隧道窑冷却带喷嘴布置对窑内气流动的影响.docx

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隧道窑冷却带喷嘴布置对窑内气流动的影响

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[1〜5]。

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2.65m（有效宽2.4m），高

1.14m（火道高0.24m，码料区高0.75m，制品距窑顶0.15m）。

冷却带长10m，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0〜

0.24m范围内即火道内；上排喷嘴安装的位置可在距离窑顶0〜0.15m的范围内。

上下两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A〜

D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3.2〜3.3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120m/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0.5〜2.0m/s之间，主要集中在0.5m/s左右；喷嘴安装在距离窑车台面或窑顶的中间位置，如安装方法B,速度大小在0.25〜

1.2m/s之间，主要在0.4m/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、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0.5〜2.0m/s之间，主要在0.5m/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0.5m/s左右，但是最小速度为0.3m/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0.2〜0.4m/s之间，而且速度线起伏较大，不利于制品快速均匀冷却。

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120m/s，计算结果如图6所示

由图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）:

152〜156

2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）:

602〜607

3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）:

22〜25

4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

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32〜35

5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）:

51〜

52

6Fluent.inc.Fluentuer'sguid[EB/OL].Http:

//www.F.

EffectofNozzleQuantityandArrangementon

theAirflowinCoolingSectionofTunnelKiln

AiMingxiang1WangShifeng1,2LiuGuangxia1

（1SchoolofMaterialScienceand

EngineeringShandongInstituteofLight

IndustryJinanShandong250353

2SpaceThermalScienceResearchInstituteShandongUniversityJinanShandong250061）

Abstract:

ByusingtheCFDsoftwareFluent's

k-£modelandporousmediaconditions,theairflowinakiln'scoolingsectionwasnumericallysimulatedtoprovideguidanceforthequantityandarrangementofnozzle.Theresultsshowedthattheupperandlowernozzlesshouldbesymmetricallyinstalledandtheyshouldbeclosetothekilnceilingandthekilncar'stable-boardrespectively,thequantityofnozzleshouldbeappropriateinsteadoftoomany.

Keywords:

tunnelkiln,sharplycoolingsection,numericalsimulation,velocity

distribution,cooling