿真模型，利用數(shù)值模擬軟件GFM對整個玻璃窯爐進行模擬計算。

1　幾何模型的建立與邊界

GFM軟件包分為PRE-PROCESSORS、SOLVERS和POST-PROCESSING 3部分，在前處理中用GS CAD建立分析模型，輸入邊界條件，流體（玻璃液）相關參數(shù)以及系統(tǒng)設置參數(shù)，進行求解，在后處理中查看計算結(jié)果，并進行相關的計算。

該型玻璃窯爐為電熔全氧燃燒型玻璃窯爐，玻璃熔池以電極加熱為主，通過焦耳熱直接給玻璃加熱［5］，燃燒空間以天然氣燃燒為輔助型，通過邊界耦合，形成一個整體數(shù)值模擬計算模型。

1.1玻璃窯爐模型建立

建立的仿真模型如圖1至圖2所示。

圖1　火焰燃燒空間

圖2　玻璃熔化池

玻璃窯爐燃燒空間有3組燃槍，非等距排列，純氧槍距離玻璃液面高度為40 cm，玻璃熔化池池壁有3組電極，電極之間等距排列，第一第三組電極距離前后墻45 cm。

1.2邊界條件與網(wǎng)格

在GFM軟件CAD模塊中，進行模型的建立與網(wǎng)格的劃分，并進行邊界條件的設定。表1為整個玻璃窯爐的邊界條件。

表1　玻璃窯爐邊界條件

依據(jù)GFM軟件邊界參數(shù)設置條件，設定投入料數(shù)值，玻璃液流出量，燃燒槍的天然氣量和氧氣量，玻璃熔化部分設置電極功率和電極電壓，整個玻璃窯爐與空氣之間按照自然對流換熱進行邊界設置，玻璃熔化池與燃燒空間設定耦合邊界。初始溫度設定為1 400℃。

2　模擬計算結(jié)果與分析

2.1溫度場分布

圖3至圖6為玻璃窯爐不同截面溫度分布，從計算結(jié)果分析可知，火焰稱排列，保持水平狀態(tài)，圖4和圖5所示，窯爐內(nèi)部燃燒空間、玻璃流場溫度場沿中心線基本呈對稱分布，燃燒熱很好的輻射到玻璃表面，通過玻璃流場循環(huán)，傳遞燃燒熱能。

圖3　玻璃窯爐中心軸線溫度梯度分布

圖4　燃燒空間燃槍中心溫度梯度分布

圖5　窯爐中心（側(cè)視）溫度梯度分布

圖6　玻璃液面（俯視）溫度梯度分布

2.2流場分布

圖7至圖10分別為不同截面燃燒空間和玻璃液流動方向示圖，圖7玻璃液流動形成一個大循環(huán)和一個后部小循環(huán)，大循環(huán)逆時針流動，傳遞燃燒熱，混合配合料使得玻璃液和新配合料充分融合，均化，熔化完成的玻璃液沿著后部小循環(huán)從出料口進入通道。環(huán)流對于配合料的熔化、玻璃液的均化以及澄清起著重要的作用［6］。綜合圖示結(jié)果可知，玻璃流動穩(wěn)定，形成的玻璃環(huán)流，助于形成高質(zhì)量均勻玻璃。

圖7　玻璃窯爐中心軸線流場分布

圖8　玻璃窯爐中心（側(cè)視）流場分布

圖9　燃燒空間燃槍中心面流場分布

圖10　玻璃液表面（俯視）流場分布

2.3玻璃熔化池焦耳熱與電流密度分布

該玻璃窯爐為電熔全氧燃燒型，在后處理結(jié)果中，可以得到熔化池焦耳熱分布和電流密度分布，圖11和圖12分別為該模型焦耳熱與電流密度分布示意圖，由圖可知，電極加熱效果良好，更好地作用在玻璃液上，電極之間池壁磚得到很好的保護，提高池壁磚使用壽命。

