CN108256161B - 一种评价玄武岩池窑中原料熔化均匀性的方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种评价玄武岩池窑中原料熔化均匀性的方法及系统，采用迭代计算的方式，追踪玄武岩池窑中的若干无质量示踪粒子，计算每个粒子在流动路径上的熔化指数，最终通过熔化均匀性指数的大小来量化评估池窑中的原料熔化均匀性。本发明提供了一种快速、简便、成本低廉的适用于评价玄武岩池窑中原料熔化均匀性的方法，可采用计算机编程的形式快速实现，推动了玄武岩纤维生产向池窑法规模化方向发展。

Description

一种评价玄武岩池窑中原料熔化均匀性的方法及系统

技术领域

本发明属于化工技术领域，涉及玄武岩池窑熔制系统，具体为一种评价玄武岩池窑中原料熔化均匀性的方法及其系统。

背景技术

玄武岩纤维是一种纯天然的无机非金属材料，不仅强度高、模量高，而且耐高低温、耐酸碱、防火阻燃等性能也非常优异，在航空航天、能源、化工、建材等领域具有广阔的应用前景。然而由于玄武岩熔体黑度高所带来的熔化均匀性差的题造成我国玄武岩纤维生产企业仍以坩埚炉技术为主，普遍存在生产规模小、效率低、能耗高等缺点。为推动玄武岩纤维生产向池窑法规模化方向发展，就必须了解玄武岩池窑中原料熔化的不均匀程度，以此发现其中的问题并进行优化设计，但目前缺乏相应技术手段，因此亟需一种快速、简便且成本低廉的手段用于评价玄武岩熔化的不均匀性。

发明内容

本发明要解决的问题是：目前由于玄武岩熔体黑度高所带来的熔化均匀性差的问题，造成我国玄武岩纤维制造普遍存在生产规模小、效率低、能耗高等缺点，为推动玄武岩纤维生产向池窑法规模化方向发展，就必须了解池窑中原料熔化的不均匀程度，亟需能够有效评价玄武岩熔化的不均匀性的方法。

本发明的技术方案为：一种评价玄武岩池窑中原料熔化均匀性的方法，包括以下步骤：

1)获取玄武岩池窑中熔液的温度场和速度场分布，建立池窑模型，将池窑熔液流动区域划分成若干网格并编号；

2)将池窑流动区域的熔液信息进行离散化处理，用于定义每个网格单元的熔液流动信息，熔液信息包括温度、粘度、流动速度这三个连续性数据；

3)在池窑熔液流动区域的入口处投入若干无质量示踪粒子，对每个粒子进行编号，并记录此时粒子的位置；

4)定义时间步长，根据步骤3)记录的初始时刻下粒子的位置，判断粒子所处网格单元，将该网格单元的熔液流动速度赋予位于本网格的示踪粒子；

5)根据粒子所处网格单元的熔液流动信息，计算粒子当前时刻熔化指数；

6)追踪粒子，计算下一时刻的粒子位置，判断粒子所处网格单元，并将网格单元的熔液流动速度赋予此刻的示踪粒子，计算此时刻的粒子熔化指数；

7)按照时间步长追踪计算粒子熔化指数，当粒子从池窑出口逸出时，结束对粒子的追踪，并计算出此刻的粒子熔化指数；

8)根据步骤4)-7)，得出每个示踪粒子的从池窑出口逸出时的熔化指数，并求取所有粒子逸出时熔化指数的平均值；

9)根据示踪粒子的从池窑出口逸出时的熔化指数及其平均值，计算熔化均匀性指数MIU，根据熔化均匀性指数MIU的大小评估池窑均匀性。

作为优选方式，步骤1)中，网格单元的尺度宜小于池窑长度尺寸的1/100，以确保计算方法的精确性，尺度越小计算结果越精确。

作为优选方式，步骤4)中，时间步长小于熔液平均停留时间的1/1000，以提高计算方法的精确性。

对于最终的到的熔化均匀性指数MIU，MIU值越大代表玄武岩池窑中原料熔化均匀性越差，反之MIU值越小则代表越均匀。

本发明还提供一种评价玄武岩池窑中原料熔化均匀性的评估系统，系统装置上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现上述评估方法。

本发明弥补了现有技术无法量化评价玄武岩池窑中原料熔化均匀性的不足，具有方法简单、快速、成本低廉等优点，可以成为评价玄武岩池窑中原料熔化均匀性的一种新方法。具有以下3点有益效果：

