基于fluen的熔窑内玻璃液流动分析

基于fluen的熔窑内玻璃液流动分析

浮法玻璃盘是浮法玻璃生产过程中的重要工农业设备。这是三个主要的玻璃加热设备之一。玻璃从助助材料中融化，然后可以制成玻璃溶液。整个变化过程是完成的，其能耗占整个生产线总能耗的70%以上。了解玻璃熔窑内玻璃液流运动和传热的规律对于提高窑炉的设计水平,改进作业条件,降低生产成本,提高玻璃质量和经济效益,节约能源具有重要意义,因而受到广大玻璃生产研究设计人员的关注。用FLUENT软件可以对熔窑中玻璃液的流动情况进行有效的模拟,得到玻璃熔窑中的运行状况的有效数据。因此,对浮法玻璃熔窑进行研究,对降低玻璃生产成本、提高玻璃质量、节约热能都具有重要意义。1浮法成型工艺对浮法工艺稳定性认识存在着问题目前我国一些浮法玻璃企业通过设备引进,虽然在装备上已接近国际水平,但就其整体技术水平和产品质量与国际先进水平尚有不小差距,究其原因,问题主要在于我们对浮法成型的机理和稳定控制认识上还不到位,工艺调整主要靠经验进行,没有理论论据做支持。2气体组份和内压层压浮法玻璃熔窑作业过程见图1。配合料由投料口进入熔窑后,在上部火焰和下层玻璃液的加热下,升温、脱水、进行硅酸盐反应,并伴随有吸热或放热效应。随着温度的进一步升高,反应产物变成透明的玻璃熔体,其中不仅含有大量的显气泡,还含有大量的气体组份,如CO2,SO2等。配合料熔化后由于密度增大,逐渐流下配合料堆,进入下层熔融玻璃液。熔窑中的玻璃液,由于温度分布的不均匀和出料作业的综合作用,形成图1所示的液流运动。根据玻璃熔制要求,玻璃液在离开熔化部之前熔体中的气泡必须彻底排出或被吸收,新鲜玻璃液中夹杂的砂粒也必须彻底熔化。出料口的玻璃液不仅要求其温度均匀、稳定,还要求具有极高的化学均匀性。在玻璃熔窑中,一般希望投料口至热点区域,有足够强的自然对流以保证配合料在稳定位置熔化,避免尚未熔化的配合料越过热点直接流向出口。热点至卡脖区域,希望上层玻璃液流速较慢,使玻璃液在高温区域有较长的滞留时间。冷却部主要是保证上层玻璃液能均匀冷却,满足成形温度要求。3国内三维模拟仿真近20多年来,国外利用计算机模拟技术对熔化、成型和退火进行了大量的研究,已取得了可喜的成绩。荷兰TNO组织开发的“玻璃池窑三维数学模型”已被美国福特公司,PPG公司以及比利时格拉威伯尔等十几家公司应用,取得了良好的效果。而国内三维模拟只对生产电真空玻璃熔窑进行过试用,对玻璃熔窑的计算仿真一般只限于二维,有的公司虽然做过三维的模拟,但不够深入,还不足以真正地指导生产。采用计算机数学模拟技术加强对浮法玻璃的熔化、成型和退火控制,对进一步提升国内浮法玻璃整体水平和产品质量至关重要。4玻璃熔窑的数学模型目前,国内外对熔窑内传热和流动的研究主要有3种方法:现场实际测量、物理模拟试验、数学模拟研究。现场实测法是研究熔窑热工过程最直接的方法,其优点在于反映真实情况。但这种方法不能随意变动生产条件,而且生产窑炉又处于高温熔制和封闭状态,很难对熔窑内部运行情况进行全面细致的观察和测试。物理模拟在实际应用中由于其可视性、可测性和方案变换容易,为研究玻璃熔窑提供了极大方便。但是,熔窑物理模拟只能做到近似相似,尤其是对配合料的模拟还不能解决。数学模拟是一类较为先进的研究方法,它是随着计算机发展和数值计算水平提高而发展起来的一种研究方法。数值模拟的发展相对要晚一些。它是根据流体力学和传热学原理,通过求解数学模型来获得对熔窑内玻璃液流动与传热情况的认识。随着电子技术与计算技术的迅速发展,计算机运算速度与内存容量大幅度提高后,玻璃熔窑的数值模拟技术便迅速发展起来,并获得越来越多的应用。它避免了物理模拟中不能满足所有相似条件的缺陷,并具有容易改变作业参数、易于控制边界条件的优点,正越来越广泛地被各国玻璃熔窑研究人员所采用。由于数值模拟比物理模拟具有更大的灵活性并可获得更多的信息,它的应用已日益超过物理模拟而成为研究玻璃液流动与传热的主要手段。迄今为止,有关玻璃液流动与传热的认识大多来自于物理模拟和数值模拟。其中,20世纪70年代,MaseHetal首次提出了比较接近实际生产的浮法玻璃熔窑纵截面二维数学模型。此后,又对该模型进行了改进。该模型在众多二维熔窑模型中是比较完善的,其局限是不能反映玻璃液横向运动和温度分布以及池宽变化对作业的影响。进入20世纪80年代后,玻璃熔窑数学模拟由二维发展到三维,其实用价值有了极大的提高。但至今尚未建立具有较大实用意义的三维浮法玻璃熔窑数学模型。FLUENT软件是计算流体流动和传热的专用软件,它不需要研究人员具有计算机编程的能力,只需要具有流体力学和传热学方面的知识就可以对玻璃熔窑的运行状况进行模拟研究,通过建立一个比较接近实际作业的三维数学模型,对熔窑的内部温度场,速度场,压力场等进行有效的模拟为浮法玻璃熔窑研究提供有效的分析手段。5维网格、fluen网格的生成及其调整FLUENT是用于计算流体流动和传热问题的程序。它提供的非结构网格生成程序,对相对复杂的几何结构网格生成非常有效。可以生成的网格包括二维的三角形和四边形网格;三维的四面体、六面体及混合网格。