开源软件在玻璃熔窑模拟中的应用

开源软件在玻璃熔窑模拟中的应用
陈淑勇;陶天训;马立云;左泽方
【摘要】数值模拟在玻璃熔窑结构设计、优化操作、节能减排等方面具有重要意义,一般采用昂贵的商业计算流体力学(CFD)软件进行玻璃熔窑的模拟研究.近年来,开源CFD软件发展迅速,其应用性与可靠性可与商业软件媲美,且具有代码公开、模型扩展容易、算法可控以及免费的优点.本文基于OpenFOAM软件,利用系列开源软件完成了玻璃熔窑的几何建模、网格划分、模拟计算、后处理工作,提出了玻璃熔窑低成本仿真模拟的实现方案,并与商业软件模拟结果进行了对比,预测了开源软件在工业过程模拟中应用前途.%Numerical simulation of glass furnaces has great significance for furnace design, operation optimization, energy saving and emission reduction.Generally, the expensive commercial software of computational fluid dynamics ( CFD) is adopted for the glass furnace simulation studies. Recently, the open-source CFD software, which shows a series of advantages such as source code available, model extensible, algorithm controllable and cost free, has been developed rapidly, and its applicability and reliability is comparable with the commercial CFD software.The implementation of the low-cost glass furnace simulation was proposed based on OpenFOAM in this study.The geometry modeling, meshing, computing, and postprocessing were carried out via a set of open-source software.The simulation results were compared and verified by the results generated by the commercial CFD software.The study show that the open-source CFD software would be promising for process simulations in glass industry.
【期刊名称】《燕山大学学报》
【年(卷),期】2017(041)004
【总页数】6页(P343-348)
【关键词】玻璃熔窑;数值模拟;开源软件;OpenFOAM
【作者】陈淑勇;陶天训;马立云;左泽方
【作者单位】蚌埠玻璃工业设计研究院,安徽蚌埠 233018;浮法玻璃新技术国家重点实验室,安徽蚌埠 233000;蚌埠玻璃工业设计研究院,安徽蚌埠 233018;浮法玻
璃新技术国家重点实验室,安徽蚌埠 233000;蚌埠玻璃工业设计研究院,安徽蚌埠233018;浮法玻璃新技术国家重点实验室,安徽蚌埠 233000;浮法玻璃新技术国家
重点实验室,安徽蚌埠 233000;中国建材国际工程集团有限公司,上海 210070
【正文语种】中文
【中图分类】TQ171.6
玻璃作为重要的基础材料，在建筑、交通、能源、通信、显示等领域具有广泛应用。

玻璃生产为高能耗过程，其燃料成本约占总生产成本的30%以上。

因此，深入研
究玻璃生产过程，降低产品单耗，具有重要的经济、环保意义。

研究者对玻璃熔窑进行了大量研究工作，包括实验研究和数值模拟研究。

对玻璃熔窑的实验研究一般采用生产线实验研究和物理模拟研究[1-2]，但实验成本较高、
观测手段复杂、研究周期较长等因素，限制了实验研究的实际应用。

随着计算流体力学(Computational Fluid Dynamic, CFD)的发展以及计算机硬件计算能力的提高，玻璃熔窑的数值模拟研究得到了飞速发展[3-5]。

Viskanta[3]总结了早期玻璃窑炉的模拟研究及应用，研究者需自行编写相关CFD程序，限制了玻璃窑炉模拟
的实际应用。

商业通用CFD软件的发展，降低了模拟研究的难度，促进了玻璃窑炉模拟研究的应用。

宋力昕等[6-8]采用Flutank软件对浮法玻璃窑炉进行了模拟研究，分析了窑炉保温、窑坎、鼓泡等因素对玻璃熔制质量的影响。

Abbassi与Khoshmanesh[5]采用Fluent软件对燃气空气浮法窑进行了模拟，并提出了新的模型耦合方法，模拟温度值与实测值吻合良好。

Oda和Kaminoyama[9]提出了玻璃液气泡密度模型，结合实验观测得到的气泡直径数据，成功预测了玻璃液的澄清效果。

冯志军[10]采用ANSYS Flotran软件对浮法窑炉内玻璃液流动状态进行了模拟，分析了窑炉结构改变对玻璃液质量的影响，并利用端面条纹观测结果对模拟结果进行了验证。

