不均匀场论文（共3篇）
不均匀场论文 篇1
0引言
梭式窑因其控制灵活、升温快、成本低等优点倍受消费者们喜爱。梭式窑又是一种非标准化窑型,可被设计成不同容积。企业多建造两座或多座不同容积的梭式窑来应对不同产量产品的烧制任务。目前,这种方式在冶金、陶瓷、建筑材料、化工等领域应用甚广。基于这种情况,提出一窑多用,可变化烧制空间体积的梭式窑。 该新型梭式窑改善以往“一厂多窑”的弊端,达到减少窑炉操作平面面积,提高窑炉利用率,简化操作的目的, 为广大中小型企业带来便利。
众所周知,自吸式烧嘴依靠燃气的气压从烧嘴内燃气管喷射而出,从而使在燃气喷口外的助燃空气通道处产生负压,空气由底端被大气压入管道后,与燃气混合点燃,发生燃烧。但是相对而言,自吸式烧嘴燃烧能力有限, 且燃烧产生的烟气流速较低;冯青等在梭式窑吸入式烧嘴的三维数值模拟研究[1]一文中对烧嘴进行了细致研究; 动力高速烧嘴则避开了自吸式烧嘴的一些不足,通过燃气与助燃空气按比例混合后,喷射入窑,再利用电子点火装置点燃混合气,发生燃烧,其燃烧后的烟气流速大, 燃烧充分,现代快速烧成大多使用这种烧嘴,基于以上优点,动力烧嘴已应用于截面宽度较大的窑型,曾虑危[2]等对高速烧嘴性能进行过研究。
本文拟将两种烧嘴组合,以某厂投入使用的自吸式梭式窑和动力高速烧嘴梭式窑为基础,建立新的数学模型,针对烧嘴分布、燃烧烟气流速、排烟等因素,简单分析与模拟,初步剖析该新型结构的可行性,以供各位陶瓷热工工作者参考。
1新型窑炉模型建立
所建立模型是在某厂两种不同容积梭式窑基础之上, 小空间烧制时,采用活动式窑门对小空间密封,如图(1) 所示,混合体积烧制时,如图(2)所示。
小空间排烟方式采用窑尾集中排烟,大空间设置窑墙侧排烟烟道以及窑车下与侧墙相通的分散烟道,此排烟口可设置闸板,控制各烟道出口烟气流量,使窑内达到最佳烧制性能。由于此种窑炉产生的烟气温度较高, 排放的烟气应混入部分冷空气,以保护烟道和烟囱结构。
本设计采用拱顶结构,为模拟烧制提供便利,小空间对称分布多个自吸式烧嘴,大空间处均匀分布动力式烧嘴,取窑内空间部分建模,其中小空间与大空间过渡区, 即活动式窑门与过渡区相配合区域根据公式
式中: q- 热流密度,w/m2;
t- 温度,℃ ;
δ- 耐火材料厚度,m ;
λ- 耐火材料导热系数,w/(m2·k)。
砌筑相应厚度的耐火材料,以保证小空间烧制时耐火材料过薄而导致外侧温度过高烧坏活动窑车,或引起其他安全隐患。
利用PROE三维建模软件,建立几何模型,如图(3) 所示。
窑内空间设置均匀分布的坯体,以具有一定高度的圆柱体代替,其中坯体与窑墙之间有一定间隙,因为动力烧嘴流速较大,其间间距设置为30 cm[3],为达到较为理想的效果,坯体码放方式较为稀疏[4]。
2网格划分
网格是数值模拟不可或缺的部分,网格好坏影响了数值计算的收敛情况,网格疏密影响数值计算的精确程度,计算流体力学对网格的划分有着一般性要求[5],本模型采用ANSYS ICEM CFD 15.0进行网格划分,坯体和烧嘴处采用O型网格方式,并加密,本次模拟忽略坯体内部温度场分析,所以将坯体挖空,只作为吸热单元, 不做网格划分,划分结果如图(4)所示。
3数值模拟与控制
由于小空间烧制即为自吸式烧嘴梭式窑,目前市场上已然多见,故本文不做深入研究,本文只针对大小空间结合模型进行温度均衡可行性分析与研究。首先对模型进行简化,关闭组分模型。简化如下:1假设窑墙绝热; 2假设窑门及烧嘴各处无漏风现象;3忽略燃料燃烧模型,烟气为具有一定温度的气体喷射入窑;4忽略窑内高温时窑墙、坯体之间辐射换热;5坯体为具有一定热流密度的吸热材料。