FLUENT还可根据计算结果调整网格,这种网格的自适应能力对于精确求解有较大梯度的流场有很实际的作用。由于网格自适应和调整只是在需要加密的流动区域里实施,而非整个流场,因此可以节约计算时间。5.1网格划分与求解流程FLUENT程序软件包由以下几个部分组成:(1)GAMBIT用于建立几何结构和网格的生成。(2)FLUENT用于进行流动模拟计算的求解器。(3)prePDF用于模拟PDF燃烧过程。(4)TGrid用于从现有的边界网格生成体网格。(5)Filters(Translators)转换其他程序生成的网格,用于FLUENT计算。可以接口的程序包括:ANSYS,I-DEAS,NASTRAN,PATRAN等。利用FLUENT软件进行流体流动与传热的模拟计算流程如图2所示。首先利用GAMBIT进行流动区域几何形状的构建、边界类型以及网格的生成,并输出用于FLUENT求解器计算的格式;然后利用FLUENT求解器对流动区域进行求解计算,并进行计算结果的后处理。5.2lagrangian轨道模型的应用FLUENT软件可以采用三角形、四边形、四面体、六面体及其混合网格。FLUENT软件可以计算二维和三维流动问题,在计算过程中,网格可以自适应调整。FLUENT软件的应用范围非常广泛,主要范围如下:(1)可压缩与不可压缩流动问题。(2)稳态和瞬态流动问题。(3)无粘流,层流及湍流问题。(4)牛顿流体及非牛顿流体。(5)对流换热问题(包括自然对流和混合对流)。(6)导热与对流换热耦合问题。(7)辐射换热。(8)惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动问题模拟。(9)用Lagrangian轨道模型模拟稀疏相(颗粒,水滴,气泡等)。(10)一维风扇、热交换器性能计算。(11)两相流问题。(12)复杂表面形状下的自由面流动问题。5.3求解网格的建立程序在文利用FLUENT软件进行求解的步骤为:(1)确定几何形状,生成计算网格(用GAMBIT,也可以读入其他指定程序生成的网格)。(2)输入并检查网格。(3)选择求解器(2D或3D等)。(4)选择求解的方程:层流或湍流(或无粘流),化学组分或化学反应,传热模型等。确定其他需要的模型。(5)确定流体的材料物性。(6)确定边界类型及其边界条件。(7)条件计算控制参数。(8)流场初始化。(9)求解计算。(10)保存结果,进行后处理等。6玻璃液流运动模型玻璃熔窑内,除了化学反应过程外,还有各种物理过程,如流体的流动与混合过程、传热过程,扩散传质过程等。这些过程可以归纳为动量传递,热量传递和质量传递过程,通称为“三传”。在实际生产中,单从化学热力学、动力学不能全面地解决问题,必须把化学反应和“三传”合并起来综合考虑和分析。为实现这一目标,必须借助计算机模拟技术,才能把化学反应规律与传递过程规律综合起来进行解析和处理。动量传递表现为由压强差引起的流体流动,如窑池内玻璃液的流动、火焰空间内气体流动、蓄热室内气体流动、管道内的气体和液体流动等。热量传递表现为由温度差引起的热交换,如窑体内部的热传递、玻璃液内部的热交换、配合料内部的热交换、气-固间的热交换、气-液间的热交换、液-固间的热交换等。质量传递表现为浓度差引起的物质扩散,如玻璃液内部的物质扩散、气体空间内同组分间的扩散等。玻璃液流运动模型的建立:假设:(1)玻璃液为均匀的牛顿型不可压缩流体;(2)忽略玻璃液内气泡和化学反应的作用;(3)玻璃液传热和流动处于稳定状态;(4)玻璃液的部分物理性质,如比势Cp,膨胀系数β近似为常数。而粘度μ,有效导热系数Keff,密度ρ随温度变化,可表示为Keff=α0+α1T+α2T2+α3T3(1)logμ=A+B/(T−C)(2)ρ=ρ0[1−B(T−T0)](3)玻璃液流运动模型由流体连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程组成。连续性方程ομοx+οvοy+οwοz=0(4)x方向动量方程ορμοτ+ορμμοx+ορvμοz+ορwμοz=−οPοx+οοx[μομοx]+οοy[μομοy]+οοz[μομοz]+μ[ο2μοx2+ο2vοy2+ο2wοz2](5)y方向动量方程ορvοτ+ορμvοx+ορvvοz+ορwvοz=−οPοx+οοx[μοvοx]+οοy[μοvοy]+οοz[μοvοz]+μ[ο2μοx2+ο2vοy2+ο2wοz2]+ρ0gβ(T−T0)(6)z方向动量方程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为玻璃液在x,y,z方向上的速度(m/s);μ为玻璃液的动力粘度(Pa·s);p为压力(N/m2);T为玻璃液的温度(K);α为玻璃液的导温系数(J/m2·s),α=Keff/(Cp·ρ);CP为玻璃的热容(J/kg·K)。根据熔窑的具体尺寸定义好边界条件,包括速度边界条件、热边界条件、通过FLUENT软件的计算得到熔窑内部玻璃液的流动情况。通过改变不同的