（化工过程机械专业论文）水力式流浆箱内浆料流动的数值模拟和试验研究.pdf

摘要 流浆箱是造纸机的心脏，其功能是把合乎抄纸要求的浆料，均匀一致、稳定 地沿造纸机横幅全宽流送上网，为纸页在造纸机网部的成形创造良好的前提。水 力式流浆箱依靠合理的结构匀整浆料，因此，各组件结构设计要非常符合流体力 学原理，其中匀整装置的设计是关键，直接决定了水力式流浆箱的工作性能。 本文从浆料流动特性及纤维分散机理的研究出发，基于对水力式流浆箱作用 机理的分析和结构设计的经验总结，对匀整装置及唇板等部位的流动进行数值模 拟，预测水力式流浆箱内流场的流动特性，根据模拟结果对匀整装置及唇板结构 和尺寸进行优化，设计制作了试验装置，通过对阶梯扩散器进行流场测试进行优 化方案的验证，为设计提供可靠的依据，以指导水力式流浆箱的设计和优化。 第一，浆料悬浮液是一种三相共存的复杂的分散体系，其流动特性随着浆料 本身的性质、浓度和流速等因素的不同而不断变化。在较高浓度和较低流速条件 下，纤维容易絮聚。浆流处于湍流状态时，浆流所具有的剪切力将使纤维的絮聚 团束分散。通过分析纤维网络和絮聚的力学性能，得到分散纤维网络临界剪切应 力和分散纤维絮聚临界剪切应力的计算式，归纳了浆料中纤维分散的必要条件 第二，针对水力式流浆箱的结构特点，探讨了水力式流浆箱内各组件的结构 型式和作用机理，总结水力式流浆箱的设计要求，讨论了锥形总管的设计原理及 生产中使用的计算公式，给出了孔板、管束及阶梯扩散器等布浆整流元件的设计 要点，分析了唇板结构对喷射角及着网点的影响及浆流上网速度和唇口开度的控 制。 第三，通过分析流浆箱内浆流湍流状态，提出其衡量指标，采用计算流体动 力学软件f l u e n t6 2 对水力式流浆箱内部流动进行三维数值模拟，针对匀整装 置和唇板的不同结构形式，改变入口流速和几何形状，预测浆料在水力式流浆箱 内的流动特性，以湍流强度分布和速度分布等作为衡量指标，评价各个因素对浆 料匀整效果的影响，进一步指导水力式流浆箱的结构优化。 第四，阶梯扩散器作为一种高效的布浆整流元件，对流浆箱内复杂流场的浆 料流动状况起着至关重要的影响。搭建阶梯扩散器性能测试试验装置，采用粒子 图像测速技术对阶梯扩散器进行流场测试，得到阶梯扩散器速度分布及阻力损失 的变化情况等，对浆速和阶梯扩散器形状、尺寸参数对成纸质量的影响进行分析， l 浙江大学博士学位论文水力式流浆箱内浆料流动数值模拟和试验研究 指导阶梯扩散器的结构设计 第五，试验研究发现，在阶梯扩散器内出现低压区，由于空化现象产生的气 泡，随浆料喷射到成形网上，直接影响纸张质量。因此，必须对阶梯扩散器和之 后的唇板区的流动状况进行深入分析，了解低压区的分布，通过改进结构设计和 合理地设置车速避免空化的发生。 研究结果显示，方管出口阶梯扩散器更适用于高速纸机，只有适当高的浆速 和合适的几何形状尺寸才能得到定量均匀、匀度好的纸张，在高浆速和不合理的 结构设计的情况下，容易出现空化现象，浆流中空气量高会导致成纸结构疏松， 应予以避免。 通过流体动力学理论分析，结合计算机数值模拟和粒子图像测速技术，本文 比较系统地研究了水力式流浆箱内匀整装置及唇板中的浆料流动特性，但仍需对 水力式流浆箱其他类型的匀整装置进行数值模拟，并希望进一步对流浆箱整体进 行试验测试验证数值模拟获得的结论。 关键词：水力式，流浆箱，浆料，流动，数值模拟，试验研究，阶梯扩散器， 计算流体动力学，粒子图像测速 i l a b s t r a c t h e a d b o xi st h eh e a r to fp a p e rm a c h i n e ，i t sf u n c t i o ni sf l o w i n gt h eu n i f o r ma n d s t a b l ep u l po n t ow i r ea l o n gt h ef u l lw i d t ho fp a p e rm a c h i n e ，c r e a t i n gg o o dp r e m i s ef o r t h es h e e tf o r m i n g h y d r a u l i ch e a d b o xr e c t i f yp u l pr e l yo nr e a s o n a b l es t r u c t u r e ， t h e r e f o r e ，e a c hc o m p o n e n ts t r u c t u r a ld e s i g ns h o u l db ev e r yc o n s i s t e n t 丽mt h e p r i n c i p l e so ff l u