由于该模型采用不可压流体进行模拟,故采用分离求解器求解,优先计算流场,之后引入能量方程与动量方程,计算时采用一阶迎风格式,之后选用二级迎风格式, 经过多次迭代完成收敛。SIMPLEC可加快计算收敛性能。 模拟考虑烟气与制品坯体进行热交换,开启能量方程:
以充分发展的高雷诺数湍流计算模型, 开启k-epsilon双方程粘性模型进行湍流计算,标准k-ε 求解,包括连续性方程、动量方程、能量方程、k方程、ε 方程与湍动粘度方程。
查询资料得到不同温度下标准烟气的物理参数见表1。
为避免回流影响收敛,本文所有出口设置为压力出口,烟气入口为具有湍流强度的速度入口,窑墙为具有一定粗糙度无热交换的wall。
模拟烟气入口流速,动力烧嘴设置分为6 m/s、8m/s、10 m/s;自吸式烧嘴流速与之对应为4 m/s、6 m/s、 8 m/s[7],分别计算对应的速度入口湍流强度,并设置两种烧嘴入口温度相同。坯体为具有一定热流密度的墙, 热流密度计算公式为:
其他值设置为默认。
本计算主要使用方程如下: 动量方程:
连续性方程:
湍流方程:
4数值模拟结果分析
本模拟设计动力烧嘴的烟气流速大于自吸式烧嘴, 分别取不同流速情况下,在窑内上、中、下处取截面分析各截面的温度分布情况,温度分布情况如下图(5)所示。
图(5)中a、b、c分别为不同动力烧嘴流速同一位置下的温度分布图,其中a代表流速为6 m/s,b代表8 m/s,c代表10 m/s,该位置为大空间上部位置,小空间同一高度处已处于窑顶耐火材料位置,故只有大体积空间表示如图。该图中不同颜色代表不同温度,且颜色由暖色逐渐变为冷色,代表温度下降。由表可知,该云图最低温度为1160 K,最高温度为1172 K。烧嘴流速较低时云图中存在部分区域温度较烟气温度低,相差11 K, 且位置处于动力烧嘴烟气出口位置,距离烟气扩展区域较远,为流动盲区。当动力烧嘴烟气流速加大到6 m/s时, 蓝色区域消失,绿色区域占绝大部分面积,低温区域面积相对缩小,高温区域面积增大,如图(1)中b图所示, 绿色较集中在所有坯体的中间部位。在烟气冲击、充分扩展区域面积较小,当烟气流速下降到一定值时,动力降低,使得对制品周边温度呈现流迹痕迹。当烟气流速增大为10 m/s时,绿色区域面积再次缩小,且集中在所有坯体的中间处,四周坯体被烟气冲刷,使坯体周围温度场较均匀,但是背离流动冲击区有部分温度较低,形成尾流,符合流体力学理论知识。该处增大流速可使得窑内烟气形成环流s,对窑内制品换热及温度均衡起到积极促进作用。
图(6)为不同烟气流速对窑体Z轴方向中部位置温度分布影响云图,由云图可以观察,大空间部位与图(5) 所示相类似,皆为增大动力烧嘴的流速可以促使窑内温度均匀分布。
小空间区域设置五个烧嘴,错位分布,图中左侧等距分布三个烧嘴,右侧等距分布两个烧嘴,烧嘴烟气流速由左到右依次设置为4 m/s、6 m/s、8 m/s,烟气流向为垂直纸面向外,流经窑顶后经过拱顶交叉向下冲刷坯体,流经坯体表面进行换热,最后流入吸火孔进入烟道, 从烟囱处排入大气。因为左侧设置三只自吸式烧嘴,较右侧多1个,故左侧总体高温面积较右侧大,在d图中,由于烟气流速较低,温度分布情况与大空间处相似,坯体中,最中心部位温度相对较低,较最高温略低6 K左右, 原因为烟气冲到窑顶后速度急速下降,再次向下流动时已无高速,且温度降低,在两侧烟气交汇后向下流入坯体群而导致中心位置出现温度相对较低区域。但是随着烟气流速的增大,低温区域面积缩小,高温面积区域变大, 如f图所示,高温区域已经占整个小空间面积的3/4,接近窑内温度均衡。且在大空间与小空间交汇处,随着烟气流速的增加,该处温度以趋向稳定状态,且温度有所升高。