(1)本发明方法通过计算熔化均匀性指数的方法来评价玄武岩池窑熔制系统中原料熔化均匀性，可实现评价结果的量化，利于直观应用；

(2)本发明方法可以通过人工计算获取结果，也可以采用计算机编程的形式快速实现，无需对池窑原料熔化进行大量实验测试，成本低廉；

(3)本发明方法通过计算程序编译成软件程序后，工艺人员无需计算机专业知识，只需提供池窑尺寸，以及温度场、速度场数据，即可进行操作，自动输出评估结果，简单易学，易于推广使用。

附图说明

图1为本发明评价方法的示意图。

图2为本发明实施例1的评价对象的示意图。

图3为本发明实施例2的评价对象的示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种快速、简便、成本低廉的适用于评价玄武岩池窑中原料熔化均匀性的方法，可采用计算机编程的形式快速实现构成评价系统，具体实施如下：

1)获取玄武岩池窑中熔液的温度场和速度场分布，将池窑区域划分成若干网格，且网格尺度宜小于池窑长度尺寸的1/100，将每个网格进行编号，如1,2,3…i...；

2)将池窑流动区域的熔液信息，包括温度、粘度(与温度成函数关系)、流动速度这三个连续性数据进行离散化处理，从而定义每个网格单元的熔液流动信息：T(i)、η(i)、

分别代表第i号网格中的熔液温度、粘度和流动速度；

3)初始时刻，在池窑熔液流动区域的入口处投入1万个以上的无质量示踪粒子，对每个粒子进行编号，如1,2,3…n...，此时粒子颗粒位置为

下标0代表初始时刻；

4)对时间进行离散，即定义时间步长Δt，其值宜小于熔液平均停留时间的1/1000，根据初始时刻下粒子的位置

判断粒子所处网格单元，并将该网格单元i的熔液流动速度赋予此刻的示踪粒子，即：

式中，下标p表示粒子，下标0代表初始时刻，下标g代表网格单元。

5)由于熔液温度越高、熔液的粘度越低，说明原料熔化的越充分，因此根据粒子所处网格单元的熔液流动信息，计算出粒子熔化指数：

式中，n代表粒子编号，下标0代表初始时刻。

6)根据式(3)计算出0+Δt时刻下的粒子位置

即：

7)根据0+Δt时刻下粒子的位置

判断粒子所处网格单元，并将此时网格单元i'的熔液流动速度赋予此刻的示踪粒子，即：

8)根据0+Δt时刻下粒子所处网格单元的熔液流动信息，计算此时刻的粒子熔化指数：

9)以此类推，当粒子从池窑出口逸出时，即t时刻下，可采用式(6)计算出此时的粒子熔化指数，并在此刻结束该粒子熔化指数的计算。

i”为逸出时的粒子所处的网格单元编号。

10)以此类推，采用以上步骤(4)-步骤(9)，计算出每个示踪粒子的从池窑出口逸出时的熔化指数MID(n)，n代表粒子编号，采用式(7)求得N个粒子熔化指数的平均值

式中，N代表池窑熔液流动区域入口处所投入的无质量示踪粒子总数。

11)采用式(8)计算熔化均匀性指数MIU：

12)计算完成，根据熔化均匀性指数MIU的大小评估均匀性，MIU值越大代表玄武岩池窑中原料熔化均匀性越差，反之MIU值越小则代表越均匀。

上述过程可以通过计算机编程得到一套计算机程序，设置在计算机系统中构成玄武岩池窑原料熔化均匀性的评估系统，所述计算机程序根据输入的池窑参数以及池窑温度场速度场信息，进行建模仿真，投放无质量示踪粒子，仿真计算得到熔化均匀性指数，可快速直观得完成对池窑中原料熔化均匀性的评估。对于池窑速度场和温度场的获取是现有技术，可以通过实验测量获取，不过这种方式需要测量很多点，不易实现；更常用的方法是通过计算机仿真获取，能够方便的获取整个窑炉的温度场计速度场分布。速度场和温度场的获取方式不是本发明的改进点，属于现有技术，不再详述。

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

某玄武岩池窑，长、宽、高分别为5m、1m、0.4m，熔液平均停留时间为12h，如图2所示，关于原料熔化均匀性的评价过程包括顺序相接的如下步骤：

1)获取该玄武岩池窑中熔液的温度场和速度场分布，设置网格尺度为40mm，将池窑区域划分成35万个网格，将每个网格进行编号；

2)将上述池窑流动区域的熔液信息，包括温度、粘度(与温度成函数关系)、流动速度这三个连续性数据进行离散化处理，从而定义每个网格单元的熔液流动信息；

3)初始时刻，在池窑熔液流动区域的入口处投入1.6万个的无质量示踪粒子，对每个粒子进行编号；

4)定义时间步长Δt为60s，将示踪粒子所处网格单元的熔液流动速度赋予粒子；

5)根据粒子所处网格单元的熔液流动信息，计算出粒子熔化指数；

6)持续更新粒子的位置和速度，经过不断迭代，当粒子从池窑出口逸出时，计算出此时的粒子熔化指数，表1为部分计算数据；

表1池窑出口处的粒子熔化指数(取前40号粒子)

