基于Fluent的浮法玻璃熔窑流动的三维数值模拟

=
−
∂P ∂x
+
∂ ∂x
⎢⎣⎡µ
∂µ ∂x
⎤ ⎥⎦
+
∂ ∂y
⎢⎣⎡µ
∂µ ∂y
⎤ ⎥⎦
+
∂ ∂z
⎢⎣⎡µ
∂µ ∂z
⎤ ⎥⎦
(5)
+
µ
⎡ ⎢ ⎢⎣
∂2µ ∂x 2
+
∂ 2ν ∂y 2
+
∂2w⎤
∂z 2
⎥ ⎥⎦
y 方向动量方程:
∂ρ ν ∂τ
+ ∂ρ µν ∂x
+ ∂ρνν ∂y
+ ∂ρ wv ∂z
=
−

基于 Fluent 的浮法玻璃熔窑流动的三维数值模拟
王平，何峰
武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室，武汉(430070)
E-mail：Whut_wp2005@
摘 要：浮法玻璃是生产平板玻璃的重要方法，熔窑结构的合理性将对玻璃质量产生重要影 响。本文利用 Fluent 软件模拟浮法玻璃熔窑的玻璃液温度场、和流场情况。Fluent 可以提供 一种快捷，简便，准确的研究熔窑中玻璃液流场、温度场分布规律的手段。对于优化熔窑设 计是非常有意义的。 关键词：浮法玻璃，结构，Fluent 中图分类号：TQ171.72+1
Inlet Outlet Up1
—— —— R
1300 1100 1520
—— —— S
—— —— N
Up2
R
1#
T
1574 1374
S
N
S
N
2#
T
3#
T
4#
T
1424 1470 1497
S
N
S
N
S
N
5#
T
6#
T
1475 1448
S
N
S
N
7#
T
Up10
R
Up11
R
1393 1327 1252
S
N
S
N
1. 引 言
浮法玻璃熔窑是浮法玻璃生产过程中重要的热工设备[1]，是玻璃熔窑三大热工设备之首 [2]，玻璃由配合料熔化到可供成形的玻璃液，整个变化过程都在其中完成，其能耗占整个生 产线总能耗的 70%以上[3]。了解玻璃熔窑内玻璃液流运动和传热的规律对于提高窑炉的设计 水平，改进作业条件,降低生产成本，提高玻璃质量和经济效益,节约能源具有重要意义，因 而受到广大玻璃生产研究设计人员的关注[4]。用 Fluent 软件可以对熔窑中玻璃液的流动情况 进行有效的模拟，得到玻璃熔窑中的运行状况的有效数据。因此，对浮法玻璃熔窑进行研究， 对降低玻璃生产成本、提高玻璃质量、节约热能都具有重要意义。
(3)计算过程中，发现网格划分过密时，所需要的计算机内内存很大，得到收敛解所需 要的时间相当长。经过阅读 Fluent 相关资料找到了出一个比较好的解决办法：由于玻璃熔窑 在纵向是关于中心线对称的，所得到的求解结果也是关于中心线对称的。在用 GAMBIT 做 网格划分时只需要划出一半玻璃熔窑的立体图，然后在纵向对称面处定义 symmetry 面，并 且在我们对求解结果关心的地方适当加密网格。这样既可以保证网格足够密，所得到的计算 结果更好，又能节省约一半的计算机资源，计算结果收敛的速度也比较快。
表 1 某工厂 650/t 浮法玻璃熔窑主要结构参数
窑长
67.2
最大窑宽
15
投料池长
2.3
投料池宽
11.4
熔化部池长
38.7
熔化部池宽
12
卡脖长
6.5
卡脖宽
4.2
冷却部长
17
冷却部宽
9
出料口长
2.5
出料口宽
3.1
-3-

熔化部耳池长
1.2
熔化部耳池宽
15
热量传递给玻璃液的过程中有一部分热量损耗，为了使玻璃液达到工艺要求的温度，经过对
Thermal Conditions 各种选项的反复对照测验，得出定义如表 2 所示的热边界的情况下的温 度结果最为理想。
6. 结果与讨论
通过在 Fluent 中模拟计算结果可以得到 Case 文件（包括网格，边界条件，解的参数等） 和 Data 文件（包括每个网格单元的流场值，温度数据等），将这两个文件导入到 Tecplot 进 行后处理。分析所得到的温度等值线云图，流线图。
(J/kg·K)。
根据熔窑的具体尺寸定义好边界条件，包括速度边界条件、热边界条件、通过 FlUENT
-2-

