隧道窑冷却带喷嘴布置对窑内气流动的影响

1、隧道窑冷却带喷嘴布置对窑内气流动的影响摘 要 利用计算流体力学软件 Fluent 中的标 准紊动能-紊动能耗散率（k- £模型和多孔介质模型， 对隧道窑冷却带内气体流场进行了三维数值模拟，研 究喷嘴的数量和布置方式对窑内气体流动的影响。研 究表明，喷嘴的安装布置应为：上排喷嘴靠近窑顶， 下排喷嘴靠近窑车台面；当维持喷入总风量和喷嘴喷 出速度不变时，喷嘴个数应有一定范围，不能太多； 上排喷嘴和下排喷嘴应对称安装。关键词 隧道窑，冷却带，数值模拟，速度分布， 冷却1 引言隧道窑冷却带位于烧成带之后，主要用来冷却高 温制品。冷却带的结构参数直接影响窑内气体流动， 从而影响制品的冷却效率及产

2、品质量。影响窑内气体 流动的因素主要有料垛码法、烧嘴喷射角度及规格等 15。本文应用计算机数值模拟技术，利用计算流 体力学软件 Fluent 中的标准紊动能 -紊动能耗散率（k- £）模型和多孔介质模型，研究冷却风喷嘴安装位置、喷嘴数量、上下喷嘴是否对称安装对窑内气体流 动的影响，为隧道窑设计提供参考。2 模 型2.1 计算模型某隧道窑内截面宽2.65 m （有效宽2.4 m），高1.14 m （火道高 0.24 m ，码料区高 0.75 m ，制品距 窑顶 0.15 m ）。冷却带长 10 m ，冷却风入口喷嘴与热 风抽出口呈周期性分布，每节下排和上排各有两个冷却风入口，窑顶有一个

3、热风抽出口。取隧道窑的一小节进行模拟，为简化计算，假设如下：（1）每节吹入的冷却风全部由相应的热风抽出口 抽出；（2）流场中间对称， 取一半几何体划分网格和计算。计算模型如图 1 所示。2.2 网格划分划分网格时，先划分面网格再划分体网格。面网 格划分采用 Quad/Pave 方法，划分前先对代表喷嘴的 小圆孔进行网格划分。 体网格划分采用混合网格方案。为提高计算精度，小圆孔网格的节点间距要与其尺寸 相适应。最终划分的网格如图 2 所示。2.3 边界条件的设置和算法工质为空气。固体壁面均为无滑移绝热壁面；上 下两排喷嘴为速度入口；排热风口为自由出口；码料 区与火道为多孔介质 6区。在隧道窑内制

4、品区装满大 量的形状不规则制品；火道内有支柱分布，使气体在 制品区和火道内流动空间减小且流动阻力增大，因此 可将它们设为参数不同的多孔介质区。可根据窑内制 品码放情况调整多孔介质参数，近似模拟窑内气体流 动。压力与速度的耦合采用 SIMPLE 算法求解。因网格数目较大，为加快收敛，动量方程、能量方程和K £方程采用一阶迎风格式。3 数值模拟结果和分析为具体研究隧道窑的喷嘴布置对窑内气体流动的 影响，安排如表 1 所示的实验。3.1 喷嘴垂直安装位置下排喷嘴的垂直安装位置可在距离窑车台面00.24 m 范围内即火道内； 上排喷嘴安装的位置可在距 离窑顶 00.15 m 的范围内。上下两

5、排喷嘴距离窑车 台面或窑顶由近至远（距离制品由远至近）分成 AD 四种方法安装，如表 2 所示由于线段上的速度分布比较直观，做一条过窑内 制品中心附近且平行于隧道窑横截面的直线，考察该 线段上窑内气体的速度分布情况（以下3.23.3都是 模拟分析该线段上的窑内气体速度分布） 。设上下喷嘴 的气体喷出速度为 120 m/s ，经迭代计算后，该线段 上的速度分布如图 3 所示。由图 3 可以看出，喷嘴垂 直安装靠近窑车台面或窑顶，如安装方法 A，窑内线 段上速度分布均匀， 制品区速度在 0.52.0 m/s 之间， 主要集中在 0.5 m/s 左右；喷嘴安装在距离窑车台面 或窑顶的中间位置，如安装

6、方法B,速度大小在0.251.2 m/s 之间，主要在 0.4 m/s 左右，窑内线段上速度 减小且大小不均匀；喷嘴与窑车台面或窑顶的距离继 续增大，即安装位置稍微靠近制品时， 如分布方法 C， 此时窑内线段上速度增大而且大小分布均匀，与安装 位置 A 的情况几乎相同；喷嘴与窑车台面（或窑顶）的距离增大到喷嘴靠近制品时，如安装方法 D ，窑内 线段上速度增大，但大小不均匀，气体流速在 0.2 0.8m/s 之间，主要集中在 0.6m/s 左右。由此看出， 喷嘴安装位置在距离窑车台面（或窑顶）的中间位置 时平均速度最小；靠近或远离窑车台面（或窑顶）时 平均速度大。这是因为喷嘴在中间位置时，喷出的