王浩鹏[11]采用Fluent软件分析了浮法窑炉卡脖附近的玻璃液流规律，并与物理模拟结果和实际窑炉冲刷条纹进行了对比，验证了数值模拟在玻璃窑炉研究方面的有效性。

除了采用通用CFD软件对玻璃熔窑进行模拟研究外，也有公司开发出了针对玻璃熔窑模拟的专用商业软件，如GFM(Glass Furnace Model, Glass Service Inc., Czech Republic)、GTM-X(CelSian Glass & Solar BV, Netherlands)等，在玻璃熔窑工程模拟领域应用较为广泛。

如前文所述，对玻璃熔窑的模拟一般基于商业通用CFD软件进行，但需进行大量二次开发工作，以实现对玻璃熔窑的复杂过程进行模拟；商业软件多为闭源软件，仅可选用软件打包的数值模型及方法，模型扩展较为困难。

近年来，开源CFD软件(Open-Source CFD software)发展迅速，如OpenFOAM、Code_Saturne、SU2、Fluidity、Gerris等，其源代码完全公开，因此对其数值算法、模型的扩展更为简便，且可免费获取，降低了数值模拟研究的费用支出。

鉴于开源CFD软件的优点，本文基于OpenFOAM软件，利用系列开源软件完成了玻璃熔窑的几何建模、网格划分、模拟计算、后处理工作，并与商业玻璃熔窑专用软件GFM模拟结果进行了对比，验证了本文所提出的玻璃熔窑低成本仿真模拟
方案的有效性。

玻璃熔窑的数值模拟过程包括流体流动、能量传递、组分输运、化学反应等，并且涉及到气液固三相。

玻璃熔窑内复杂的物理化学过程难以采用统一的数值模型进行模拟计算，一般按照玻璃熔窑各部分的特征，分割为火焰空间(Combustion model, CM)、配合料层(Batch model,BM)、玻璃池窑部分(Glass model, GM)，各部分独立建立模型，并通过相应的边界数据交换来实现耦合，实现玻璃熔窑的整体模拟[5]。

本文主要进行了火焰空间、玻璃池窑部分的独立模拟研究。

玻璃熔窑火焰空间数值模型涉及到的过程包括：气体流动、能量传递、燃烧反应、组分输运过程，一般采用解耦的迭代方法求解各过程的控制方程，以降低计算机硬件需求、减少计算时间。

为简化火焰空间数值模型，引入如下假设：1)气体视为牛顿流体；2)气体为理想气体；3)过程为稳态。

火焰空间内的气体流动为强湍流，因此各过程的计算模型均需考虑湍流的影响。

描述火焰空间内过程的控制方程为▽·[U(ρE+p)]=
▽·(keff▽
▽·(ρUYi)=-▽
式中，ρ、U、p、T分别为气相密度、速度、压力、温度；为气相流动应力张量，包括粘性应力和湍流应力；g为重力加速度；E为气相总能，包括内能和动能；keff为气相有效导热系数，包括热传导和湍流导热；FE,Specie为组分传递导致的热通量；SE,Chem为化学反应能量源项；SE,Rad为辐射能量源项；Yi为组分i的质量分数；Ji为组分i扩散通量，包括分子扩散和湍流扩散；SYi,Chem为组分i 的化学反应源项。

其中，湍流、化学反应、辐射需针对所研究的对象，引入合适的模型来处理。

1.2 玻璃池窑数值模型
玻璃熔窑池窑部分数值模拟涉及到的过程包括：玻璃液流动、能量传递过程。

由于
玻璃液粘度大，且流速小，其流动为层流，对池窑部分的数值模拟较为简单。

引入如下假设来简化玻璃池窑部分的数值求解：1)玻璃液成分均匀，忽略气泡、砂粒等非玻璃相的影响；2)玻璃液为不可压牛顿流体；3)玻璃液中辐射传热以有效导热来近似处理[5,12]；4)过程为稳态。

玻璃熔窑中，玻璃液的流动主要受温差导致的自然对流支配[5]，因此需准确处理重力/浮力的影响。

描述玻璃池窑内过程的控制方程为
),
式中，ρ′、U′、p′、T′分别为玻璃液密度、速度、压力、温度；为玻璃液粘性应力张量；E′为玻璃液总能，包括内能和动能；为玻璃液有效导热系数，包括热传导和辐射传热。