图(7)所示为三组不同烟气流速下的窑内下部界面温度分布云图,该云图避开了大空间动力烧嘴出口处, 烟气流动轨迹并不明显。但是小空间处由于接近自吸式烧嘴烟气出口,所以高温区比较明显且集中。在图(7) g图中,为烟气流速较低的温度分布云图,由于左侧烟气量较多,在下降过程中较集中于右侧,所以右侧出现局部相对较高温区,同样出现在大空间部位,由于窑底以及侧墙的阻力损失,烟气在两个角落位置流速缓慢相对高温。由于阻力损失,中部绿色区域面积较大,随着烟气流速增大到8 m/s、6 m/s时,小空间出现温度均衡的现象,大空间温度均衡程度较g图亦有所增加,因为流速增大,且接近于排烟口,吸火孔的抽力促进了烟气的流动, 加速了温度的均衡。当烟气流速增大到10 m/s、8 m/s时, 烟气扰动过强,小空间部位烟气大部分从侧边空隙处直接流向吸火孔,因为坯体与侧墙的间隙较大,阻力较小, 烟气会优先流向阻力较小的方向,从而导致坯体中部未能充分热交换。
图(8)所示,j图为大小空间交汇处Y轴负方向速度矢量界面图,m图为该处Z轴正方向视图。由m图可见,受大空间动力烧嘴高流速的影响,截面烟气已经形成环流,且在流到窑墙时方向转变而,流速降低,烟气流动过程中,靠近坯体部分的烟气流入坯体的空隙中,且在空隙中运动,进行热交换。在交汇处,动力烧嘴流出的烟气有一部分流向小空间两只自吸式烧嘴侧,参与小空间内的烟气流动循环,并影响流体的流动状态。由j图可以看出, 左侧下方动力烧嘴流出的烟气流经对面窑墙时,形成向上的升流,并汇入由右侧向左侧喷射而出的烟气流体,形成环流,该烟气再次循环到左侧时,一部分烟气又加入向右的流体,形成环流,烟气有规律的流动在烟道处,同时, 左上角为自吸式烧嘴向上升至窑顶的烟气流,遇到窑顶后向下流动,混入向右的烟气流体时形成局部环流,扰乱烟气流动规律,多处形成紊流,使得烟气与坯体进行不规律热交换,加速了窑内温度的均衡分布。
5结论
(1)此种可变化烧制空间体积的梭式窑可以通过使用动力式烧嘴与自吸式烧嘴结合,对坯体进行加热,8m/s的动力烧嘴与6 m/s的自吸式烧嘴流速有助于窑体下部的温度均衡,10 m/s的动力烧嘴烟气流速与8 m/s的自吸式烧嘴流速有助于窑体中部以及上部温度均衡;
(2)通过改变烟气入口流速,窑内温差在Z轴方向上中下位置最小温差分别为6 ℃、8 ℃、6 ℃ ;
(3)坯体码放的中部多为温度较低的区域,可以通过稀疏坯体码放的方式或者增大烟气动力的方式缓解坯体码放内外温差的影响;
(4)坯体与窑墙的距离要与烧嘴产生的烟气流速向对应,烟气流速过大且烟道尺寸过大时,烟气与制品未能充分交换,直接流入烟囱,产生能源浪费。
该新型梭式窑经以上理论分析,在温度均衡方面合理,为一种先进窑型。一种可变化烧制空间体积的梭式窑已获得实用新型专利,专利号:CN204240792U。
参考文献
[1]冯青,宫小龙,等.梭式窑吸入式烧嘴的三维数值模拟研究[J].工业炉,2006,28(6):8-11.