i dm e c h a n i c s ，i nw h i c hd e s i g no fr e c t i f y i n gd e v i c ei st h ek e y , d i r e c t l y d e t e r m i n e st h ew o r kp e r f o r m a n c eo fh y d r a u l i ch e a d b o x b a s e do nt h eh y d r a u l i ch e a d b o xm e c h a n i s ma n a l y s i sa n ds t r u c t u r a ld e s i g no ft h e l e s s o n sl e a r n e d , t h i ss t u d ys t a r t sf r o mp u l pf l o wc h a r a c t e r i s t i c sa n dm e c h a n i s mo f f i b e rd i s p e r s i o n ，n u m e r i c a l l ys i m u l a t e st h ef l o wi n s i d er e c t i f y i n gd e v i c ea n dn o z z l e u s i n gc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ss o f t w a r e ，p r e d i c t st h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c si n s i d e h y d r a u l i ch e a d b o x , o p t i m i z et h es t r u c t u r ea n ds i z eo fr e c t i f y i n gd e v i c ea n dn o z z l e a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，d e s i g n sa n dm a n u f a c t u r e st h ee x p e r i m e n t a ls e t u p ， t e s t st h ef l o wf i e l do fs t e pd i f f u s e r sf o rv e r i f y i n gt h eo p t i m i z a t i o np r o g r a m ，p r o v i d e sa r e l i a b l eb a s i st og u i d et h eh y d r a u l i ch e a d b o xd e s i g na n do p t i m i z a t i o n f i r s t , t h ep u l ps u s p e n s i o ni sat h r e e - p h a s ec o e x i s t e n c eo fc o m p l e xd i s t r i b u t e d s y s t e m ，i t sf l o wc h a r a c t e r i s t i c sc h a n g ew i t ht h en a t u r eo f t h ep u l p ，c o n c e n t r a t i o na n d f l o wr a t e a th i g h e rc o n c e n t r a t i o i l sa n dl o w e rf l o wc o n d i t i o n s ，t h ef i b e r sf l o c c u l a t e e a s i l y i nt u r b u l e n tf l o wp a t t e r n , f i b e rf l o c c u l a t i o n sd i s p e r s eb ys h e a rf o r c e o f t u r b u l e n c e b ya n a l y z i n gm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ff i b e rn e t w o r ka n df l o c c u l a t i o n s ， c r i t i c a ls h e a rs t r e s sc a l c u l a