2.4其他分析計算結(jié)果

圖13是該玻璃窯爐模型進行的玻璃液內(nèi)部氣泡行為分析，圖14為玻璃粒子流動軌跡。由圖可知，玻璃液中的氣泡得到很好的澄清，有利于形成高質(zhì)量的玻璃。表2為玻璃液質(zhì)量參數(shù)計算，是通過玻璃模型中對粒子的計算跟蹤得到，包括滯留時間、熔化指數(shù)、澄清指數(shù)和均化指數(shù)。滯留時間最小的粒子軌跡成為臨界軌跡；融化指數(shù)是玻璃沿軌跡的熔化質(zhì)量，數(shù)值越高意味玻璃粒子滯留在高溫區(qū)域的時間越長；澄清指數(shù)是玻璃沿軌跡的澄清質(zhì)量，數(shù)值越高意味玻璃粒子滯留在典型澄清溫度區(qū)域時間越長；均化指數(shù)反映1 cm厚的條紋沿軌跡能被稀釋的次數(shù)。玻璃質(zhì)量參數(shù)計算對玻璃窯爐設計有很高的參考價值。

圖11　玻璃熔化池焦耳熱分布（俯視）

圖13　玻璃液內(nèi)部氣泡行為分析

圖14　玻璃粒子軌跡行為分析

表2　玻璃窯爐玻璃液質(zhì)量參數(shù)計算

3　結(jié)語

本文以某型玻璃窯爐為分析對象，對整個玻璃窯爐的燃燒空間和玻璃熔化池多物理耦合場進行了數(shù)值模擬分析，得到了玻璃窯爐整體的溫度場、流場以及焦耳熱、電流密度等分布情況，并根據(jù)玻璃窯爐實際運行監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了對比，玻璃溫度和空間溫度分布趨勢與實際一致性比較好，具有很高的參考價值。在實際生產(chǎn)中，可通過不同設計方案的調(diào)整，對玻璃窯爐進行參數(shù)優(yōu)化，對比分析結(jié)果，提高玻璃窯爐設計水平和生產(chǎn)工藝調(diào)整水平，節(jié)約生產(chǎn)成本，并能對下一步玻璃窯爐設計提供有力依據(jù)。

［1］趙彥釗，殷海榮.玻璃工藝學［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2006（7）：236-237.

［2］劉宗明，韓韜，段廣彬.全氧燃燒玻璃纖維窯爐數(shù)值模擬研究［J］.建筑材料學報，2011，14（2）：196-201.

［3］孫承緒，李會平.數(shù)字窯爐［J］.玻璃與搪瓷，2006，34（2）：58-61.

［4］金偉，杜鳳英，段廣彬，等.基于FLUENT平臺的玻璃窯爐燃燒空間的數(shù)值模擬［J］.山東化工，2011，40（9）：26-29.

［5］唐偉，朱永昌.數(shù)學模擬在電熔玻璃窯爐中的應用［J］.建筑玻璃與工業(yè)玻璃，2013（4）：47-48.

［6］沈錦林，朱劍飛，顏暉.玻璃池窯內(nèi)配合料及玻璃液流的三維數(shù)值模擬［J］.浙江大學學報：工學版，1999（4）：398-403.

Numerical Simulation of Glass Furnace Based on GFM Software

WANG Gang，YANG Guohong，ZHANG Feng，YANG Wei
（IRICO Display Devices Co.，Ltd，Xianyang 712000，Shaanxi，China）

Glass furnace is divided into the combustion space and glass melting.This paper takes GFM software as the research platform，based on mathematical modeling，calculation and analysis of the results of the numerical simulation of a glass furnace，anduses the simulation results which objectively reflect the glass furnace temperature and flow field distribution，to provide some theory reference for the optimization design and actual production process.

glass melting furnace；combustion space；glass melting；GFM

TQ171

A

1672-2914（2015）04-0049-03

2014-12-01

王 剛（1980-），男，陜西咸陽市人，彩虹顯示器件股份有限公司CAE工程師，研究方向為玻璃窯爐仿真技術。