汉代砖瓦窑的建造使用及数值模拟.pdf

第 卷 第 期 年 月文物保护与考古科学 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家社会科学基金项目()资助作者简介:温睿()男 年获得牛津大学博士学位西北大学文化遗产学院教授从事科技考古方面的研究 :.文章编号:():././.研究报告汉代砖瓦窑的建造使用及数值模拟温 睿张宜雯付小龙.中国 中亚人类与环境“一带一路”联合实验室(西北大学)陕西西安.文化遗产研究与保护技术教育部重点实验室(西北大学)陕西西安.西北大学文化遗产学院陕西西安 .西安近代化学研究所陕西西安)摘要:春秋战国以来砖瓦窑业趋于繁荣成熟建筑材料需求量的增多促使出现了大量砖瓦窑汉代是砖瓦窑结构趋于成熟和稳定的重要时期因此研究汉代砖瓦窑的功能结构变化关系对揭示中国古代窑炉结构的发展脉络具有重要的意义 本研究在前人对汉代砖瓦窑的结构变化研究基础上使用计算流体软件 模拟砖瓦窑内流场和温度场以河南省焦作市苏蔺村汉代窑址 和洛阳东周王城十一号窑为例分别进行数值模拟从流体力学和热力学的角度分析汉代砖瓦窑内烟气的流动情况 结果表明多烟道窑较单烟道窑更具保温的优势解释了汉代砖瓦窑结构变化的逻辑关键词:汉代砖瓦窑窑炉结构数值模拟挡火墙中图分类号:.文献标识码:引 言新石器时代陶器的出现是中国陶瓷史的重要里程碑之一从早期无窑烧制到裴李岗文化时期出现最早的横穴窑陶器的质地得到了一定的提升随着先民在生产生活上的需要对于陶器的器型和使用范围需求不断增加促使人们对陶窑的结构进行创新和改造 由于南北方的地理位置特征和原料选择的差异南方自商代出现了依坡而建的小型龙窑北方则以发展馒头窑为主 窑炉的改进促进了烧成温度的提高为我国陶瓷发展提供了重要条件 汉代是制陶业发展的繁荣时期砖瓦作为陶质建筑材料在汉代表现出卓越的工艺质量这与汉代砖瓦窑结构的改进密切相关 半倒焰窑为汉代烧造陶器的主流窑炉目前最早发现于商代相较于升焰窑具有升温快、保温时间长、温度分布均匀等优点 经过升焰窑的结构变化和烧制技术改进半倒焰窑在汉代发展趋于成熟并被广泛使用 半倒焰窑一般由前操作区、火膛、窑室、烟道等主要组成部分构成 根据汉代后北方黄河流域的窑址发掘显示半倒焰窑的改进仅在规模和结构比例上得到体现主要结构变化不大比较稳定目前已有学者对汉代陶窑的结构变化进行系统性的梳理研究 包括对汉代陶窑的建造形式、窑形结构、功能性质进行分类和总结概括揭示了汉代陶窑结构的发展脉络展现了汉代的窑业发展水平但是未能深入探讨汉代陶窑性质与结构变化的科学逻辑 近年来有学者运用数值模拟的方法复原陶窑内烧制过程中温度场变化的情况建立了通过流体力学来研究窑炉结构科学性的方法并对景德镇窑开展了研究 颜新华通过对景德镇三种窑形变化分别进行模拟结果表明从葫芦窑发展到蛋形窑温度分布更为均匀合理并结合复原的葫芦窑测温实验验证了通过 软件模拟实验的可行性 本研究是在前人的基础上采用数值模拟的方法对汉代数量最多的砖瓦窑烧成过程的温度场和流场分布进行模拟进而讨论汉代砖瓦窑结构变化背 文物保护与考古科学第 卷后的科学道理为从热能利用的角度研究中国陶窑的发展奠定基础 