[2]曾虑危.高速烧嘴的性能测试及对某些问题的认识[J].工业加热,2002,02:54-55.
[3]罗民华,曾令可,等.梭式窑的码坯方法和烟道设计对温度场及流场影响的探讨[J].中国陶瓷工业,2002,03:27-30.
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[5]纪冰冰,陈金瓶.ANSYS ICEM CFD网格划分实例技术详[M].北京:清华大学出版社,2004:42-45.
[6]杨世铭,陶文栓.传热学[M].北京:高等教育出版社,2006:560-561.
[7]宫小龙,汤文菊,冯青,等.液化气梭式窑高温段流场与换热的数值模拟研究[J].中国陶瓷,2008,04:35-37.
不均匀场论文 篇2
DPIV在水洞流场均匀度校测中的应用
用数字式粒子图像测速技术(DPIV)及特定预偏置技术校测水洞流场,并将测量结果与用传统流场校测方法测得的结果相比较,发现特定预偏置技术显著提高了流场测量精度,适用于流场校测.
作 者：黄湛 申功 魏润杰 郭辉 作者单位：北京航空航天大学,飞行器设计与应用力学系刊 名：北京航空航天大学学报 ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF AERONAUTICS AND ASTRONAUTICS年，卷(期)：28(5)分类号：O357.5+4关键词：水洞 流场校测试验 精度 数字式粒子图像测速 预偏置方法
不均匀场论文 篇3
目前为止, 开发的最快的一种太阳能电池就是晶硅太阳能电池, 已经定型的是它的构造和生产工艺, 产品已经在空间和地面上有很广泛的应用。单晶硅棒是这种太阳能电池的原料。为了能使生产的成本降低, 现在对于太阳能电池等采用太阳能级的单晶硅棒在地面的应用, 已经基本上放宽了材料性能的指标。一些也可以对半导体器件加工的头尾和废次单晶硅材料进行使用, 经过复拉制成太阳能电池专业的单晶硅棒。
0.3mm是将单晶硅棒切片以后的厚度。经过抛磨、清晰等工序对硅片, 把代加工的原料硅片进行制作。对太阳能电池片进行加工, 首先要掺杂和扩散在硅片上, 少量的硼、磷、锑等是通常的掺杂物, 可以在石英管制成的高温扩散炉中进行扩散, P>N结就会在这样的硅片上形成。然后对丝网印刷法进行采用, 在硅片上把好的银浆印进行精配做成栅线, 烧结以后, 同时把背电极制成, 并且在栅线的面涂覆减反射源, 对大量的光子进行防范, 把被光滑的硅片表面反射掉。
2 扩散均匀性影响因素
根据管式扩散炉的特点, 可以扩大扩散均匀性, 主要运用的技术是取温补偿。在大规模的生产中, 通过对工艺反应时间、气体流量和反应温度三者的实现进行调整, 以便对这种方式进行运用。将悬臂装载机构扩散炉进行配备, 其本身的特点以及恒温区位置的固定, 对桨、石英保温挡圈、均流板和石英舟的固定位置的石使用都有所确保。
2.1 均流板分流设计对扩散片内片间均匀性的影响