t i o nf o r m u l a so fd e c e n t r a l i z i n gf i b e rn e t w o r k sa n d f l o c c u l a t i o n sa r ec o n c l u d e d ，t h en e c e s s a r yc o n d r i o no fp u l pf i b e r sd i s p e r s i o ni s s u m e du p s e c o n d ，t h i ss t u d yc o n t r a p o s e st h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fh y d r a u l i ch e a d b o x ， p r o b e si n t ot h es t r u c t u r ea n da c t i o nm e c h a n i s mo fe a c hc o m p o n e n t ，s u m su pt h e h y d r a u l i ch e a d b o xd e s i g nr e q u i r e m e n t s ，d i s c u s s e st h et a p e r e dh e a d e rd e s i g np r i n c i p l e a n dc a l c u l a t i o nf o r m u l au s e di nt h ep r o d u c t i o n ，g i v e sd e s i g np o i n t so fp u l pr e c t i f i e r s u c ha so r i f i c ep l a t e ，t u b ea n ds t e pd i f f u s e r , a n a l y s e st h ei m p a c to fn o z z l es t r u c t u r eo n t h ej e ta n g l ea n dd i s t a n c eb e t w e e nj e tn i tp o i n ta n dl i pm o u t h , i n t r o d u c e sc o n t r o lm o d e o nw i r es p e e ds e t t i n ga n dl i pa p e r t u r eo p e n i n g t h i r d ，e v a l u a t i o nc r i t e r i o ni sr a i s e db ya n a l y z i n gt h et u r b u l e n tf l o wp a t t e r ni n s i d e h e a d b o x , c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ss o f t w a r ef l u e n t6 2w a su s e dt os i m u l a t e i n t e r n a lf l o w so fh y d r a u l i ch e a d b o x ，f o rd i f f e r e n ts t r u c t u r eo fr e c t i f y i n gd e v i c ea n d n o z z l e ，f l o wc h a r a c t e r i s t i c si nt h eh y d r a u l i ch e a d b o xw a sf o r e c a s t e dc h a n g i n gi ni n l e t i i i 浙江大学博士学位论文水力式流浆箱内浆料流动数值模拟和试验研究 v e l o c i t ya n dg e o m e t r y , a d o p t e dt u r b u l e n c ei n t e n s i t ya n dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o na s e v a l u a t i o nc r i t e r i o nt oe v a l u a t ev e r i f y i n ge f f e c to fv a r i o u sf a c t o r s ，f u r t h e rp r o v i d e d g u i d e n c e0 1 1h y d r a