基于复烧实验与数值模拟的古代蛋形瓷窑烧成技术复原

《Case Studies in Thermal Engineering》：Firing technology restoration of an ancient egg-shaped ceramic kiln based on refiring experiments and numerical simulation

　　

研究人员提出一种基于仿真的方法，用于复原中国景德镇泗和蛋形窑的烧成技术，将数值模拟与复烧实验相结合。研究人员建立了非稳态传热与流动模型，并利用一座重建窑的实测数据进行了验证。以合格产品率和单位合格产品能耗为评价指标，研究人员通过L₁₆(4⁴)正交设计分析了四个关键复原参数，并采用PSO-BP代理模型耦合NSGA-II与熵权TOPSIS方法进一步优化。结果表明，匣钵装烧密度对产品质量影响最大，而窑头高度对能耗影响最为显著。优化后预测合格产品率由48.32%提高至55.54%，单位合格产品能耗由1.986 GJ/m²降至1.731 GJ/m²；这些改善尚未通过优化窑的复烧实验予以证实。该研究为复原古代瓷窑烧成技术提供了定量依据，并展示了数值模拟在陶瓷考古中的价值。

蛋形窑又称镇窑，是明清时期景德镇的代表性瓷窑类型，对研究陶瓷生产技术发展具有重要价值。然而现存窑址大多仅保留火膛、窑床等下部遗迹，完整结构和烧成工艺的文献记载零散且有限，传统考古发掘与文献考证难以完整复原其原貌和技术逻辑。数值模拟（计算流体动力学，CFD）为窑炉遗址复原和烧成机制研究提供了现代途径。已有CFD研究虽证明其可行性，但存在三方面局限：多数模型基于考古图纸的理想化几何，缺乏全尺寸复烧实测验证；模拟多用于描述温度场而非定量优化结构和操作参数；点温度测量无法反映长窑室内非均匀的三维温度场。因此，研究人员将全尺寸复烧测量与三维瞬态CFD建模、参数优化相结合，对景德镇沟沿上巷泗和蛋形窑遗址开展量化复原研究。研究人员在遗址上重建蛋形窑并完成约28 h复烧实验，建立窑内非稳态流动与传热模型，以8支K型热电偶和皮托管风速计测量温度与流速进行验证。以窑头高度（H）、烟道口高度（h）、氧化期投柴速率（Y）和匣钵装烧密度（P）为关键复原变量，以合格产品率（Q）和单位合格产品能耗（N）为评价指标，采用L₁₆(4⁴)正交试验、方差分析、PSO-BP代理模型、NSGA-II和熵权TOPSIS进行参数影响分析与多目标优化。结果显示，优化后的参数组合预测使Q提高7.22个百分点、N降低0.255 GJ/m²，但该优化结果仍需独立复烧试验证实。该研究为古代瓷窑烧成技术复原提供了定量比较框架，并展示了数值模拟在陶瓷考古中的价值。

研究人员使用的关键技术方法包括：基于窑址实测和三维扫描建立物理模型，建立窑内非稳态传热与流动模型，采用Realizable k-ε湍流模型和离散坐标（DO）辐射模型，最终网格约890万单元；在景德镇泗和蛋形窑遗址重建窑上进行约28 h复烧实验，用8支K型热电偶和皮托管风速计采集温度和流速以验证模型；采用L₁₆(4⁴)正交试验与方差分析（ANOVA）评估四个参数的影响；用粒子群优化（PSO）初始化反向传播（BP）神经网络代理模型，经NSGA-II求解多目标Pareto前沿，再用熵权TOPSIS从非劣解中选取折中配置。

研究结果

3.1 模型验证
通过重建窑复烧实验的实测数据与模拟结果对比，窑内温度场和速度场总体一致。氧化期结束时，各测点相对偏差为0.15%~11.55%；第一次还原期结束时，偏差降至0.1%~2.97%。最大偏差出现在窑头上方K-8测点，主要原因在于间歇投柴会产生随机且强烈的热扰动，而模型只能以时均入口质量流量表示投柴量。

3.2 正交实验分析
对16个正交工况进行极差分析和方差分析后显示，对合格产品率（Q）的影响排序为匣钵装烧密度＞窑头高度＞氧化期投柴速率＞烟道口高度，其中匣钵装烧密度的贡献率达90.58%；对单位合格产品能耗（N）的影响排序为窑头高度＞匣钵装烧密度＞氧化期投柴速率＞烟道口高度，其中窑头高度的贡献率达96.69%。PSO-BP代理模型留一法交叉验证的决定系数约为0.922（Q）和0.976（N），表明代理模型在已有工况内具有较好预测精度。

3.3 优化结果
将训练后的代理模型与NSGA-II结合，得到Q与N的Pareto前沿，再由熵权TOPSIS选择折中解，Q权重为0.2065，N权重为0.7935。最优参数为窑头高度5.55 m、烟道口高度0.24 m、氧化期投柴速率0.160 kg/s、匣钵装烧密度45.01%。与原重建窑相比，Q预测提高7.22个百分点，N降低0.255 GJ/m²；CFD复核得到Q=55.20%、N=1.771 GJ/m²，与代理预测偏差分别为0.62%和2.26%。

3.4 局限性与未来工作
研究指出，燃烧过程简化为高温气体入口、匣钵堆采用等效几何、制品未显式建模、验证仅基于8个热电偶等限制，使三维温度场精度和局部传热表征受到局限。合格判据以烧成结束时匣钵表面温度代替制品整体烧成状态，未直接评估制品温度、烧成气氛和材料质量，温度误差可能影响合格面积与评价指标。代理模型基于16个CFD工况，所选配置应为参数范围内的折中方案而非唯一最优；优化后的性能增益仍需独立复烧实验确认。

讨论部分：研究强调，当前评估局限于基于温度的合格率与单位合格面积能耗，未包含成本、投资和收益数据，因此预测的热工改进不应被解读为经济可行性。模型与测量偏差包含多重建模和测量不确定因素，尚无法单独归因于燃烧简化。重复运行完整优化链十次后，所选配置的平均Q为58.17%（标准差1.13个百分点），平均N为1.746 GJ/m²（标准差0.056 GJ/m²），说明沿Pareto前沿可能存在不同折中解，报告中的配置仅为一个经数值验证的折中方案。

研究结论：研究人员建立了蛋形窑窑内烧成过程的数学物理模型，结合复烧实测验证了数值模拟的可靠性。主要结论为：(1) 数值模拟获得了气体与匣钵之间温度分布的时变规律；氧化期结束时模拟温度与实测的最大偏差为11.55%，最小为0.15%；第一次还原期结束时最大偏差为2.97%，最小为0.1%。(2) 匣钵装烧密度对合格产品率影响最大，窑头高度对单位合格产品能耗影响最大；氧化期投柴速率对两个指标均排第三，烟道口高度影响较小。(3) 相对重建窑，优化窑的窑头高度提高0.5 m，烟道口高度不变，匣钵装烧密度降低16.92%，氧化期投柴速率提高6.95%；预测合格产品率提高7.22个百分点，单位合格产品能耗降低0.255 GJ/m²。该研究为利用复烧实测、CFD和代理辅助优化比较窑炉复原方案提供了定量框架，预测改进适用于所研究参数范围和基于温度的评价准则，仍需独立复烧试验确认。