粒子编号	熔化指数	粒子编号	熔化指数	粒子编号	熔化指数	粒子编号	熔化指数
								1	109120	11	208875	21	65562.1	31	115193
2	106435	12	128963	22	76885.3	32	68748.3
								3	104861	13	185028	23	80000.6	33	77761.7
4	103730	14	99472.9	24	92283	34	372102
								5	102048	15	98379.7	25	697244	35	93655.2
6	100071	16	99914.6	26	129058	36	134779
								7	99881.8	17	71111.8	27	127292	37	166388
8	101062	18	78998.9	28	63495.4	38	105587
								9	74644.5	19	84868.7	29	67164.2	39	62819.8
10	111867	20	71720.3	30	62740.9	40	73736.2

7)计算熔化均匀性指数MIU＝0.8184。

实施例2

在实施例1的基础上，在池窑中添加10根电极，采用上述步骤获得最终的熔化均匀性指数MIU＝0.6235。

由实施例1与实施例2所计算出的熔化均匀性指数对比来看，实施例2的熔化均匀性显然好于实施例1，而在现实生产中，也正是添加了电极，才确保了池窑上下层熔液的温度均匀性，才没有在窑底产生熔液冷却结晶。

因此，采用本发明建立的方法可量化评价玄武岩池窑中原料熔化的均匀性，这对于池窑结构设计、操作工艺优化都具有很好的工程应用价值。

Claims (4)

1.一种评价玄武岩池窑中原料熔化均匀性的方法，其特征是包括以下步骤：

1)获取玄武岩池窑中熔液的温度场和速度场分布，建立池窑模型，将池窑熔液流动区域划分成若干网格并编号；

2)将池窑流动区域的熔液信息进行离散化处理，用于定义每个网格单元的熔液流动信息，熔液流动信息包括温度、粘度、流动速度这三个连续性数据；

3)在池窑熔液流动区域的入口处投入若干无质量示踪粒子，对每个粒子进行编号，并记录此时粒子的位置；

4)定义时间步长，根据步骤3)记录的初始时刻下粒子的位置，判断粒子所处网格单元，将该网格单元的熔液流动速度赋予位于本网格的示踪粒子；

5)根据粒子所处网格单元的熔液流动信息，计算粒子当前时刻熔化指数；粒子熔化指数计算为：

n代表粒子编号，下标0代表初始时刻，T(i)、η(i)分别为第i号网格中的熔液温度、粘度，Δt为时间步长；

0+Δt时刻下，粒子熔化指数计算为：

i'为0+Δt时刻下粒子所处的网格单元；

6)追踪粒子，计算下一时刻的粒子位置，判断粒子所处网格单元，并将网格单元的熔液流动速度赋予此刻的示踪粒子，计算此时刻的粒子熔化指数；

7)按照时间步长追踪计算粒子熔化指数，当粒子从池窑出口逸出时，结束对粒子的追踪，并计算出此刻的粒子熔化指数；

8)根据步骤4)-7)，得出每个示踪粒子的从池窑出口逸出时的熔化指数，并求取所有粒子逸出时熔化指数的平均值；

9)根据示踪粒子的从池窑出口逸出时的熔化指数及其平均值，计算熔化均匀性指数MIU，根据熔化均匀性指数MIU的大小评估原料熔化的均匀性，熔化均匀性指数MIU为：

n为粒子编号，MID(n)为示踪粒子从池窑出口逸出时的熔化指数，

为各粒子熔化指数的平均值，N所投入的无质量示踪粒子总数；

MIU值越大代表玄武岩池窑中原料熔化均匀性越差，反之MIU值越小则代表越均匀。

2.根据权利要求1所述的评价玄武岩池窑中原料熔化均匀性的方法，其特征是步骤1)中，网格单元的尺度小于池窑长度尺寸的1/100。

3.根据权利要求1所述的评价玄武岩池窑中原料熔化均匀性的方法，其特征是步骤4)中，时间步长小于熔液平均停留时间的1/1000。

4.一种评价玄武岩池窑中原料熔化均匀性的评估系统，系统装置上存储有计算机程序，其特征是所述计算机程序被执行时实现权利要求1-3任一项所述的评估方法。

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