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玻璃窑炉生产过程中热工制度的优劣一直受到研究者的重视,由于玻璃在生产过程中各种问题的复杂性和高温环境的影响,对其研究方法有限,通常有生产现场实测法、物理模型法和数值计算法。前两种方法都有局限性,如在生产现场实测法中,由于封闭条件使得测试困难,不能随意改变生产条件,得到的结论不全面;而在物理模型法中,无法获取全部的研究参数。数值计算法因为其能够克服上述两种缺点等优越性被越来越广泛的应用到玻璃窑炉的优化与设计中。
本文在综合评述了国内外玻璃窑炉的基础上对生产玻璃纤维的玻璃池窑进行的数值模拟,建立了玻璃池窑内火焰空间燃烧过程的三维数学模型,模型包括气相流动模型,化学反应模型,辐射传热模型。其中气相流动模型由质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律、组分守恒定律和标准k—ε湍流模型组成,化学反应使用有限速率/涡耗散模型,辐射传热使用离散坐标模型。在前处理过程中采用GAMBIT软件建立玻璃池窑的几何模型并进行网格划分,数值计算中选择了利用有限体积法离散数学方程的计算流体力学软件FLUENT进行模拟计算,并且将数值模拟的结果用图像表述出来,从而直观的表明玻璃池窑内燃烧空间流场、温度场和压力场分布,实现计算结果可视化。
论文结合实例研究了年产2万吨玻璃纤维池窑的富氧燃烧空间的速度场、温度场和压力场的分布,根据模拟结果,分析了流场的运动状况;将模拟得到的温度场结果与现场实测的结果做了对比,两者的趋势一致,吻合较好;对于压力场的模拟结果和实测结果一致。说明该模拟具有较好的准确性和预测能力。在此基础上,本文还对燃烧工艺过程提出了改进建议,即对燃烧空间内喷枪的布置加以调整和改进,得到了速度场、温度场和压力场比原来更好的整体效果。
本文以气相流动理论、燃烧和辐射理论为基础利用计算流体力学方法对玻璃池窑内富氧燃烧过程中的速度、温度和压力进行了一些探讨,得到了一系列有意义的结果。研究结果表明:该三维数学模型能够比较全面地反映玻璃池窑富氧燃烧空间的速度场、温度场和压力场的分布规律;计算过程中收敛性良好;能够补充现场实测法和物理模型法的不足,采用图像模拟能更直观地表示数值计算的结果,对于玻璃窑炉富氧燃烧的研究和应用具有一定的指导作用。