汉代砖瓦窑发现概况和结构特点简述目前为止见于公开发表资料的汉代陶窑主要发现集中于河南陕西省一带黄河中下游地区汉代砖瓦窑目前已发现 余座其中已发掘的窑为 座 陕西省最多为 座河南省其次为 座河北省发现 座山西省 座山东省 座 陶窑按照功能分类可分为日用陶器窑、砖瓦窑、烘范窑、陶俑窑、多功能窑等 其中汉代砖瓦窑的基本结构包括窑门、火膛、窑室、烟道(图)其他部分如操作间、挡火墙、排烟口存在差别图 河南省焦作市苏蔺村汉代窑址 平、剖面图.操作间因窑而异根据发掘情况分为单窑操作间、双窑共用操作间和无操作间三种 单窑操作间是指各窑前的工作平台独立各窑之间没有空间的联系大部分砖瓦窑属于单窑操作间类型双窑操作间是指相邻相对两座窑共用一个操作坑双窑共用可见于陕西西安曲江春临村窑址 与、与、洛阳市东郊东汉砖瓦窑等(图)多窑共用操作间提高了工作效率汉代砖瓦窑大部分为单火膛结构目前仅发现一座陶窑存在双火膛结构 河南省新乡市东干道发掘的一座双火膛对称的西汉陶窑为半地穴式窑床平面呈长方形火膛位于窑室的东西两侧排烟口和烟道在窑床南北方向各 个中间的排烟口尺寸较大且烟道竖直向上两侧的排烟口较小且烟道向中间靠拢(图)较单火膛而言双火膛陶窑具有窑室温度高、分布均匀的优点 比较特殊的是在西安市未央区六村堡窑址发现的两座小规模窑址没有独立的火膛(图)火门与窑室相接窑室底部存在较多白色灰烬的扇形区域图 双窑共用操作间砖瓦窑.图 河南省新乡市东干道西汉陶窑.春秋早期的窑还存有升焰窑的结构如洛阳东周王城内的古窑址 窑床和火膛之间架设有窑箅 战国中晚期至秦汉早期的砖瓦窑形制表现出逐渐统一的趋势窑室的平面形状以圆形、梨形、卵圆形为主还存有少量三角形、漏斗形的窑形烟道则以单烟道为主三个烟道数量的窑较少 汉代砖瓦窑的火膛包括梯形、半圆形两种窑床平面形第 期温 睿等:汉代砖瓦窑的建造使用及数值模拟 状包括方形、长方形、椭圆形、梨形四种火膛窑床面积比较秦汉早期大 根据汉代各窑址发掘报告和相关总结性研究来看汉代陶窑各结构发展规律如下汉代砖瓦窑火膛以半圆形、梯形为主西汉早期的窑室形状以圆形、椭圆形、梨形为主西汉中晚期至东汉时期以近方形为主表明烧造规模的扩大导致窑址结构的调整西汉晚期陶窑的排烟系统则有汇合烟道和多烟道两种形式其中砌筑方式由砖砌筑隔开形成烟道早期则以生土掏挖夯实壁面作为烟道同时烟道数量呈增多的趋势除去单烟道的窑各个时期都有出现大部分砖瓦窑烟道数量为 个此外根据李清临的统计分析汉代单烟道窑火膛、窑室、烟道的面积呈现正相关性大部分多烟道和汇合烟道也呈正相关性为进一步研究汉代砖瓦窑结构变化的影响针对单烟道窑和多烟道窑开展模拟研究以期得到烟道数量对砖瓦窑的影响变化程度 由于大部分窑址在发掘或者使用时窑顶坍塌不存甚至火膛、窑顶上部均不存因此选择保存较好具有代表性的两个汉代陶窑进行建模模拟 单烟道以西汉前期的洛阳东周王城十一号窑(图)为代表多烟道以东汉时期的河南省焦作市苏蔺村汉代窑址 为代表其中前者由于窑顶部分残存按照后者窑室高度比进行复原(表)根据窑内出土遗物多为建筑材料设定两窑均烧制尺寸为 的汉砖进口烟气物理性质、温度等设为定量参数不同尺寸结构作为变量进行数值模拟图 陕西西安汉长安城.表 和十一号窑的尺寸数据 .