u l i ch e a d b o xs t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n f o u r t h , a sa l le f f i c i e n tr e c t i f y i n gc o m p o n e n t ，s t e pd i f f u s e rp l a y sac r u c i a lr o l eo nt h e c o m p l e xf l o wf i e l di n s i d eh e a d b o x s t e pd i f f u s e rp e r f o r m a n c et e s td e v i c ew a ss e tu p ， t h ep a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r ys y s t e mw a su s e df o rt h ef l o wf i e l dt e s t s ，v e l o c i t y d i s t r i b u t i o n so fa x i a lc r o s ss e c t i o n , r e s i s t a n c el o s sa n dc a v i t a t i o nw e r eo b t a i n e d , i m p a c to fi n l e tv e l o c i t ya n ds t e pd i f f u s e rs h a p e ，s i z ep a r a m e t e r so nt h ep a p e rq u a l i t y w e r ea n a l y z e di no r d e rt og u i d et h es t r u c t u r a ld e s i g no f s t e pd i f f u s e r f i f t h , l o wp r e s s u r ea r e a sa p p e a ri nt h er e c t i f i e rd e v i c e ，c a v i t a t i o nb u b b l e sf l o w 谢t l l p u l po n t of o r m i n gn e t , d i r e c t l ya f f e c tt h eq u a l i t yo fp a p e r t h e r e f o r e ，a n a l y s i so fa r e a d i s t r i b u t i o no fl o wp r e s s u r ei se s s e n t i a l ，o c c u r r e n c eo fc a v i t a t i o nc o u l da v o i db y i m p r o v i n gt h es t r u c t u r ed e s i g na n dr e a s o n a b l es p e e ds e t t i n g t h et e s tr e s u l t si n d i c a t e dt h a ts t e pd i f f u s e rw i t hs q u a r et u b ei sm o r es u i t a b l ef o r h i g h - s p e e dp a p e rm a c h i n e ，a n da p p r o p r i a t eh i g hs p e e d ，g e o m e t r i cs h a p ea n ds i z ea r e g u a r a n t e eo fq u a n t i t a t i v e l yu n i f o r ma n de v e n n e s sg o o dp a p e r a th i g hs p e e da n d u n r e a s o n a b l es t r u c t u r ed e s i g nc a s e s ，p r o n et oo c c u r ，h i g ha i rc o n c e n t r a t i o nw i l ll e a dt o l o o s ep a p e rs t r u c t u r e ，c a v i t a t i o ns h o u l db ea v o i d e d b yf l u i dd y n a m i c sa n