在扩散炉中, 气体的均匀分流中起着尤为重要作用的是均流板, 在悬臂式扩散炉中, 均流板的重要性也是不容忽视的。为了对影响扩散炉均匀性进行分析和研究分别采用了均流板A和B, 进行试验。3.6%是均流板B的直径和均流板A的直径之间的相差范围。在对炉口的密封性, 工艺气体、时间、温度以及排气等条件设置有所保证的情况下 (都是把之前的条件作为参照进行后续试验) , 在炉尾处放置均流板A, 把均流板A、B在炉口处分别进行放置, 然后进行实验对比。
从以下的表1中会发现, 内极差较大的是D152-A实验的炉口片内片, 原因是较为小的片间极差, 通过对温度、气体流量和工艺时间的调整, 炉口方阻片内极差是很难改善的;采用均流板B的是D152-B试验炉口, 也就是适当地对均流板的直径进行增加, 均流板B对炉口方阻片内极差的改善特别的明显, 这就是其结果, 同时也会增大片间方阻极差, 对整体气氛场的片间均匀性不利, 但是这可以容易地通过对温度、气体流量等进行调整, 对整体气氛场的片间均匀性进行改善 (如表1) 。
2.2 废气排放位置对炉口均匀性的影响
扩散炉恒温区中有矛盾关联的是其有限性和生产产量的最大化。在生产中, 扩散硅片在恒温区需要最大限度地进行放置这样对恒温区温度的精度和稳定性就会有所保证。因为配置悬臂式装载系统的扩散炉炉口对于温度在很大的程度上有所干扰, 可以放置废气管口唉炉门的位置, 同时也能对靠近炉口方向硅片反应区域气氛场的均匀性进行改善。所以, 将废弃排放位置分别进行调整, 并且进行试验对比。
从以下的表2中会发现, 恒温区和废气排放口的距离越远, 也就是距离和炉口的越近, 对于改善炉口的方阻片内/片间均匀性就会越好, 但是在排放废气的同时, 也会有大量的热能排除, 会聚集很多的热能在排放区域, 因为对于炉门的低温 (一般为小于200℃) 要求进行考虑, 在一定程度上就会对排放到炉口的距离有所限制, 不能够太近, 所以, 一个两向平衡距离范围内就是生产总废气排放口的最好的位置 (如表2) 。
2.3 排风量大小对炉口均匀性的影响
在进入扩散炉中有石英管内有一定的工艺气体总流量, 扩散炉内的气氛场压强变化会受到排风量大小设定的直接影响但是和气氛场压强有密切联系的是炉内工艺气体的浓度, 从而对扩散的均匀性有很大的影响, 特别是炉口的均匀性。
3 结语
制绒、扩散、刻蚀、镀膜、印刷、烧结等都是晶体硅太阳电池主要工艺制作过程中所包括的内容, 每一道工序的相关控制参数对和电池电性能都有直接或者间接的参数相关联。
对于扩散工序而言, 扩散的均匀性直接体现在硅片形成的P-N结结深差异性上, 均匀性好反映出结深差异性小, 相反就会有很大的不同。
运用实验方法对影响晶体硅太阳电池扩散均匀性的气氛场因素及其工艺调节优化改善方法进行分析, 在工艺调试过程中这些气氛因素之间的关联影响是一定要注意的, 通常先对均流板的均匀分流设计和废气排放位置因素进行优化和改善, 再与工艺气体流量、排气量等其他相关因素系统进行综合, 对炉内压强平衡进行调整。
摘要：本文对晶体硅太阳能电池的概念以及扩散均匀性影响的因素进行分析和阐述, 指出晶体硅太阳能电池扩散气氛场的均匀性。
关键词：晶体硅太阳能电池,扩散气氛场均匀性
参考文献
[1]何堂贵, 唐广.晶体硅太阳能电池扩散气氛场均匀性研究[J].电子设计工程, 2009 (9) .