摘要： 計算流體動力學 (CFD) 不斷擴展其在不同領域的影響力，借助 CelSian 的仿真軟件 GTMX，可以對玻璃熔爐內(nèi)的物理現(xiàn)象進行仿真和分析。GTMX 擁有專用模型，允許熔爐設計人員預測影響生產(chǎn)時間和質量的因素。CelSian 使用 Cadence? Fidelity? Pointwise? 作為網(wǎng)格生成軟件，在物理對玻璃生產(chǎn)過程至關重要的位置進行細化。使用計算機仿真技術，其中在 Fidelity Pointwise 中執(zhí)行 CAD 導入和網(wǎng)格劃分，并在 GTMX 上求解仿真，可以在時間限制內(nèi)測試具有多個設計標準的不同模型。

介紹

聯(lián)合國 (UN) 選擇 2022 年為國際玻璃年 (IYOG2022)，以慶祝玻璃為我們的生活帶來的變革，從用于高速互聯(lián)網(wǎng)連接的玻璃光纖到用于增強結構的新型創(chuàng)新玻璃設計建筑物和家用電器。聯(lián)合國已經(jīng)解決了他們計劃到 2030 年實現(xiàn)的幾個目標點，其中包括：

• 組織突出玻璃、藝術和文化之間聯(lián)系的活動

• 為年輕人建立專注于科學和工程的全球聯(lián)盟

• 促進學術界、工業(yè)界和公共領域的玻璃研究

• 展示玻璃在推動文明發(fā)展中不斷變化的作用

在當今的技術時代，更快的周轉時間對于滿足客戶不斷增長的需求至關重要，無論是在通信還是醫(yī)療保健領域。為了實現(xiàn)可持續(xù)或可再生的目標，在最佳解決方案可用于商業(yè)化之前，有必要測試大量的玻璃模型。這就需要一種計算機模擬技術，可以預測玻璃窯爐的壽命、可再生能源對窯爐壽命的影響、對燃燒器的影響以及產(chǎn)品質量，而不是依賴既費時又費力的實驗又貴。

流體和熱的計算機模擬

計算機模擬的發(fā)展始于上個世紀。最初的目標是開發(fā)能夠理解和預測工程設備、自然環(huán)境和生物體中發(fā)生的傳熱和傳質、流體流動、化學反應以及其他相關過程的軟件。傳熱和流體流動的過程滲透到我們生活的許多方面。

在現(xiàn)實生活中，解決一個復雜問題的最好方法是把它分成更小的部分，一點一點地解決。一些最初的模擬方法基于這一原理，工作方式如下：一個過程被切割成許多小盒子，每個盒子都應用物理定律（圖 1）。在整個過程中，盒子之間會交換信息。這就是我們今天所知道的計算模擬工具的基本原理，稱為計算流體動力學或 CFD。

圖 1. 控制體積上的能量流平衡示例 

計算天氣

天氣預報是一個眾所周知的模擬風、雨和溫度的例子，它將用來預測近期的天氣。圖 2 是一個氣候模型示例，其中地球大氣被離散化為多個連接框，在每個連接框中，使用一組方程研究當?shù)厍闆r。該模型包括所有影響氣候的基本因素，如大氣、海洋、陸地和海冰。該模型的邊界包括入射太陽能和反射到空間的熱量。

天氣預報模型已融入我們的日常生活；我們用它們來安排我們的日常活動，例如我們決定如何上下班

圖 2. 美國 NOAA，一個基于海洋和大氣相互作用的模型[2]

CelSian 的玻璃熔爐模擬

CelSian推出了一款用于玻璃熔爐模擬的模擬軟件，名為 GTM-X，類似于用于天氣預報或用于汽車和飛機行業(yè)的軟件。該軟件配備了專用模型，可以準確模擬玻璃熔爐內(nèi)的現(xiàn)象。來自實驗室實驗的數(shù)據(jù)和多年的現(xiàn)場經(jīng)驗被用于定義和驗證專用模型，例如批處理毯模型 [4] 和計算沙粒溶解的模型 [3]。CelSian 的實驗室支持冷頂爐的建模，因為對全電爐技術的需求突然激增（圖 3）。

圖 3. CelSian 實驗室冷頂爐中的玻璃熔體是使用紅外相機拍攝的（左）；熔爐的俯視圖，其中砂（批料）用于成型玻璃，熱量從熔爐的側面施加（右）。

GTM-X 被 CelSian 的內(nèi)部工程師用于工藝改進項目，并被外部團隊用于分析玻璃生產(chǎn)商和熔爐設計師的工程需求。該軟件有助于滿足當前的行業(yè)要求，例如低能耗、優(yōu)質產(chǎn)品、低排放和更長的熔爐壽命。該軟件的持續(xù)開發(fā)是由來自行業(yè)的寶貴反饋推動的。一個例子是為低鐵玻璃熔體實施一種特殊的輻射模型 [6]。

回到方框或網(wǎng)格

為了生成熔爐的計算網(wǎng)格（即上述框的集合），CelSian 使用 Fidelity Pointwise。該軟件直接從 CAD 圖紙中導入玻璃窯爐的形狀。圖 4 顯示了使用 Fidelity Pointwise 生成的玻璃熔爐的計算網(wǎng)格示例。

圖 4. 使用 Cadence Fidelity Pointwise 生成的計算網(wǎng)格示例。線條表示網(wǎng)格中每個“框”或單元格的輪廓。網(wǎng)格依附于熔爐的形狀，并且可以在需要更小的單元以準確解析物理的位置控制單元的細化。