a l y s i s ，c o m b i n e d 诵t l lc o m p u t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y , t h i sp a p e rs y s t e m a t i c a l l ys t u d i e sf l o wc h a r a c t e r i s t i c s i n s i d et h et h er e c t i f i e rd e v i c ea n dn o z z l e ， r e c t i f i e r d e v i c e ，t e s t o v e r a l l h e a d b o x ， c o n c l u s i o n b u ts t i l ln e e ds i m u l a t eo t h e rt y p e so ft h e a n dv a l i d a t ef o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n k e y w o r d s ：h y d r a u l i c ，h e a d b o x ，p u l p ，f l o w , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，e x p e r i m e n t a l s t u d y , s t e pd i f f u s e r , c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，p a r t i c l ei m a g ev e l o e i m e t r y i v 本学位论文的研究得到以下项目的支持： 国家科技部科研院所技术开发研究专项资金项目新型稀释水水 力式流浆箱开发( 编号：2 0 0 4 e g l l l 0 1 4 ) 在此表示诚挚的感谢! 图表目录 一 图1 1 敞开式流浆箱4 图1 2 气垫式流浆箱4 图1 3e s c h e rw y s s 阶梯扩散器流浆箱6 图1 4b e l o i t 集流式飘片流浆箱6 图1 5w 型高湍动流浆箱7 图1 6s y m 喷嘴式流浆箱7 图1 7b e l o i t 三层集流式流浆箱8 图1 8k m w 多层流浆箱8 图2 1 各种流态示意图2 l 图2 2 浆料的流动特性曲线2 3 图2 3 湍流强度2 5 图2 4 等体积浆料的湍流规模2 5 图2 5 流体质点的纵向脉动速度2 6 图2 6 单根纤维在湍流场中的旋转运动：。2 7 图2 7 平均速度与纤维絮聚的关系2 8 图2 8 未弯折纤维稳固网络的结构形式3 0 图3 i 水力式流浆箱结构图3 5 图3 2 支管式锥形布浆器3 7 图3 3 孔板式锥形布浆器。3 7 图3 4 管束式锥形布浆器外形3 7 图3 5 用阶梯扩散器管束的锥形布浆器3 7 图3 6 有变截面扩散管束的锥形布浆器3 8 图3 7 浆流在孔板前后散流示意图4 0 图3 8 整流管束的应用4 0 图3 9 蜂窝管束系统4 0 图3 1 0 阶梯扩散器工作原理4 0 图3 1 l 流体通过突扩管形成涡流4 0 图3 1 2 倾斜式唇板4 l 图3 1 3 垂直式唇板4 l 图3 1 5 结合式唇板4 2 图3 1 6 垂直式唇板4 2 图3 1 7 锥管计算图4 4 图3 1 8 进浆总管的截面变化4 4 浙江大学博士学位论文水力式流浆箱内浆料流动数值模拟和试验研究 x 图3 19 f 喷射角与l b 的函数关系4 8 图3 2 0 不同堰板形状下喷射角与l b 的关系4 8 图3 2 1 着网点距离与l b 的关系4 9 图3 2 24 5 0 堰板的收缩系数4 9 图4 1 阶梯扩散器与渐扩管结构示意图5 6 图4 2 三维模型图5 6 图4 3 不同入口流速下阶梯扩散器轴向湍流强度分布5 7 图4 4 不同入口流速下阶梯扩散器轴截面湍流强度分布5 7 图4 5 不同入口流速下阶梯扩散器轴截面速度分布5 8 图4 6 三种长度方案下阶梯扩散器轴向湍流强度分布5 9 图4 7 三种长度方案下阶梯扩散器轴截面湍流强度分布5 9 图4 8 三种长度方案下阶梯扩散器轴截面速度分布6 0 图4 9 不同横截面积下阶梯扩散器轴向湍流强度分布6 0 图4 1 0 不同横截面积下阶梯扩散器轴截面湍流强度分布6 l 图4 1 l 不同横截面积下阶梯扩散器轴截面速度分布。6 1 图4 1 2 不同入口流速下渐扩管轴向湍流强度分布。