（化工过程机械专业论文）新型水力式流浆箱内浆料流动机理及数值模拟研究.pdf

摘要 水力式流浆箱是造纸机的浆料流送设备，位于造纸机的起始部分，其主要作 用是把浆料均匀而稳定地流送分布上网。为使纸页定量、匀度均一以及防止浆料 絮聚，要求流浆箱内浆料流动横向、纵向分布均匀，因此，水力式流浆箱各组件 结构设计要非常符合流体力学原理。在水力式流浆箱流场内，流速分前i 和雷诺数 主要反映浆料流动状况，浆料的压强和微湍流效应主要反映流浆箱各组件的布 浆、匀整性能等。其中，微湍流发生器设计是关键，其直接决定了水力式流浆箱 的工作性能。 为研究水力式流浆箱内流场的流动特性，本论文采用最新的c f d 数值模拟软 件，通过深入剖析国际上目前比较先进的稀释水力式流浆箱结构及设计，对稀释 水加入单元的混合特性和微湍流发生器及唇口等部位的湍流场特性及分布，进行 了数值模拟。据此对湍流发生器和稀释水混合单元结构及尺寸进行优化，为其设 计提供可靠的依据。比对国外最新式同类型流浆箱，最终实现= 】：发出性能达到或 接近斟际先进水平的完全国产化流浆箱的目标。 首先，从前人研究的基础及结论入手，针对水力式流浆箱的具体结构特点， 探讨了水力式流浆箱内主要组件布浆器、微湍流发生器和喷浆装置的作用机理： 并从流体动力学角度给出了流浆箱内浆料纤维的分散和均布机理：针对水力式流 浆箱内特定的稀释型浆料纤维，通过合理的假设建立起稀释纤维液在水力式流浆 箱内流动的数理模型。 然后，通过修改f l u e n t 软件内现有的计算模型，使其更符合以上建立的稀释 纤维液理论模型：针对布浆器、湍流发生器的不同结构形式，在不同的纤维浓度 和入i j 速度的条件下，应用f l u e n t 软件来模拟纸浆纤维在水力式流浆箱内的流动 特性：并以流动速度、压强、湍流强度、湍流尺度及浓度分布为具体衡量指标， 来分析比较水力式流浆箱内各组件的工作性能。 最后，在以上研究结论之上，给比了流浆箱结构的最佳组成形式和具体结构 优化设计方法。 以上研究结果是在三维多相流c f d 数值模拟中获得，有关结论与国内外实验 研究结论比较一致。随着研究的更加深入，有望将理论分析、数值模拟分析和实 验分析等充分融合，将用于全面指导新型水力式流浆箱的设计制造。 关键词：水力式流浆箱，微湍流发生器，纤维悬浮液，湍流特性，c f d a b s t r a c t h y d r o d y n a m i ch e a d b o xi st h ep a p e rs u s p e n s i o n ( p s ) d e l i v e r i n g e q u i p m e n to fp a p e r m a k i n gm a c h i n e ，w h i c hs t a n d sa tt h eh e a do ft h e p a p e rm a c h i n e i t sm a i n l yu s e dt of l o wt h eu n i f o r ma n ds t a b l ep s e v e n l yu pt ow i r es e c t i o n i no r d e rt og a i nt h eu n i f o r mb a s i sw e i 出t ，e v e n f o r m a t i o n ，a n da v o i df i b e rf l o c c u l a t i o n ，t h ep s f l o wt h r o u g ht h eh e a d b o x s h o u l dh a v eu n i f o r md i s t r i b u t i o ni nt h ec df c r o s s m a c h i n ed i r e c t i o n ) a n d m dr m a c h i n ed i r e c t i o n ) t h es t r u c t u r eo fa l lc o m p o n e n t so ft h eh e a d b o x m u s tc o n f o r mt oh y d r a u l i cm e c h a n i s m p a p e rs u s p e n s i o nf l o w st h r o u g h t h eh e a d b o x ，t h ep s v e l o c i t yp r o f i l em a dr e n a u l tn u m b e rb a s i c a l l y v a l u ei t sf l o wp r o p e r t y ，a n dt h ep s p r e s s u r ea n dm i c r o - t u r b u l e n c ee f f e c t c h i e f l yr e f l e c td i s t r i b u t i o na n du n i f o r l t le f f e c t so ft h eu n i t so ft h eh e a d b o x t h e r e i n t o t h ed e s i g no fm i c r o - t u r b u l e n c eg e n e r a t o ri sc m c i a lt ot h e p e r f o f i n a n c eo ft h eh y d r o d y n a m i ch e a d b o x t os t u d yt h ef l o wc h a r a c t e r i s t i co fh y d r a u l i ch e a d b o x t h i st h e s i sa d o p t t h en e w e s ts o r w a r eo fc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) t os i m u l a t e t h em i c r o - t u r b u l e n c ef l o w t 1 1 r o u g hf u r t h e rs t u d y i n gt h ei n t e r n a t i o n a l a d v a n c e dd e s i g n i n g p r i n c i p l e o fd