7、气 流有足够的空间扩散，速度减小得快；靠近或远离窑 车台面和窑顶时，喷出气流的扩散空间相对减小，速 度减小得慢。在热风抽出口负压的带动下，制品区气 体流动的速度后者大于前者。 安装位置 A 和 C 的速度 大且较均匀。但是考虑到温度因素，喷嘴离制品近， 急冷风未充分与周围进行热交换，急冷风与制品的温 差大，易造成制品开裂。所以，喷嘴合适的安装位置 是下排靠近窑车台面，上排靠近窑顶 这一结论可以从隧道窑某一横截面上的温度分布 等高线上进一步论证。过冷却带的中间作一横截面， 考察该面上的温度分布情况。 其计算结果如图 4 所示 由图4可以看出，位置为A和C时，温度等高线比较 均匀，温度也较高，窑内

8、的气体形成环流；其它两个 喷嘴的安装位置，由于窑内气流速度较慢，流动不畅 通，制品与气体换热速度慢， 造成窑内气体温度较低。 其原因是热源相同时，合适的喷嘴安装位置会使窑内 气体的流速增大，而流速增大加强了气体与制品的换 热强度，所以窑内制品温度高且分布均匀。因此可得 出结论：喷嘴安装位置靠近窑车台面和窑顶时（安装 位置A）,温度最高、最有利于制品冷却，是最合适的 安装位置。事实上，在以下的模拟中，喷嘴的布置方法有利于窑内气体均匀快速地流动、气体温度也比较高，有 利于制品的冷却。3.2 喷嘴数量假设隧道窑急冷带的一小节内有 2 个喷嘴，在总 风量与喷风速度不变的情况下， 喷嘴分别增加到 4 个

9、、 6 个和 8 个，其内径相应减小。设喷嘴的气体喷出速 度为 120m/s ，经迭代计算后窑内某线段上速度分布如 图 5 所示。急冷风喷嘴分别为 2 个和 4 个时，窑内某线段上 的速度分布几乎相同，中间速度线比较平直、速度大 小比较均匀，制品区速度大小在 0.52.0 m/s之间， 主要在 0.5 m/s 左右；当喷嘴个数增加到 6个时，制 品区靠近喷嘴处速度增大，但是速度线有起伏、大小 不够均匀，主要速度集中在 0.5 m/s 左右，但是最小 速度为 0.3 m/s ，速度有减小的趋势；喷嘴数为 8 个 时，制品区域速度减小到0.20.4 m/s之间，而且速 度线起伏较大，不利于制品快速

10、均匀冷却。由此可以 看出 ,喷嘴数量增加，窑内气体流动均匀度减小，不利 于制品快速均匀冷却。其原因是在总流量不变的情况 下，喷嘴个数增加，单个喷嘴的送风量减小，对窑内 气体的扰动作用减小，导致窑内气体流速减小而且流 动不均匀。由此可知隧道窑的一小节内喷嘴的个数应 为2 至 6个，不能太多。3.3 喷嘴布置方式急冷风入口的排布方式分上下喷嘴的对排和错排， 而错排又分为两种：一是上排喷嘴对准热风抽出口， 下排喷嘴和上排喷嘴交错排列 （错排 1）；二是下排喷嘴对准热风抽出口， 上排喷嘴和下排喷嘴交错排列 （错排 2 ）。设上下两排喷嘴的气体喷出速度为 120 m/s ， 计算结果如图 6 所示由图

11、6可以看出，错排 1 的左边（下排喷嘴安装 的一边）速度明显高于错排 2 和对排左边的速度。这 是因为其上排喷嘴对准热风抽出口，吹出的急冷风易 被抽走，下排喷嘴吹入的冷风在热风抽出口负压的带 动下更快地向出口处流动。错排 2 和对排的速度分布 线几乎相同，因为它们的上排喷嘴都不对准热风抽出 口，只是排布方式分别为对排和错排；对排的制品区 速度比错排 2 的要大些，而且大小更均匀，有利于制 品均匀快速冷却。4 结论1）喷嘴垂直安装位置应是上排喷嘴靠近窑顶，下排喷嘴靠近窑车台面处；(2)当维持总喷入风量及喷嘴喷风速度不变时， 喷嘴个数应保持在一定范围，不能太多；(3) 上下喷嘴的对称布置有利于窑内

12、气体流动均匀。参考文献1 吴建青 ,刘振群 .梭式窑炉对流换热的模拟研究J.硅酸盐学报，1997,25(2):152 1562 高 晖,郭烈锦 ,顾汉祥 .梭式窑空气动力模型中 紊流流动与对流传热的数值模拟研究J.硅酸盐学 报,2002,30(5): 602 6073 冯 青,陆 琳,曾德生等.辊道窑烧嘴喷射角度对 窑内湍流气流影响的研究 J .中国陶瓷工业,2004(1):22 254 赵越清 . 快烧陶瓷隧道窑的截面温度分布及其均衡措施J.中国陶瓷工业,2005,12(1):32355 陈国红,黄绍明,王世刚.空气推板式隧道窑高温间接冷却系统J.电子工业专用设备,2004(111):515

13、26Effect of Nozzle Quantity and Arrangement onthe Airflow in Cooling Section of Tunnel KilnAi Mingxiang1Wang Shifeng1,2 Liu Guangxia1(1 School of Material Science andEngineeringShandong Institute of LightIndustryJinan Shandong2503532 Space Thermal Science Research InstituteShandong UniversityJinan S

14、handong 250061)Abstract: By using the CFD software Fluent'sk- £ 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 th