6 2 图4 1 3 不同入口流速下渐扩管轴截面湍流强度分布6 2 图4 1 4 不同入口流速下渐扩管轴截面速度分布6 3 图4 1 5 不同出口横截面积下渐扩管轴向湍流强度变化6 4 图4 - 1 6 不同出口横截面积下渐扩管轴截面湍流强度分布。“ 图4 1 7 不同出口横截面积下渐扩管轴截面速度分布“ 图4 1 8 出口截面为3 0 x 3 0 m m 的渐扩管出口速度矢量分布图6 5 图4 1 9 阶梯扩散器与渐扩管轴向湍动强度对比一6 5 图4 2 0 阶梯扩散器与渐扩管轴截面湍流强度分布对比6 6 图4 2 l 阶梯扩散器与渐扩管轴截面速度分布对比6 6 图4 2 2 唇板结构示意图6 7 图4 2 3 唇板三维模型6 7 图4 2 4 唇板区湍流强度分布6 7 图4 2 5 唇板区流速分布6 8 图4 2 6 唇板出口处流速矢量图6 8 图4 2 7 不同堰板开度下的唇板出口处速度矢量分布6 9 图5 1p i v 工作原理7 5 图5 2 试验装置7 5 图5 3 阶梯扩散器结构7 6 图5 4 透明水槽7 6 图表目录 图5 5 稳流箱7 6 图5 6 试验装置和p i v 设备7 7 图5 7 圆管出口段轴截面速度分布8 0 图5 8 方管出口段轴截面速度分布8 2 图5 9 圆管出口段轴截面涡量分布8 5 图5 1 0 方管出口段轴截面涡量分布8 7 图5 1 l 阻力损失与流量关系图8 8 图5 1 2 阶梯扩散器空化情况。8 9 图5 1 3 第一个阶扩出口空化情况一9 0 图6 1 浆中空气含量对纸页质量的影响9 4 图6 2 阶梯扩散器与唇板区结构示意图9 8 图6 3 入1 2 流速为1 2 m s 时轴截面的汽相体积分数分布9 9 图6 4 入1 2 流速为1 2 m s 时轴截面压力分布1 0 0 图6 5 入口流速为1 2m s 时轴截面速度分布1 0 0 图6 6 入1 2 流速为1 6r n s 时轴截面的汽相体积分数分布1 0 1 图6 7 入i ：1 流速为1 6m s 时轴截面压力分布1 0 1 图6 8 入口流速为1 6 m s 时轴截面速度分布1 0 2 图6 9 入1 2 流速为2 0 m s 时轴截面的汽相体积分数分布1 0 2 图6 1 0 入1 ：2 流速为2 0m s 时轴截面压力分布1 0 3 图6 1 l 入1 2 流速为2 0m s 时轴截面速度分布1 0 3 图6 1 2 入1 ：2 流速为2 4 m s 时轴截面的汽相体积分数分布1 0 4 图6 1 3 入口流速为2 4r n s 时轴截面压力分布1 0 4 图6 1 4 入口流速为2 4m s 时轴截面速度分布1 0 5 表1 1 集聚因子与絮聚趋势的关系。1 l 表2 1 重新絮聚的时间与纸浆浓度的关系2 8 表4 1 三种长度方案的阶梯扩散器结构尺寸参数表5 8 表4 2 不同横截面积的阶梯扩散器结构尺寸参数表6 0 表4 3 不同出口横截面积的渐扩管结构尺寸参数表6 3 表4 4 不同流量下唇板区计算参数表6 7 表4 5 不同唇1 2 开度下唇板区计算参数表6 9 表5 1 阶梯扩散器流量7 8 表5 2 不同入1 2 浆速下速度均布截面的长径比8 2 表5 3 第一个阶扩后的空化数9 1 表6 1 不同入1 2 流速下空化流动计算参数表9 9 x i 浙江大学博士学位论文水力式流浆箱内浆料流动数值模拟和试验研究 x i i 表6 - 2 不同入口流速下第一个阶扩后的空化数1 0 5 表6 - 3 不同入口流速下唇口处的空化数：1 0 6 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 自2 0 0 1 年中国纸和纸板产量超过日本，跃居世界第二位。从2 0 0 1 2 0 0 7 年， 一直维持着美国第一、中国第二的格局。据中国造纸协会调查资料，2 0 0 8 年全 国纸及纸板生产量7 9 8 0 万吨【1 1 ，较上年7 3 5 0 万吨增长8 5 7 另据统计数据 显示1 2 1 ，2 0 0 8 年美国纸和纸板产量为7 9 6 0 万吨，同比下降了4 5 ，中国也因 此超过美国成为纸和纸板年产量世界第一大国。最新统计数据显示【3 1 ，2 0 0 9 年 1 1 2 月全国纸及纸板生产量合计9 3 8 9 万吨，同比增长1 2 1 ，上升势头继续。 2 0 0 8 年全球纸张消费量为3 7 3 亿吨【4 】，比2 0 0 7 年下降2 。全球纸张消费 平均为每人5 5 7 千克。2 0 0 8 年中国纸张消费量为7 9 3 5 万吨【1 1 ，比2 0 0 7 年增长 了8 9 ，人均年消费量为6 0 千克( 1 3 2 8 亿人) ，比上年增长5 千克，在金融 危机的背景下仍然表现出巨大的消费潜力。 