火膛/窑床/烟道形状前宽 长 后宽形状横 纵 高数量出土遗物焦作市苏蔺村汉代窑址 梯形.方形.砖瓦等建筑材料洛阳东周王城十一号窑半圆形.方形.陶器、瓦图 多烟道、单烟道陶窑.物理模型的建立及简化为对汉代砖瓦窑进行复原模拟首先需要对窑的建造方式、码窑方式、烧成方式进行总结研究然后在此基础上得到初步的模型.建造方式多个窑址的简报提到了砖瓦窑的建筑方法 基本大致相同为平地或斜坡上建造半地穴式窑具体方法是先在生土中掏挖出窑室的平面形状如方形、椭圆形、梯形等并在坑壁外留出一砖大小的边 文物保护与考古科学第 卷沿预留砌筑窑顶 然后在窑室前壁沿火膛平面形状如梯形、半圆弧形掏挖出一定深度的火膛并在火膛前壁掏挖出窑门与操作坑相通 最后修整窑的基本形状夯实内壁并涂抹草拌泥使其表面光滑多次烘烤后内壁坚硬耐用 据已有的窑址显示窑门的砌筑方式主要是由土坯或砖券顶砌筑如图 所示先在生土中掏挖出拱形再以双层土坯砌成土坯券顶横向平券窑门下部一般有封火墙与火膛底齐平 根据已发掘的窑如河南省焦作武陟苗庄汉代陶窑等可判断火膛一般是底部平整直壁掏挖而成由火门向顶部缓慢延伸成穹窿顶形状至窑室上方地面东西两壁为直壁 窑室后壁一般掏挖 个方形的排烟口再由地面向下垂直掏挖烟道至与排烟口相通此外还有多个烟道汇合中烟道的实例掏挖此类烟道需要从中烟道对应地面的位置按照一定弧度向下掏挖此类的烟道是由夯实的土壁隔开西汉中晚期的汉墓陶窑中有以青砖隔开烟道的此类排烟系统需要把烟道部分全部掏挖再以砖隔开砌成三条烟道图 河南郑州马良寨遗址汉代陶窑、.窑室顶部保存下来的窑数量很少河南省焦作市苏蔺村汉代窑址中发现一座保存较完整(图)为四隅券进式穹窿顶结构(图)从汉魏洛阳城东汉烧煤瓦窑 残存的窑壁顶砌砖来看窑顶同样是四隅券进式结构因此此种窑顶结构的窑址年代较晚均为东汉时期而且目前的考古资料也能证明最早出现此种汉墓封顶方法在东汉时期 此外西汉时期的窑也可据汉墓封顶方式推测封顶方式推断为四面结顶式穹窿顶或者券顶结构.码窑方式汉代砖瓦窑窑床的平面较为规整目前发掘的存有砖坯的窑址如新乡北站区前郭柳村汉代窑址窑床上撒有一层薄的草木灰未经烧过的砖坯在窑内横立放垒起窄面上皆沾有草木灰推测是防止砖坯之间粘连所用行与行之间摆放距离较密不足 砖坯与窑壁之间距离稍大约为 汉魏洛阳城东汉烧煤瓦窑窑床上有一层排列整齐的东西向侧立砖坯(图)文中指出这层砖坯是作为窑箅使用行间距为 说明窑床底部铺设砖可能作为隔火道使用为其他器物架设所用河南郑州马良寨遗址(图)出土的窑床砖坯也出现了类似排列方式图 四隅券进式穹窿砌法示意图.图 汉魏洛阳城东汉烧煤瓦窑.图 河南郑州马良寨遗址.第 期温 睿等:汉代砖瓦窑的建造使用及数值模拟 以上结合历史文献记载、考古发掘资料及现代工业砖窑的多种码坯方式(图)参考复原即可对两窑模型进行建立据东汉时期的河南省焦作市苏蔺村汉代窑址 考古报告显示该窑窑顶为四隅券进式穹窿顶结构而洛阳东周王城十一号窑为西汉早期的窑因此窑顶可假设为四面结顶式穹窿顶据此两窑建模完成后如图 所示图 现代砖窑的部分码窑方式.图 窑的物理模型.