摘 要

本次毕业设计我的主要目标是利用流体仿真软件FLUENT对辊道窑的温度场及流场分布进行仿真研究。随着节能环保的要求不断提高，采用新型清洁燃料已经成为一个新的趋势，本次研究采用了甲烷燃料代替了传统的混合气体燃料，在保证产品质量的前提下减少了废气的排放。通过改变燃料烧嘴的流速以获得不同的烧成带温度场及流场，从而探究燃料流速对于辊道窑温度场及流场分布的影响，同时能够对燃烧产生废气情况进行分析。仿真的结果能够为辊道窑实际生产过程中针对制品的种类选择合适的烧嘴速度及窑体结构提供参考意义。

首先是分析影响辊道窑烧成带温度场的结构，对其模型在不影响仿真结果的情况下进行适当的简化。接着利用网格划分软件ICEM对其进行网格划分，由于窑体为长方体结构，而喷嘴为圆柱体，故对二者分别采用不同类型的网格进行划分。将划分好的网格模型导入到FLUENT中，根据给定的工况建立了RNG k-ε湍流模型、DO辐射传热模型和组分输送燃烧模型，对烧成带进行辐射和湍流相关参数的计算，最后进行模拟仿真，并进行相应的后处理得到烧成带不同位置温度场及流场的云图，分别截取长度和宽度方向的不同截面，获得不同燃料流速下的温度分布图，分析得出不同位置温度场及流场的区别及窑场特性分布与空燃速比的关系。

关键词：陶瓷辊道窑，网格划分，数值模拟，温度场

Abstract

The graduation design was carried out by using the fluid simulation software FLUENT to simulate the temperature field of the drum kiln firing zone. With the increasing demand for energy saving and environmental protection, the use of new clean fuels has become a new trend, this study uses a methane fuel instead of the traditional mixed gas fuel, it reducing the emissions of harmful gases. By changing the flow rate of the fuel burner to obtain different firing zone temperature field and flow field, the influence of the fuel flow rate on the temperature field and the flow field distribution of the roller kiln is explored, and the combustion conditions can be analyzed. The simulation results can provide a reference for the choice of the appropriate burner speed for the type of product in the actual production process of the roller kiln.

Firstly, the main structure and the functions of the belt are analyzed, and the structure is simplified. And then use the grid division software ICEM to its meshing, because the kiln body for the rectangular structure, and the nozzle for the cylinder, so the two were used for different types of grid division. Import the well-defined grid model into FLUENT. the RNG k-ε turbulence model, the DO radiation heat transfer model and the component transport combustion model were established according to the given working conditions. The firing zone was irradiated with radiation and turbulence. Finally, the cloud image and contour map of the temperature field and the flow field of the firing zone are simulated. The temperature profiles of the different fuel flow rates were obtained by intercepting the different sections of the length and width directions, and the relationship between the temperature field and the flow field and the air / fuel ratio was analyzed.

Key Words:ceramics roll kiln,gridding-meshing,numberical simulation,temperature field