软件的计算得到熔窑内部玻璃液的流动情况。通过改变不同的熔窑尺寸来看玻璃液的流动特 点。从而选择最佳的熔窑尺寸来设计熔窑，优化熔窑的设计达到改进作业条件，降低生产成 本，提高玻璃质量和经济效益的目的。
4. 玻璃液流运动模型的建立
假设：a)玻璃液为均匀的牛顿型不可压缩流体；b)忽略玻璃液内气泡和化学反应的作用；
c)玻璃液传热和流动处于稳定状态；d)玻璃液的部分物理性质,如比势 Cp，膨胀系数 β 近似
为常数。而粘度 µ，有效导热系数 Keff，密度 ρ 随温度变化[7]，可表示为：
Keff=α0+α1T+α2T2+α3T3
+
∂ρ ww ∂z
=
− ∂P ∂z
+
∂ ∂x
⎢⎣⎡µ
∂w ∂x
⎤ ⎥⎦
+
∂ ∂y
⎢⎣⎡µ
∂w ⎤ ∂y ⎥⎦
+
∂ ∂z
⎢⎣⎡µ
∂w ⎤ ∂z ⎥⎦
(7)
+
µ
⎡ ⎢ ⎢⎣
∂2µ ∂x 2
+
∂ 2ν ∂y 2
+
∂2w⎤
∂z 2
⎥ ⎥⎦
能量守恒方程:
∂T ∂τ
+µ
∂T ∂x
+ν
∂T ∂y
+ w ∂T ∂z
表 2 浮法玻璃熔窑的温度工艺制度
位置
1＃
2＃
3＃
4＃
5＃
温度℃
1374
1424
1470
1497
1475
位置
6＃
7＃
耳池
卡脖
冷却部
温度℃
1448
1393
1327
1252
1185
Thermal Zone
Conditions
表 3 边界条件
Temperatur（℃）
Wall Motion
Shear Condition
5. 本文中浮法玻璃熔窑模型的建立
5. 1 简化数值模型的建立
玻璃熔窑模型主要包括玻璃液传热和流动模型、配合料熔化模型和火焰空间模型。为 了便于数学处理对各模型作了适当的简化。模型的建立如下。
基本假设:1)玻璃液为均匀的牛顿型不可压缩流体；2)忽略玻璃液内气泡和化学反应的 作用；3)玻璃液传热和流动处于稳定状态；4)视玻璃液的部分物理性质(如比热、膨胀系数) 随温度变化不大，近似地看作常数，而粘度、导热系数、密度随温度变化，可以表示为温度 的函数，且玻璃液内部的导热和辐射传热过程用有效导热系数表示。在保证最大限度地接近 现实情况的原则上对模型作进一步的简化：
=
∂ ∂x
⎢⎣⎡α
∂T ∂x
⎤ ⎥⎦
+
∂ ∂y
⎢⎡α ⎣
∂T ∂y
⎤ ⎥ ⎦
+
∂ ∂z
⎢⎣⎡α
∂T ⎤ ∂z ⎥⎦
(8)
式中:µ,ν,w 为玻璃液在 x,y,z 方向上的速度(m/s); µ 为玻璃液的动力粘度(Pa·s);p 为压力
(N/m2);T 为玻璃液的温度(K);α 为玻璃液的导温系数(J/m2·s)，α=Keff/(Cp·ρ);CP 为玻璃的热容
∂P ∂y
+
∂ ∂x
⎢⎣⎡µ
∂ν ∂x
⎤ ⎥⎦
+
∂ ∂y
⎢⎡µ ⎣
∂ν ∂y
⎤ ⎥ ⎦
+
∂ ∂z
⎢⎣⎡µ
∂ν ∂z
⎤ ⎥⎦
(6)
+
µ
⎡ ⎢ ⎣
∂2µ ∂x 2
+
∂ 2ν ∂y 2
+
∂2w ∂z 2
⎤ ⎥ ⎦
+
ρ0 g β (T
− T0 )
z 方向动量方程:
∂ρ w ∂τ
+
∂ρ µw ∂x
+
∂ρνw ∂y
配合料 燃烧室 火焰
生产流 冷却室
出
熔化部
冷却部
热点
同流
图 1 浮法玻璃熔窑作业过程及液流运动示意图
根据玻璃熔制要求，玻璃液在离开熔化部之前熔体中的气泡必须彻底排出或被吸收，新
鲜玻璃液中夹杂的砂粒也必须彻底熔化。出料口的玻璃液不仅要求其温度均匀、稳定，还要
求具有极高的化学均匀性[5]。在玻璃熔窑中，一般希望投料口至热点区域，有足够强的自然
对流以保证配合料在稳定位置熔化，避免尚未熔化的配合料越过热.点直接流向出口。热点
至卡脖区域，希望上层玻璃液流速较慢，使玻璃液在高温区域有较长的滞留时间。冷却部主
要是保证上层玻璃液能均匀冷却，满足成形温度要求
-1-

3. FLUENT 软件简介
Fluent 是世界领先、应用广泛的 CFD 软件, 用于计算流体流动和传热问题。 Fluent 软 件是基于 cfd 软件群的思想, 从用户需求的角度出发, 针对各种复杂流动的物理现象, 采用 不同的离散格式和数值方法, 使得特定领域内的计算速度、稳定性和精度等达到最佳组合, 从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题[6]。