OpenFOAM的前身为伦敦帝国理工学院的HrvojeJasak、Henry Weller做博士
论文研究(1993年)期间基于C++语言开发的CFD软件包—FOAM(Field Operation And Manipulation)，OpenCFD公司于2004年正式发布开源的FOAM软件—OpenFOAM。

现主要有3个版本：OpenFOAM、OpenFOAM Plus、OpenFOAM extension，主要适用于湍流、多相、化学反应、Lagrange
粒子等系统的模拟，采用了MPI(Message Passing Interface)处理并行数据交互，尤其适合大规模高性能并行计算[13]。

OpenFOAM各版本均采用GPL(General Public License)授权发布，用户可自由使用、修改OpenFOAM程序。

下文详细
介绍基于OpenFOAM的玻璃熔窑模拟过程。

2.1 模拟流程
本文模拟过程的所有步骤均采用开源软件实现，所采用软件如下：几何建模采用FreeCAD，网格划分采用cfMesh，模拟计算采用OpenFOAM，后处理采用Paraview。

对于CFD模拟计算，网格划分对模拟结果影响显著，本文选用适用于CFD模拟的开源cfMesh软件进行模型的网格划分。

cfMesh网格划分软件基于
OpenFOAM软件包，具有如下优点：1)可生成四面体、六面体、多面体网格；2)自动网格划分；3)网格局部加密；4)边界层控制。

火焰空间部分的数值模拟涉及到强湍流、燃烧、辐射等，对模型的网格质量要求较高，需采用六面网格以提高模拟计算精度[14-15]。

因此，在本文模拟中，均采用cfMesh对几何体进行六面体网格划分。

2.2 模型及边界条件
1) 火焰空间
引入如下假设以简化火焰空间模型：1)燃烧过程为混合速率控制，即快速反应；2)气体为非散射灰体。

考虑火焰空间的特征，各过程分别采用如下模型处理：采用基于雷诺时均模型的k-ε模型处理湍流，采用涡耗散模型(Eddy Dissipation Model,EDM)处理燃烧过程，采用离散坐标模型(Discrete Ordinates
Model,DOM)处理辐射传热。

本文所研究单元窑火焰空间部分主要尺寸如图1所示。

所研究单元窑为全氧横焰窑；前山墙设有一个烟道；燃烧器为北侧3支、南侧2支，交错排布。

燃气、氧气入口采用质量入口边界，燃气为天然气(CH4 94%)，助燃气为纯氧(99%)；烟道采用压力出口边界，外壁面采用自然对流散热边界。

OpenFOAM标准求解器均不适合火焰空间部分模拟，因此，本文基于稳态多区域流固耦合求解器chtMultiRegionSimpleFoam，植入化学反应模型，对图1所示的火焰空间部分进行模拟计算。

2) 玻璃池窑
本文所研究单元窑玻璃池窑部分主要尺寸如图2所示。

所研究单元窑为侧面投料结构，南北两侧各有一个投料池；池窑尾部设有流液洞。

所熔制玻璃为无色瓶罐玻璃。

本文模拟中未建立配合料层、泡沫层模型，仅将配合料覆盖区简化为玻璃液入口，
即距离前池壁5 m范围内为玻璃液入口，采用均匀速度入口边界，拉引量190
t/d，温度为1 150 ℃；玻璃液出口采用压力出口边界；玻璃液表面温度为1
500 ℃。

OpenFOAM的标准求解器中，chtMultiRegionSimpleFoam多区域流固耦合换
热求解器符合玻璃池窑的模拟需求，通过编写自定义热物理模型(thermophysical model)函数库，引入玻璃液粘度模型，采用chtMultiRegionSimpleFoam求解
器对玻璃池窑部分进行模拟计算。

为验证OpenFOAM模拟结果的可靠性，本文采用GFM对2.2节所述模型进行了模拟计算，并详细对比了相关模拟结果。

3.1 火焰空间模拟结果
火焰空间部分采用cfMesh划分网格，约130万控制体单元，采用自定义求解器chtMultiRegionSimpleFoam结合低松弛技术，对火焰空间进行模拟分析，并与GFM模拟结果进行了对比。

