**砖隧道窑冷却区模型中垂直热源布置的能量与热性能：一项经过验证的CFD研究**

《Energies》：Energy and Thermal Performance of Vertical Heat-Source Arrangements in a Scaled Brick Tunnel-Kiln Cooling-Zone Model: A Validated CFD Study

　　

摘要翻译：

均匀且节能的砖冷却对于产品质量、热回收以及隧道窑性能至关重要。本研究考察了在1:4比例的隧道窑冷却区模型中，垂直热源布置对气流、对流传热、受热表面温度均匀性、压力损失以及理想空气侧泵送需求的影响。建立了三维CFD模型，并针对雷诺数（Re）为15,938–30,890范围内的已发表努塞尔数测量数据进行了验证。预测的平均努塞尔数（Nusselt number）与实验数据的平均绝对偏差为6.55%。所有配置均包含四个完整的热活性砖单元：两个纵向热源（H1–H2）和两个横向热源（H3–H4）。在设置1中，纵向和横向热源分别位于第3层和第2层；在设置2中，二者位于第1层和第2层；在设置3中，则位于第3层和第4层。在保持砖几何形状、热源数量和总施加热输入相同的前提下，对各配置在特定设置的雷诺数16,829–30,641范围内进行了比较。热源布置主要通过改变受热表面相对于既有高速通道和尾流区域的暴露程度来影响热性能。设置3在最低和最高运行点产生了最高的平均努塞尔数，而设置1在两个中间点的平均努塞尔数略高。在最高运行点（入口速度差异小于0.6%），设置3相对于设置2的平均努塞尔数提高了约7–8%，同时所需理想泵功率降低了约4.5%。在所研究的缩尺、稳态强制对流条件下，设置3在对流传热、受热表面温度均匀性和理想空气侧泵送需求方面提供了最有利的综合性能。

**砖隧道窑冷却区垂直热源布置的热-气动性能研究：CFD验证与机理分析**

## 1. 研究背景与意义

隧道窑是砖和陶瓷生产中广泛使用的连续式窑炉。窑内产品依次经过预热、烧成和冷却区域，而气体和冷却空气则流经砖垛形成的通道。尽管所需的材料转变主要发生在烧成区，冷却区仍至关重要，因为它控制着最终产品温度、影响后续处理与产品质量，并为窑内其他部位的热回收提供了机会。隧道窑运行是能源密集型的，热能成本可占总生产成本的约60%，而冷却区废气带走的热量损失据报道可达陶瓷辊道窑能耗的30%–35%。因此，改善冷却区运行不仅关乎产品质量控制，也对提升窑炉整体能效具有重要意义。

冷却性能不仅取决于供风量，更取决于气流能否穿透砖垛并到达远离主通道的砖表面。窄通道、墙体间隙、流动面积的突变以及单块砖的朝向等都会引发旁路流、流动分离、回流和不均匀冷却。这使得热负载的空间布置成为理解和比较冷却性能的重要参数。尽管已有大量研究涉及隧道窑的热工模拟与气流组织，包括系统级热模型、有限体积法模型以及三维CFD研究，然而关于垂直热源位置对砖垛内部局部三维气流结构、尾流形态、温度分布和空气侧泵功需求的影响，尚缺乏深入的机理认识。Ibrahim等人（2024）曾在1:4比例实验台上对三种垂直热源布置进行过实验研究，量化了其热性能，但受限于热电偶和压力测量手段，无法揭示相应的三维速度场、回流结构及内部温度分布。本研究正是基于这一空白，采用经过验证的三维CFD模型，对这三种布置进行深入的流场与传热机理分析，提供热-气动综合比较。

## 2. 研究内容与主要技术方法

研究人员针对1:4比例的砖隧道窑冷却区模型，构建了三维稳态CFD模型，以研究垂直热源布置对强制对流冷却性能的影响。计算域长为2000 mm、宽350 mm、高250 mm，砖尺寸为114 mm×33 mm×58 mm，砖排列包含三排（流向）、两列（横向）和四个垂直层。三种设置（Setting 1–3）保持了砖几何、列距、行距及总热输入完全一致，仅改变了四个热活性砖模型（H1–H4，包括两个纵向热源H1–H2与两个横向热源H3–H4）所在的垂直层位。