烧成方式明末宋应星的天工开物中第十一章陶埏记载了砖瓦的制作过程和烧造过程与汉代砖瓦窑最大的区别在于窑身均位于地表而非汉代窑身大部分位于地下的结构西汉中后期后砖窑形状结构逐渐稳定至今我国部分地区还保存有类似的土窑结构可见陶窑结构稳定后变化不大 天工开物中记载柴窑的烧造方法:“凡窑成坯之后装入窑中 所装百钧则火力一昼夜二百钧则倍时而足”“凡柴薪窑巅上侧凿三孔以出烟 火足止薪之候泥固塞其孔然后使水转釉”关于浇水转釉过程的解释“凡转釉之法窑巅作一平田样四围稍弦起灌水其上 砖瓦百钧用水四十石 水神透入土膜之下与火意相感而成 水火既济其质千秋矣”即柴窑烧造后期用泥封闭添柴入口在窑顶开平面不断浇水冷却保持还原气氛通过这种方法烧出来的砖更耐用同时在窑顶采用浇水转釉的方法也证明了砖瓦窑从半地穴式转向地表式的这一过程 目前考古资料中最早出现这一结构的窑可追溯至战国沿用至明清并在现代青砖生产中仍被使用.模型的简化本研究中数值模拟方法主要是通过使用 软件中 模拟窑室烟气的瞬态温度场和瞬态速度场即烧窑后期封闭窑门窑内发生还原反应的阶段 由于仅对窑室进行研究因此对操作间、窑门未进行建模将燃料和火膛简化为带有一定进口速度和温度的烟气进入窑室加热器物制品并忽略墙体壁厚将窑壁、窑顶、窑底简化为具有一定热流密度的墙体查取夯土的物性参数应用模拟砖尺寸为 将其简化为具有一定吸热能力的墙体查取青砖的物性参数应用模拟 根据火膛内残留的草木灰和时代背景判断燃料化学成分为木柴或秸秆均属于传统生物质燃料依据常见生物质燃料的主要元素组成取木柴的主要化学成分均值作为此次模拟的燃料基本成分(表)本次使用 网格划分软件对窑进行非结构化网格划分网格类型为四面体结构数量为五百万左右 将生成后的网格文件导入 进行数值模拟根据相关文献实地烧窑的资料边界条件选择如下:烟气速度设为 /入口温度设为 ()烟气的物理性质参数见表通过化学成分和经验公式计算可得入口烟气密度为 /出口边界压力出口环境温度为 由于烟气 为湍流湍流模拟方法设置为标准 模型算法设置为二阶迎风格式的 算法表 木柴的主要化学元素组成 ()化学元素百分含量.文物保护与考古科学第 卷表 大气压力下烟气热物理性质 /()/()/()/()/()/().注:为比热容 为导热系数 为热扩散率 为动力粘度 为运动粘度 为普朗特数 数值模拟结果与分析 仿真模拟完成后通过后处理得到以下结果 ()式中 为摄氏温度单位符号为 为热力学温度单位符号为.洛阳东周王城十一号窑模拟结果与分析从图 中可以看出洛阳东周王城十一号窑温度分布不均匀但差别不大烧制砖的温度大致在 至 之间出口烟气温度为 从纵剖面的流线图来看高温烟气由火膛升入窑室并穿过砖之间的空隙最后汇聚于吸火孔通过烟道排出符合半倒焰窑的特点结合温度分布云图来看高温烟气纵向传播范围由下至上(窑床至窑顶)依次减弱横向传播范围由左至右(窑室前部至窑室后部)依次减弱窑室前端受热温度最高热辐射最强中端次之后端最弱但窑室前端烟气扰动最大中端次之后端最稳定其中一部分高温烟气通过窑顶没有为烧成砖提供热量直接倒向吸火孔排出窑外在单吸火孔部位产生局部高温区总的来说半倒焰窑的结构能够发挥很好的保温作用图 洛阳东周王城十一号窑模拟结果.