对比图3所示温度场模拟结果可知，OpenFOAM与GFM模拟所得温度场趋势基本一致，燃料与氧气由燃烧器喷出后形成火焰区域，火焰根部燃烧较为平缓，距离燃烧器1 m以外位置燃烧剧烈，形成高温火焰区域。

同时可发现，OpenFOAM
模拟所得高温火焰长度及面积均小于GFM模拟结果。

图3所示速度场模拟结果也证实了上述不同，OpenFOAM模拟所得速度场延伸长度小于GFM模拟结果。

造成模拟结果前述差别的原因主要有：1)GFM为封闭商业软件，无法获知其计算
模型的具体实现方法，导致OpenFOAM模拟中所用计算模型与GFM存在一定差异；2)GFM中有关物性参数无法准确获取，导致模拟中所采用物性可能存在不同；
3)本文模拟中采用了自定义的OpenFOAM求解器，尚需进一步深入验证。

3.2 玻璃池窑模拟结果
玻璃池窑部分采用cfMesh划分网格，约120万控制体单元。

采用OpenFOAM
对其进行了模拟，并与GFM模拟结果进行了对比验证。

OpenFOAM与GFM模拟所得池壁及中心截面温度分布对比如图4所示。

由结果可知，OpenFOAM与GFM模拟所得温度分布吻合良好，液面处玻璃液温度在窑长方向上存在显著温度差，这将导致池窑内明显的热自然对流。

同时，由图4可
发现，OpenFOAM模拟结果池壁及玻璃液温度略高于GFM结果，其原因主要为：1)本文OpenFOAM模拟中，重力/浮力处理未引入Boussinesq假设(GFM所采
用简化假设)；2)由于边界条件实现方式不同，两软件模型设置中壁面散热条件有
所差别。

由图5所示速度场模拟结果可知，OpenFOAM软件可有效模拟计算玻璃池窑中
的玻璃液流动，其模拟结果与GFM一致。

池窑熔化区存在一逆时针回流区域，与前文基于温度场的分析结果一致。

3.3 并行效率
对比了OpenFOAM和GFM的并行加速效率，测试计算机配置为：i7-5820K CPU，DDR4-2400 16G内存。

OpenFOAM计算采用CentOS 7(64bit)操作系统，GFM计算采用Windows 10(64bit)操作系统，采用前文所述窑炉模型进行了软件多线程并行效率对比。

其中，并行效率由下式计算：
式中，R为并行效率；ts、tp,N分别为串行、并行运行CPU耗时；Ncore为并行CPU核数。

OpenFOAM采用MPI进行并行处理，可方便地运行在分布式和共享内存式集群
服务器；而GFM采用OpenMP(Open Multi-Processing)处理，仅可运行在共享内存式服务器。

根据图6并行效率对比结果可知，对于CM和GM的模拟计算，OpenFOAM多线程并行计算效率更高，尤其是扩展到4核心及以上并行时，GFM并行效率直线下降，而OpenFOAM多核的并行效率可保持在0.95以上。

因此，针对大型玻璃窑炉CFD计算，OpenFOAM软件更具有优势。

本文利用系列开源软件，对玻璃全氧单元窑火焰空间、池窑部分进行了独立模拟，涉及开源软件包括FreeCAD、cfMesh、OpenFOAM、Paraview，建立了一套成本低、扩展容易的玻璃窑炉模拟系统。

将模拟结果与商业窑炉模拟软件GFM进行了对比，对于玻璃池窑部分，两者模拟结果吻合良好；而对于火焰空间部分，由于软件所采用的模型存在一定差别，两者模拟结果存在一定偏差。

在并行计算效率方面，采用MPI进行并行处理的OpenFOAM具有绝对优势，适合复杂模型的大规模高效并行计算。

通过本文的研究，表明开源CFD软件可胜任玻璃工业窑炉的模拟研究工作。

但本文所进行的工作仍较为初步，火焰空间部分模拟尚需改进，且未实现鼓泡、搅拌、模型耦合、配合料层等过程的模拟，需进一步地深入研究，完善所建立的玻璃窑炉模拟系统，积极拓展数值模拟技术在玻璃窑炉研究中的应用范围。

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