从数据来看，中国如今已经成为世界纸业生产和消费大国，但与国外造纸业 大国相比，中国造纸业存在集约化、规模化程度偏低的问题，据国际制浆造纸杂 志公布的2 0 0 8 年全球造纸1 0 0 家企业排名显示【5 】，纸和纸板年产量超过1 0 0 0 万 吨的企业有3 家，5 0 0 万吨的有8 家，2 0 0 万吨的有2 0 家，1 0 0 万吨的有5 4 家。 2 0 0 8 年全国纸及纸板生产企业约有3 5 0 0 家，没有年产量在5 0 0 万吨以上的企业， 超过2 0 0 万吨的仅有玖龙、晨鸣、理文和金东4 家，超过1 0 0 万吨的也仅有太阳、 华泰、宁波中华、海南金海4 家【1 1 。 随着我国新闻出版事业、信息产业、包装产业以及其它工农业生产的快速发 展，造纸工业在国民经济中的重要地位和作用日益提高，已被列入国民经济的支 柱产业之一，造纸工业的发展与g d p 增长同步，发展前景广阔在国务院批转 国家计委、财政部、国家林业局关于加快造纸工业原料林基地建设的若干意见 的文件中明确指出：“造纸工业是技术、资金、资源、能源密集型产业，规模效 益显著”为了加快造纸技术进步，提高规模效益，同时也为了减少环境污染和 能源消耗，必须扩大造纸企业的生产规模，通常用来提高单台纸机生产能力的方 法，主要通过提高纸机车速，也可以通过增加纸机幅宽来实现。自2 0 世纪以来， 造纸机车速几乎是每十年增长3 5 t 6 1 ，而今已突破2 0 0 0m m i n ，对于生产新闻 l 浙江大学博士学位论文水力式流浆箱内浆料流动数值模拟和试验研究 纸、轻量涂布纸、超级压光纸等纸种的造纸机车速，有望达到2 5 0 0m r a i n ，造 纸工作者在2 l 世纪的奋斗目标是使纸机车速达到3 0 0 0m m i n t 7 1 ；造纸机的幅宽 也在不断增加，但是纸机幅宽取决于辊子的形变，当纸机宽度超过1 0 米，防止 辊子形变的成本在今天来讲变得非常巨大，较高的成本就会超过所得的经济效益 i s 可见提高纸机车速更具有技术上的可行性和经济上的合理性，是目前提高纸 机生产能力的现实方法。 发展大型、高速造纸机，流浆箱是关键技术。流浆箱被称为“造纸机的心脏”， 它的结构和性能直接影响纸张的质量、造纸机运行的效率以及各项技术经济指标。 由于市场对宽幅、高速纸机的需求不断增加，使高速、性能优良的流浆箱问题更 加突出。目前高速流浆箱技术由国外的b e l o i t ，v o i t h ，m e t s o ( v a l m e t ) 等) l 家企业 完全垄断，长期以来，凡是车速较高或生产纸张质量要求较高的造纸机要么整台 造纸机进口，要么最起码要进口造纸机中的流浆箱，这几乎在造纸行业行成了一 种共识究其原因，就是因为流浆箱技术开发难度大，传统的开发手段复杂，投 入较大控制水平较低。这些巨大的困难使得国内众多的高等院校，科研院所及生 产企业长期以来都没能建立起专业有效的开发基地。流浆箱技术一直只能简单的 模仿国外的技术，而难以深入地剖析其中的原理及特点。因此，国产纸机的流浆 箱技术一直与先进国家的技术差距很大，且有愈来愈大的趋势。就目前的造纸工 业水平而言，国外已普遍采用了最先进的水力式流浆箱，而国内却只有少数几家， 并且都是进口设备。可以说，国内不仅在造纸工业水平上，而且在流浆箱的设计、 开发、生产上都落后于西方国家。 众所周知，我们造纸机械技术进步几十年来一直走的是以消化吸收，测绘仿 制国外产品的老路，然而对流浆箱成形技术来讲，由于涉及到流体动力学的湍流 动态分布等，缺乏理论及实验基础，也缺乏这方面的人才和意识使得连消化吸 收，测绘仿制都变得异常困难，流浆箱技术几十年来进步很小。本文的研究目的， 正是要打破传统采用的简单地消化吸收和模仿国外技术的老路，收集到比较完整 准确的国外同类产品的技术资料，通过数值模拟及实验研究，深入剖析国际最先 进的水力式流浆箱设计原理，对性能接近国外同类产品水平的高速流浆箱的开发 提供理论上的支持，对流浆箱的设计起到重要的补充作用，打破高速流浆箱的技 术垄断。具有重大的实际意义： 2 第1 章绪论 1 ) 从开发手段来讲，除了利用以前一直沿用的消化吸收国外资料等传统方 法外，还充分利用了当今国际上先进的流体动力学数值模拟技术，以及 粒子图像测速技术，为流浆箱的设计开发提供定量的参数依据。 2 ) 高速水力式流浆箱的开发成功，将大大提高国产造纸机的装备水平，增 强国产纸机竞争力。并将产生巨大的经济效益，为国家节约大量外汇， 可为造纸工业提供大量的价格合理、性能优良的产品，提高纸张质量档 次，促进造纸工业的发展。 3 ) 依托工程实际，为浆料流动数值模拟积累宝贵的经验，使得研究方法更 加成熟，为运用于其他领域奠定一定的基础。