河南省焦作市苏蔺村汉代窑址 模拟结果与分析从图 中看河南省焦作市苏蔺村汉代窑址 的温度分布场特点与同样作为半倒焰窑的结构的洛阳东周王城十一号窑大体上差别不大但是对比窑的纵向温度分布和同位置的平剖面温度云图前者的高温烟气传播范围更广窑室内的温度整体更高更均匀在 至 之间出口温度为 由于 的吸火孔和烟道为三个高温烟气在多个吸火孔的作用下可以更均匀地将高温烟气排出窑外并在砖坯和窑顶之间反方向流动形成旋流其中旋流能够增加烟气流动阻力、增强烟气扰流程度从而达到增强烟气与砖坯之间对流换热能力的效果同时旋流中心能形成低压区有增加烟气流速的作用因此 烟气流动速度比前者快出口速度比前者慢保证了砖坯能够充分地与高温烟气发生对流换热使窑内温度分布更为均匀结合洛阳东周王城十一号窑和河南省焦作市苏蔺村汉代窑址 的模拟结果来看汉代砖瓦窑的结构变化具有一定的合理性特别是烟道由一个发展为多个的结构变化改善了窑室内温度分布不均第 期温 睿等:汉代砖瓦窑的建造使用及数值模拟 匀分布情况和保温效果提高了砖坯的烧成温度范围和烧成质量符合西汉中后期砖室墓和大型建筑兴起的需求并为后续大规模烧制更高烧成温度条件的陶瓷器奠定了技术基础图 河南省焦作市苏蔺村汉代窑址 模拟结果.相关问题探讨.汉代砖瓦烧成温度的探究砖瓦的生产技术源自陶器它的坯体制作和烧成技术较陶器更为粗放 在实际生产过程中由于砖瓦窑的窑室空间较陶窑更大人们往往选择陶器和砖瓦建筑材料共烧的方式以提高产品生产效率因此从制作技术和烧成技术层面看砖瓦和陶器是密不可分的 我国古代陶器的烧成温度一般在 之间据我国各时期部分砖瓦样品的烧成温度(表)统计显示砖瓦的烧成温度范围也在此之内 从各时期纵向对比来看砖瓦的烧成温度在商周至东汉时期逐渐升高在秦汉时期达到较高值而后稳定在 左右表 我国各时期砖瓦的烧成温度 序号名称时代烧成温度/陶水管商代板瓦西周陶作坊铺地砖战国铺地砖战国砖瓦秦砖瓦秦 筒瓦西汉 砖瓦西汉晚期 砖东汉 砖瓦唐 砖北宋砖明 砖瓦窑的窑形变化规律与其温度变化规律存在一定的相关性 单烟道窑作为商周至西汉早期的主要窑形代表烧成温度较低在 之间西汉中晚期后烟道数量增至三个及以上温度也随之稳定在 左右与模拟实验得到的多烟道窑内温度分布更均匀更稳定的结论相吻合.挡火墙的初步研究关于挡火墙的定义南方窑址较多且与北方馒头窑有较大的区别龙窑、阶级窑中的挡火墙设在窑室和烟道中间墙上还开有排烟口可以防止火焰流速过快使产品受热均匀阶级窑中挡火墙还可用于分室而半倒焰窑的挡火墙则设在火膛和窑室中间(图)早在秦陵周围发现的陶窑有此类似挡火墙的结构包括下和村 下 的火膛有一道从底部筑起瓦砌的高出窑床约 高的挡火墙西 的火膛后有细绳纹瓦片筑成的工字分火道主要出土陶器以制陶工具、砖瓦、生活用具为主汉长安城西北部窑址中多个陶窑的火膛和窑室之间均有挡火墙窑室中间纵向分布有分火道隔墙其中 装满裸体陶俑坯体隔火墙现存 层砖宽 残高 通火孔约 分火道将窑室南北隔开现存 层残高 通火孔约 南北分别填满倒置的陶俑坯文中据规模推测该窑群作为烧制西汉时期大型墓地的随葬陶俑所用单窑内一次可装烧近四百个陶俑结合前文模拟实验的结果分析可知这类结构的半倒焰窑在没有挡火墙的情况下窑室前部最下端流经烟气温度最高流速最快对于烧制大批量的 文物保护与考古科学第 卷质量要求较高的器物较难满足要求因此在下部设立一定高度具有通火孔的隔火墙一方面可以使窑室前部的制品不至于过热烧坏一方面可以减缓底部烟气的流速不至于过快流出烟道使更多的烟气往上流动达到窑内温度更为均匀的效果 关于挡火墙对窑内温度场和流场的具体影响需要更进一步的模拟研究图 汉长安城西北部窑址.