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1陶瓷窑的发展概况 1

1.2陶瓷窑场模拟技术的发展及国内外现状 1

1.2.1陶瓷窑场模拟的发展 1

1.2.2 陶瓷窑仿真国内外现状 2

1.3 研究目的和意义 2

1.4 研究内容和目标 2

第2章 辊道窑结构及特点 3

2.1辊道窑概述 3

2.1.1 辊道窑的特点 3

2.1.2 辊道窑的分带和工作系统 3

2.2 辊道窑结构特点 3

2.2.1 窑墙 4

2.2.2 窑顶 4

2.2.3 窑底 5

2.2.4 窑体其他结构 6

第3章 辊道窑几何模型的建立及网格划分 8

3.1辊道窑烧成带几何模型的建立 8

3.2 烧成带几何模型的网格划分 9

3.3边界类型的设置 10

第4章 数学模型的建立及求解 12

4.1 数学模型的建立 12

4.1.1 湍流模型的选取 12

4.1.2 辐射传热模型的选取 13

4.1.3 数值模拟方法 14

4.1.4 离散格式的选择 14

4.1.5微分方程组的求解 14

4.2边界条件的设定 15

4.2.1壁面边界条件 15

4.2.2 气流边界条件 16

4.3 求解控制 16

4.3.1迭代误差的控制 16

4.3.2 影响收敛的因素 17

第5章 仿真结果分析与比较 18

5.1 温度场分布及分析 18

5.1.1 窑长截面温度场分布 18

5.1.2 窑高截面温度分布 21

5.1.3 窑宽截面温度分布 23

5.2 流场分布及分析 25

5.2.1 窑长截面流场分布 25

5.2.2 窑高截面流场分布 29

5.2.3 窑宽截面流场分布 31

5.3 窑长截面二氧化碳摩尔分数分布 33

5.4 不同燃料速度数值模拟 35

5.4.1 窑长截面温度场分布 36

5.4.2 窑长截面流场分布 38

第6章 总结与展望 40

6.1 总结 40

6.2 展望 40

参考文献 41

致 谢 42

第1章 绪论

1.1陶瓷窑的发展概况

在陶瓷的制造过程中烧成设备必不可少，而陶瓷的烧成主要是在陶瓷窑中进行的。陶瓷工业的发展具有悠久的历史，陶瓷窑炉发展历史大体上可划分为古代陶瓷窑炉、近代陶瓷窑炉和现代陶瓷窑炉三个发展阶段。古代陶瓷窑炉中最具有代表性的是我国的景德镇窑和龙窑。近代陶瓷窑炉是在工业革命开始后，随着工业水平的不断进步而形成的。其中最具代表性的有倒焰窑和隧道窑。倒焰窑是因火焰流动情况命名的，由于焙烧制品时热气流自上向下流动，符合气体分流法则，水平温差能得到很好的消除。燃烧时将重油或煤作为燃料进行燃烧，在当时的陶瓷窑炉中属于比较优秀的窑炉，但由于能耗过高，现在已经基本被淘汰了。隧道窑由龙窑和轮窑进化而来，由于热利用率和生产效率都很高，现在也一直得到广泛的使用。现代陶瓷窑炉是在第二次世界大战后随着近代工业水平的提高而发展起来的。现在使用最为广泛的有梭式窑、现代隧道窑和辊道窑。近六十年来陶瓷窑炉的发展水平不断提升。伴随着新型能源的使用及节能环保的要求不断提高，陶瓷窑炉的燃料也不断改进。而新型材料的发展也为陶瓷窑炉建造材料的选择和窑炉性能的提高带来了方便。最后便是计算机及相关检测技术的发展给陶瓷窑炉窑场的控制与模拟仿真带来了很大帮助^[1]。

1.2陶瓷窑场模拟技术的发展及国内外现状

1.2.1陶瓷窑场模拟的发展

要对陶瓷窑炉进行研究，研究的内容则主要为窑内的温度场、速度场及烟气的浓度场。由于陶瓷窑炉内的热工过程很复杂，所以在研究过程中需要进行一些简化假设以保证其解的稳定性，并且简化不当会偏离甚至背离问题的本质。到目前为止，大部分问题都是通过实验解决的，实验分为原型试验和模拟试验。

1. 原型实验

原型试验主要是对实际生产的窑炉进行分析研究，通过对窑炉中各项参数进行检测，观察和判断各种窑炉现象，从而对窑炉进行分析并对应地进行优化。这种方法对与解决具体窑炉问题具有可行性，却不能适用于不同类型的窑炉，具有局限性，因此推广的价值不大，同时原型实验比较费时费力，有时还会影响正常生产。

1. 模拟试验

模拟实验分为实体模型相似模拟和计算机数值模拟，模拟实验主要是在实验室的环境中进行的，这就不需要对实际生产窑炉的参数进行检测。

实体模型相似模拟基于相似理论，按照一定的比例制作出原型的实体模型，通过在模型上模拟原型的反应得出结论。它具有实验费用小、能随意改变操作条件，容易测量数据、花费时间短等特点。但实验模型无法完全满足相似原理所需要的条件，只适用于一些简单过程的研究。