而且要在产品开发上走出 一条新的路子，为今后开发其它的实用技术，积累宝贵经验 1 2 国内外相关研究进展 流浆箱是造纸机的心脏，是连结“流送 与“成形”两部分的枢纽【9 1 。流浆 箱虽然不形成纸页，但对纸页成形质量的影响很大。如果从流浆箱出来的浆料流 态不正常或者不十分正常，到网案上再来改正就要付出大量的精力，而且改正的 可能性就非常小了【1 0 1 ；如果来自流浆箱的浆料流态很正确，那么网案就只用于 纸页成形和脱水即可。因此，良好的浆料流送是获得优质纸页成形的前提。通过 分析浆料流送过程的特殊规律和流浆箱的工作原理，来实现先进流浆箱的开发， 从而获得更好的纸页成形质量。 1 2 1 流浆箱结构的研究进展 流浆箱的功能是把合乎抄纸要求的浆料，均匀一致、稳定地沿造纸机横幅全 宽流送上网，为纸页在造纸机网部的成形创造良好的前提【1 1 1 2 1 所有流浆箱都 是由布浆器、匀浆区( 堰池和匀整装置) 和堰板三个主要部分组成。布浆器负责 从浆管到纸机全宽的最初浆流分布；匀浆区接受从布浆器来的浆流，使它稳定地 形成可控，微湍的均一浆流；堰板使浆流加速到接近网速，并控制堰板开度和着 网点条件。从流浆箱的三个组成部件来看，虽然各自负有特定的任务、各自完成 不同的使命并共同地来满足生产上的要求，但其中比较主要的、具有关键性的是 匀浆区。从对流浆箱的要求来看，主要靠匀整装置来满足。 随着造纸机车速和幅宽的迅速增长，流浆箱的结构和类型也不断地进行更新。 3 浙江大学博士学位论文水力式流浆箱内浆料流动数值模拟和试验研究 按其发展的进程和结构的基本特点，可以归纳为三种基本形式：敞开式、气垫式、 水力式【1 0 l 。敞开式和气垫式流浆箱都带有匀浆辊，通过匀浆辊的转动来实现湍 动的产生和纤维的分散。水力式流浆箱采用固定元件作为匀整装置，在较高流速 下应用固定元件消融高速射流中的动能，使浆料均一并产生湍动。 如图1 1 所示，敞开式流浆箱利用箱内浆位来控制上网浆料的速度，通常通 过调节箱内堰板的高度来控制，堰池内浆位高度随车速成平方关系，因此随着车 速的提高，浆位的高度迅速增加，使得流浆箱的高度和重量随之大大增加。敞开 式流浆箱一般适用于低、中速造纸机。 为了降低堰池浆位，并保证较高的喷浆速度，1 9 5 0 年前后，气垫式流浆箱应 运而生。如图1 2 所示，气垫式流浆箱是按照造纸机车速的要求，在流浆箱密封 的堰池内形成一定的气压( 气垫) 或抽真空，而堰池只需保持较低的浆位，喷浆 速度由流浆箱内堰池浆位和箱内气垫压力共同提供，车速变化时，只需变更气垫 压力，就能精确、大范围地调节上网浆速。由于气垫式流浆箱仍然存在自由液面， 因此堰池内的浆流速度较低，湍动强度也比较低，分散纤维的能力有限。气垫式 流浆箱适用范围较广，在低速、中速、较高车速的造纸机中都有应用。 图1 1 敞开式流浆箱图1 2 气垫式流浆箱 气垫式流浆箱至今一直在发挥着重要的作用【13 1 2 0 世纪7 0 年代的气垫式流 浆箱已经吸收了一些流浆箱设计的优点，如采用锥形布浆器、匀浆辊或水力布浆 整流元件，优化了上下唇板的结构，以及采用了消除泡沫的溢流装置。气垫式流 浆箱的最大特点是提供较高的上浆压力在敞开式流浆箱中，当车速达n3 0 0 m m i n 时，上浆压头为1 2 x 1 0 4p a 。在这样约1 0m 深的流浆箱中，很难保持水平浆 4 第1 章绪论 流速度的均匀，而气垫式流浆箱就解决了这个问题。 随着纸机车速的进一步提高，尤其是夹网造纸机的出现，对流浆箱的性能提 出了更高要求：喷出的浆料在速度分布和浆料的微湍动方面更加均匀一致，才能 确保纤维分散，并防止絮聚。由于敞开式和气垫式流浆箱达不到所需的整流效果， 导致开发了采用新型高效整流元件的水力式流浆箱。 水力式流浆箱内部充满了浆料，按照造纸机车速要求，流浆箱的压头可由可 调节速度的冲浆泵、高位箱的浆位或气垫稳浆箱的空气压力提供，配有能够产生 规模和强度均合适的微湍流的布浆元件和整流元件( 如阶梯扩散器、管束等) ， 布浆整流效果好，水力式流浆箱没有转动部件，体积小，效率较高，没有溢流装 置，因而在进入水力式流浆箱之前必须通过消除空气、泡沫及压力脉冲的装置。 由于水力式流浆箱没有自由液面，可以在更高流速下应用，不仅应用于夹网 造纸机，而且也应用于车速较高的长网造纸机和圆网造纸机。代表性的产品有 e s c h e rw y s s 酎t 梯扩散器流浆箱、b e l o i t 集流式飘片流浆箱、f i o s e t 流浆箱、h t 水力流浆箱等几种类型【6 1 。 e s c h e rw y s s 阶梯扩散器流浆箱如图1 3 所示，采用方锥形总管布浆，以阶梯 扩散器作为流浆箱的核心，起到主要的布浆作用、整流作用和产