结 论综上所述根据前人研究及模拟实验结果可得到以下结论:)汉代砖瓦窑的建造方式为半地穴式掏挖出平面形状后夯实壁面并涂抹草拌泥西汉时期窑顶的封顶方式为四面结顶式穹窿顶或者券顶东汉时期窑顶的封顶方式为四隅券进式穹窿顶或者券顶码窑方式为生坯侧立排列摆放砖窑的烧成温度在 左右)汉代砖瓦窑的结构变化适应了当时社会对陶质材料和用具的扩大化需求具有科学的合理性通过模拟实验验证了半倒焰窑的烟气流动特点特别是烟道由一个变为多个的结构变化使窑内温度分布更为均匀提高了砖瓦的烧成温度和烧成质量)经过初步研究汉代砖瓦窑在火膛和窑室之间设置挡火墙起到了隔热和减缓高温烟气流速的作用该结构对于烧制数量多质量较高的器物如陶俑具有较大的意义参考文献:张明东.黄河流域先秦陶窑研究.古代文明(辑刊):.:.李清临.秦汉时期砖瓦窑研究.考古与文物():.():.刘尊志.汉代墓地陶窑及相关问题.文物():.():.颜新华李长塔冯青等.葫芦窑与景德镇窑结构关系的研究.中国陶瓷():.():.郭永淇黄可佳谭琛等.陕西西安曲江春临村汉代窑址发掘简报.文博():.():.李德方.洛阳市东郊东汉“对开式”砖瓦窑的清理.中原文物():.“”.():.贺惠陆.河南新乡市东干道发现西汉陶窑.考古与文物():.():.刘振东.汉长安城新发现六座窑址.考古():.():.洛阳市文物工作队.洛阳东周王城内的古窑址.考古与文物():.():.李清临.多学科视角下的秦汉砖瓦窑炉工艺技术与交流研究.四川文物():.():.冯春艳张满堂皇小够等.南水北调中线工程焦作苏蔺段汉代窑址发掘简报.中原文物():.():.赵志强刘焕龙李小龙等.焦作武陟苗庄汉代陶窑发掘简报.中原文物():.():.钱国祥.汉魏洛阳城发现的东汉烧煤瓦窑遗址.考古():.第 期温 睿等:汉代砖瓦窑的建造使用及数值模拟 .():.谢安琪党丰.试析汉墓砖砌穹窿顶的分类.南方文物():.():.徐永利.中国古代墓葬四隅券进式穹窿机制与源流研究.南京:东南大学出版社:.:.贺惠陆.新乡北站区前郭柳村汉代窑址发掘.考古():.():.杨树刚林壹汪翔.河南郑州马良寨遗址汉代陶窑发掘简报.华夏考古():.():.(/):.宋应星.天工开物.上海:上海古籍出版社:.:.李清临.中国古代砖瓦生产中“浇水转釉”技术的起源与发展.考古与文物():.“”.():.林鹏.秸秆类生物质层燃燃烧特性的试验研究.上海:上海交通大学.:.杨世铭陶文铨.传热学.北京:高等教育出版社:.:.吴隽王海圣李家治等.南越王宫遗址出土罕见巨型釉砖的科技研究.中国科学(辑:技术科学)():.()():.李家治.中国科学技术史:陶瓷卷.北京:科学出版社:.:.:.程学华.秦芷阳制陶作坊遗址清理简报.考古与文物():.():.刘庆柱李毓芳刘振东等.汉长安城窑址发掘报告.考古学报():.():.“”().().:.(“”).文物保护与考古科学第 卷 .:).).).:(责任编辑 谢 燕校对 张存祖)