关键技术方法包括：（a）采用基于BSL k–ω湍流模型的稳态RANS方法求解流动与传热问题；（b）固体砖域内求解导热方程，热源以均匀体积热生成率3.377413 × 10? W·m?3表示；在空气-砖界面处施加温度和热流连续性条件实现共轭传热；（c）采用结构化六面体网格，进行网格无关性验证，最终选取约449万个单元网格（平均Nu变化0.38%）；（d）全域模型用于验证，对称半域模型用于三种设置的比较分析；（e）模拟采用设定入口速度和温度边界条件，六种工况下入口速度范围对应数值雷诺数16,829–30,641（实验Re范围15,938–30,890）。研究忽略了浮力和辐射效应，因最大理查森数约0.013且辐射热流上限低于生热通量的0.7%。模型已针对Ibrahim等人发表的局部和平均努塞尔数测量数据进行了验证，平均绝对偏差6.55%。样本队列来源为Ibrahim等人的1:4缩尺实验设施。

## 3. 主要研究结果

### 3.1 CFD模型验证

将全域CFD模型预测结果与Ibrahim等人发表的实验数据进行比较。预测与实验平均努塞尔数在前三个工况下的符号偏差分别为2.41%、?0.36%和2.90%，在高雷诺数三个点处偏差增至8.90%、11.68%和13.02%，最大绝对值偏差范围0.36%–13.02%，平均绝对偏差约6.55%。模型成功复现了努塞尔数随雷诺数增大而升高的趋势以及纵向/横向热源位置相关的差异，表明模型能捕捉热源朝向和周围流动结构的主要影响。

### 3.2 流场特征

速度云图和流线分析显示，三种配置的总体气流拓扑结构高度相似，这源于完全相同的砖几何结构。气流在砖柱间狭窄通道内加速形成高速核心区，砖边缘后产生流动分离和低速尾流区，并伴随局部回流结构。增大入口速度可在不改变总体流动拓扑的前提下增强通道流动强度与近壁速度梯度。热源重新布置不显著改变主流结构，热性能差异主要取决于各受热表面相对既有高速通道、剪切层和尾流区域的暴露程度。

### 3.3 温度分布特征

沿纵向平面的温度分布显示，加热区的位置随热源层位变化：设置2的纵向热源在第一层，暖区集中在截面下部；设置1将纵向热源移至第三层，加热区向上扩展；设置3将纵向和横向热源分别置于第三、四层，产生最强的上层热影响。高入口速度下暖区范围缩小，温度梯度更陡。横截面温度分布证实了热浮力不是温度差异的来源，垂直热源布置决定了热空气区域的位置及其下游发展形态。

### 3.4 局部传热特性

各监测表面局部Nu均随Re增大而升高。纵向位置中LM2通常给出最高局部Nu，LC最低；设置1和3的纵向Nu在大部分范围内高于设置2。横向位置T1始终最高，T2受上游砖体遮蔽影响最低。最高操作点处，设置3的T1位置Nu达到约265，显著高于设置2，而T2仅为约185–190。

### 3.5 热源布置对平均努塞尔数的影响

设置3在最低和最高操作点产生最高的平均Nu（最低点约164，最高点约227），设置1在两个中间点略高（约223），设置2在所有工况下均为最低（最高点约211）。在最高点（入口速度差<0.6%），设置3相对设置2提高7–8%，相对设置1提高不足2%。

### 3.6 受热表面温度非均匀性评估

以八个监测表面温度变异系数CV_t衡量温度不均匀性。最低操作点时设置3的CV_t最低（2.62%），设置2次之（3.08%），设置1最高（3.45%）。最高操作点时设置2的CV_t最低（1.94%），设置3约2.06%，设置1约2.08%。中间点出现非单调变化，与不同表面上局部对流冷却速率对流速的响应差异有关。

### 3.7 空气侧压降与泵功率需求

压降和理想泵功率随流速增加而增大。在最高操作点（流速接近匹配），设置3较设置2平均Nu高约7–8%，而理想泵功率低约4.5%；设置1所需的理想泵功率比设置2低约5.4%。在近似匹配的热性能（平均Nu≈223）下，设置3的理想泵功率约15.25 W，比设置1的16.27 W低约6%。

## 4. 讨论与结论

讨论指出，垂直热源布置是影响冷却区性能的比较参数，而非直接可优化的工业设计变量。设置3提供了最佳的综合热-气动平衡：在更高的对流传热强度与较低的空气侧泵功需求之间达到了有利折衷。然而，若以最小化受热表面温度变异为首要目标，设置2在高流速下仍有优势。研究局限性在于：模型局限于稳态强制对流，未包含辐射、浮力、窑车运动及实际风机和电机效率，不能直接预测工业砖块的瞬态冷却曲线或最终产品温度。未来工作应纳入瞬态与辐射传热，对预测的局部温度和流场进行实验验证，并评估包含实际风机和电机效率的全尺寸运行条件。研究结论明确指出，所获结果应被视为所研究缩尺几何与工况范围内的比较性和机理性证据，而非对全窑冷却性能的直接预测。