面向未來的玻璃熔爐模擬

減少碳足跡是熔爐設計師必須應對的最大挑戰(zhàn)之一。目前的舉措側重于減少能源使用和研究替代能源，如生物燃料、電能和氫氣。盡管最佳選擇可能取決于可用性，但可以使用計算機建模來解決技術挑戰(zhàn)。

在常規(guī)爐中，如果不仔細檢查其對產(chǎn)品質量的影響，則不應增加電助推能量。溫差驅動玻璃熔體流動，電極位置錯誤會導致生產(chǎn)問題。

圖 5. 混合熔爐設計示例（由 Fives Stein 提供），其中紅色表示大氣泡，綠色表示玻璃中的小氣泡。

在使用氫氣等替代能源時，在爐子設計過程中需要考慮燃燒器的設計、對產(chǎn)品質量的影響以及爐子的使用壽命。圖 6 顯示了一個項目的結果，在該項目中，建模與實驗室規(guī)模的測試相結合，以評估氫氣燃燒對傳熱的影響。

圖 6. 天然氣（左）和氫氣（右）的火焰形狀和熱行為。氫火焰中色調(diào)的強度并不能決定它的熱容量。

支持玻璃工廠日常生產(chǎn)的仿真

固體夾雜物、氣泡和砂眼等缺陷在實驗室進行研究，并可通過計算機建模追溯這些缺陷的來源。一旦知道來源，就可以在計算機模型中測試可能的解決方案，并將最有希望的解決方案應用到真實的熔爐中。這種方法已在許多項目中使用。

對于產(chǎn)品顏色發(fā)生變化的熔爐，減少產(chǎn)品不合格的時間是有利可圖的。圖7是正在進行顏色變化的浮法爐模型。模擬表明，玻璃熔體中氧化鐵成分的變化會影響產(chǎn)品顏色及其輻射特性。需要考慮這些屬性，因為它們會影響熔爐中的爐頂溫度，并且模擬可以深入了解需要校正的能量，以防止爐頂過熱。 

圖 7. 顏色變化的時間瞬態(tài)建模及其對溫度的影響。

仿真為熔爐控制提供數(shù)字孿生

擁有時間相關的計算機模型為其他應用程序打開了道路。由于玻璃窯爐對變化的反應非常緩慢，因此本文提到的計算機模型可以幫助預測變化如何以及何時影響玻璃生產(chǎn)過程。簡而言之，該模型是真實熔爐的數(shù)字雙胞胎，在熔體表面下方有許多虛擬傳感器。

如上所述，模擬幾乎與實時一樣快，但仍然太慢無法直接控制玻璃熔爐。為了直接控制熔爐，通過對數(shù)字孿生執(zhí)行一系列測試，從 CFD 模型創(chuàng)建了一個更快的模型。這種方法對熔爐是安全的，不會影響產(chǎn)品質量，并且會產(chǎn)生沒有來自未知干擾的信息的控制模型。

圖 8. 使用詳細的熔爐模擬生成快速準確的控制模型。

簡化的模型可以直接用于基于模型的預測控制 (MPC) 或熔爐中的玻璃熔體溫度估算，并且可以調(diào)節(jié)設定點以保持在允許范圍內(nèi)的穩(wěn)定溫度 [7]。使用這種技術，觀察到平均玻璃熔化溫度的標準偏差從 1°C 降低到 0.25°C。此外，控制器有助于實現(xiàn)溫度穩(wěn)定性，并且將大過程變化后的不穩(wěn)定期降至最低。

將仿真應用于您自己的產(chǎn)品和流程

如果您有興趣了解有關用于玻璃模擬的 GTM-X 的更多信息，請通過 infodesk@celsian.nl 聯(lián)系 CelSian。

無論您制造什么，Cadence Fidelity Pointwise 的網(wǎng)格生成都可以支持您的計算模擬。想知道怎么做嗎？ 

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致謝

本文基于 CelSian 的 Andries Habraken 撰寫的原創(chuàng)文章。

參考

[1] Numerical heat transfer and fluid flow, Suhas V. Patankar, 1980, McGraw-Hill Book Company

[2] 國家海洋局，一個基于海洋和大氣相互作用的模型，2021 年 1 月 21 日。

[3] RGC Beerkens、HPH Muijsenberg、T. van der Heijden：工業(yè)玻璃熔化罐中砂粒溶解的建模，Glastech。貝爾。67, 179–188 (1994)

[4] AJ Faber、RGC Beerkens、H. de Waal：玻璃批料在批次加熱時的熱行為，Glastech。貝爾。65(7), 177–185 (1992)

[5] RGC Beerkens：工業(yè)玻璃熔化罐基本工藝步驟分析——關于工業(yè)玻璃熔化創(chuàng)新的一些想法，Ceram。硅膠。52(4), 206–217 (2008)

[6] AM Lankhorst、L. Thielen、PJPM Simons、AFJA Habraken：透明玻璃熔體中輻射傳熱的正確建模。在：第 73 屆玻璃問題會議，編輯。作者：SK Sundaram（威利，奇切斯特，2013 年），第 249–258 頁

[7] L. Huisman：基于簡化 CFD 模型的玻璃熔化過程控制，博士論文（埃因霍溫工業(yè)大學，埃因霍溫 2005 年）