燃煤马蹄焰蓄热式玻璃池窑火焰空间

 燃煤马蹄焰蓄热式玻璃池窑火焰空间

流动、反应、传热数值模拟

胡昌盛¹;  马传勇²; 徐西胜²

 （1.山东轻工轻工业学院;2山东新泰市玻璃厂 济南250100）

摘要:本文建立了燃煤马蹄焰玻璃池窑火焰空间燃烧、流动、传热数学模型。模拟了火焰空间的流场和温度场。预测结果显示数学模型基本符合实际。根据该数学模型可进一步研究喷火口不同流速和小炉倾角对火焰空间流场、温度场的影响。对大熔化面积燃煤马蹄焰玻璃池窑的设计提供了理论上的指导。

关键词 马蹄焰玻璃池窑;火焰空间; 数值模拟; 反应; 流动; 传热

中图分类号：TQ174.6 文献标识码：A 文章编号：0454-5648

 The mathematical simulation of flow, reaction and heat transfer in combustion space of firing coal end-port regenerative glass furnace

Hu Changsheng¹; Ma Chuanyong²; Xv Xisheng²,

(1. Shandong Institute of Light Industry, 2.Shandong Xintai  Municipality Glass Work, Jinan 250100)

ABSTRACT  In this paper ,the mathematical model for the flow , reaction and heat transfer in the combustion space of firing coal end-port glass furnace has been established. The temperature distribution and velocity distribution have been simulated .The simulation results show that the mathematical model is in accordance with the practice. The influences of velocity of port mouth and port slope on velocity distribution and temperature distribution in combustion space of the firing coal end-port glass furnace will be simulated on the mathematical in the future .The larger melting area of firing coal end-port glass furnace has been studied in theory in order to design the large melting area end-port regenerative furnace of firing coal.

Keyword  an end-port glass furnace; combustion space; mathematical simulation;,

       Reaction;, flow ; thermal transfer     

收稿日期：2 001-11-26。修改稿收到日期        Received date:2001-11-26.approved date:

作者简介，胡昌盛（1955～），男，硕士，教授Biography :Hu Changsheng (1955-), male ,master of science, professor.

企业，煤仍然是马蹄焰玻璃池窑首选的燃料。低能耗，大面积的燃煤玻璃池窑的研究也就显的十分重要。一般而言，大熔化面积的窑炉不但单位产品的能耗低，而且人均生产效率也高,生产成本也就低。开发大熔化面积马蹄焰玻璃池窑的关键问题是火焰空间的流场、温度场分布是否合理，是否符合工艺要求。采用实体试验的方法具有很大的冒险性，一旦获得成功，会给企业带来可观的经济效益，万一失败，可能给企业带来无法估量的经济损失；采用物理模拟的方法，一是财力投入大；二是所需的人力多，占用试验面积大，优点是不需高深的数学理论，直观性强。采用数学模拟的方法虽然理论复杂，但投入小，参数变化灵活，输出的信息多。因此，近年来，主要采用计算机模拟的方法研究玻璃窑炉火焰空间的反应、流动与传热^[1][2]，且主要集中于液体燃料上。根据我国的能源结构，这里主要研究燃煤马蹄焰玻璃窑炉火焰空间的反应、流动和传热。希望对大熔化面积燃煤马蹄焰玻璃窑炉的设计在理论上提供有益指导，避免在创新设计时的冒险性，增加可靠性。

1.数学模型

玻璃池窑火焰空间燃料燃烧、火焰的流动与传热问题具有多学科性质，它包括燃烧学、气体力学、传热学。玻璃池窑中常用的燃料有重油，天然气和混合发生炉煤气。重油的燃烧属于两相流的燃烧，它涉及到雾化（破碎），汽化，混合燃烧,已提出的模型分为无滑移和有滑移两大类模型，其典型代表分别是EBU和MEBU模型；以天然气作玻璃池窑的燃料，是单相流扩散燃烧^[3][4]；就燃煤马蹄焰蓄热室玻璃池窑而言，煤经过煤气发生炉产生热煤气，热煤气经预热进入小炉内与预热的空气混合燃烧，它应属于单项流预混燃烧^[4],它和天然气燃烧不同之处主要是燃烧模型和网格划分的差别。要研究玻璃窑炉空间的流场，温度场，首先要建立描述该物理现象的数学模型。有了正确的数学模型，选择合理的计算方法，就可对该问题进行研究。玻璃窑炉火焰空间的数学模型主要包括连续性方程，动量方程、能量方程、湍流模型方程、燃烧模型方程和气体辐射模型方程。

1.1质量守恒（连续性方程）

    由于玻璃窑炉是连续性工作，其火焰空间的燃烧、流动、传热可看作定常的，在定常情况下，在封闭体系里，流入的质量和流出的质量应相等，其质量守衡方程用张量表示为：

                     ……        （1）

式中，， 分别表示密度和j方向的速度分量,上标“”表示时平均值（以下均同）。

1.2均时性方程

　　在玻璃池窑火焰空间中，气体的流动无疑是处于湍流状态，描述湍流状态的动量方程一般采用均时性方程，均时性方程以张量形式表示为：

　 ……（2）  

此处

 而是Kronecker-函数,

式中，上标“”脉动量（以下均同），P代表压强，是参考密度，代表运动粘度， 代表在方向的重力加速度。该方程表示单位体积的方向动量的增加率等于方向动量进入此单位体积的净流率加上作用于该单位体积的净力。

1.3 能量守衡方程

   能量守衡方程可用下列形式表示：

  ……（3）

式中，h代表滞止焓，上标“～”代表Favre平均值（以下均同），下标“red”代表体积热辐射，代表辐射源项，代表气体的导热系数被比热除。它表示对于单位体积而言，内能加动能的增加率等于滞止焓以对流与扩散两种方式流入的净速率，加上热量与剪切功流入的净流速率，再加上辐射传热。

   其化学守恒方程为：

   ……（4）

这里，代表的质量分数，代表质量扩散系数，代表化学反应速率。

1.4 湍流模型

  在描述湍流模型中，有零方程模型、一方程模型及双方程模型。在工程中，广泛采用的是模型。这里代表湍流动能， 代表耗率。根据有效粘度假说，把Reynolds应力与平均速度梯度通过Reynolds应力表达式连接起来，可表达为：

      ……（5）

式中，代表有效粘度，其表达式为：

式中为模型常数。湍流动能定义为：

而此处的耗散率定义为：

为了计算 ,和的数值必需已知，它们的数值则由求解它们的各自的输运方程得出， 的方程如下：

     ……（6）

式中第一项和第二项为扩散项，第二项为剪应力项，第三项为浮力产生项。是有效Prandtl数，一般为常数，湍流扩散系数 与有效粘度和Prandl数之间有以下关系：

    那么方程可表示为：

     ……（7）

式中是湍流模型中的常数,一般推荐 为1.44,为1.92.

1.5 燃烧模型

    在湍流燃烧模型中，已提出了多种燃料燃烧模型，有扩散火焰快速化学反应模型，预混火焰的有限化学反应模型，湍流-化学反应相互作用模型等。在这里，由于是采用煤气和空气作为燃烧介质，在小炉内进行混合，类似加力燃烧室，所以采用单步快速反应模型。混合物分数的概率分布为截断型高斯分布，反应为单步不可逆反应，反应剂与反应产物的湍流输运系数，在流场中每一点都相等，煤气和空气是按化学比率s进行反应，由此产生(s+1)千克的反应产物。由线性组合所得的变量是混合分数,它定义为：

                   ……（8）

这里， 表示为：

                        ……（8）

下标a 和f分别表示进口处空气流与燃料流的条件。分别为燃料和空气的质量分数。在定常态且忽略密度脉动时，的守衡方程为：

           ……（10）

式中， 表示为：

           ……（11）

在上述模型中，假定火焰是稳定的，但是，湍流反应是波动的，所以必需在模型中考虑到混合分数的脉动而产生的变化。在多数情况下，采用统计数学的方法来进行校正。任何时平均值，仅仅取决于下式：

              ……（12）

此处，概率密度函数由下式给出： 

              ……（13）

令 ：,则（9）式就转换为g的方程。

    ……（14）

在该方程中，第一项表示了净对流率，第二项表示g的湍流项，第三项表示了由于混合分数的不均匀而引起的浓度脉动的产生，第四项是由于分子扩散引起的浓度脉动的耗散。常数的数值分别为2.8和2.0,而表示为：

                        ……（15）

其中为0.9。

1.6 辐射模型

  对于气体辐射模型的计算，有区域法、P—N近似法、有限元法、热流法和Monte Carlo法。这些方法在工程中都有所应用^[5]。区域法要求的存储量较大；作者用Monte Carlo方法对玻璃窑炉火焰空间的辐射传热进行过计算^[6]，如果在单元内采用较多的能束，计算时间虽然较长，但计算结果比较符合实际，单元体内采用的能束越多，计算时间就越长，计算准确性也越高。热流方法虽没有Monte Carlo接近实际，由于其计算速度快，在工程中也有较多的采用。这里采用了Monte Carlo中的DPE计算方法。其计算原理如下：

   在方程（3）中的辐射传热源项，对于气体单元，其辐射源项表达式如下：

        （16）

   对于面单元，其辐射源项表达如下：

              （17）

式中：              

 ；

式中是窑炉壁面或物料的黑度， 为火焰空间介质的吸收系数，为三原子气体的吸收系数， 为碳黑的吸收系数。为射线行程，分别是辐射热射线在固体面的入射角和反射角。E为辐射能。气体的吸收系数可按照三原子气体和碳黑减弱系数之和 。气体的黑度和吸收系数之间可用下式表达：

式中是加权系数，它是吸收系数为 的波长区域中黑体能量的百分数,,分别是水蒸汽和二氧化碳的分压，。虽然，煤气发生炉在气化煤气时，会产生粉尘，但经过一系列除尘和流经三通道蓄热室后，粉尘会变得极少,对于含固体颗粒较多时，可考虑颗粒辐射的影响^11],这里，只考虑三原子气体和碳黑的影响。

1.7 方程的封闭

虽然方程（1）～（16）构成了解答玻璃窑炉火焰空间的数学模型，但要封闭该模型，需补充两个与热力学有关的方程，其一是混合热焓方程，其二是密度方程，分别表达如下：

                          （18）

                           （19）

这里，是j成分的定压比热，是通用气体常数，