i l u t e h e a d b o x ，e s t a b l i s h i n gt h e m a t h e m a t i c a lg o v e r n i n ge q u a t i o n so f p s ，a n dn u m e r i c a lc f ds i m u l a t i o n o nt h ed i l u t ed i s t r i b u t o r ，t u r b u l e n c ef l o wg e n e r a t o ra n dn o z z l e ，w ec a l l o p t i m i z et h es t r u c t u r eo fd i s t r i b u t o ra n dt u r b u l e n c ef l o wg e n e r a t o ra sw e l l a sd e v e l o pd i l u t e dw a t e rm a n i p u l a t i v es y s t e mt h a tc a ng i v eu sd e s i g n i n g b a s i sa n dc o n t r o lm e a n s r e f e r r i n gt ot e c h n i q u eo ft h en e w e s tm o d e lo f h e a d b o xw eh a v eg a t h e r e da n dm a s t e r e d ，w e ud e v e l o pd o m e s t i cp u l p h e a d b o xw h i c hi sn o ti n f e r i o rt ot h es a m ek i n do fh e a d b o xi n t e r n a t i o n a l l y i nc a p a b i l i t ya n dp e r f o r m a n c e f i r s to fa l l ，o nt h eb a s i so ft h er e s e a r c hr e s u l t so fp r e d e c e s s o ra n d a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i co fh y d r o d y n a m i ch e a d b o x ，w e a n a l y z et h em e c h a n i s mo fm a i nc o m p o n e n t so fh e a d b o x ，s u c ha sp s d i s t r i b u t o r , m i c r o t u r b u l e n c eg e n e r a t o ra n dn o z z l ej e t m o r e o v e r ，w e s u m m a r i z et h ef i b e rd i s p e r s i o na n du n i f o r md i s t r i b u t i o nm e c h a n i s mf r o m h y d r o d y n a m i c s a n g l e a sf o rt h eg i v e nd i l u t e dp s i nh y d r a u l i ch e a d b o x w ee s t a b l i s ht h ep s g o v e r n i n ge q u a t i o nt h r o u 豇r e a s o n a b l eh y p o t h e s i s s e c o n d l y ，w ea m e n dt h et u r b u l e n tc o m p u t a t i o n a lm o d e li nf l u e n tt o a c c o r dt oe s t a b l i s h e dt h e o r e t i c a lm o d e l a sf a ra sd i f f e r e n td i s t r i b u t o ra n d t u r b u l e n c eg e n e r a t o rs t r u c t u r eb ec o n c e r n e d ，u n d e rt h ec o n d i t i o no f v a r i a t i o n a lf i b e rc o n c e n t r a t i o na n di n l e tv e l o c i t y ，w es i m u l a t et h ef l o w p r o p e r t yo f p s i nh y d r o d y n a m i eh e a d b o xb yf l u e n t a tt h es a m et i m e ， w ea p p l yf l o wv e l o c i t y ，p r e s s u r e ，t u r b u l e n c ei n t e n s i t ya n dt u r b u l e n c e s c a l ea sw e l la sf i b e rc o n c e n t r a t i o nt om e a s u r ea n dc o m p a r ec a p a b i l i t yo f h e a d b o x a tl a s t ，b a s e do no u rs t u d y ，w e g a i nt h eo p t i m a l s t r u c t u r eo f h y d r o d y n a m i ch e a d b 0 xa n dc o n c l u d et h eo p t i m i z i n gd e s i g nm e t h o df o r h e a d b o x t h es t u d ya c h i e v e m e n t sa r eb a s e do i ln u m e r i c a lc f ds i m u l a t i o no n 3 - dm u l t i p h a s ef l o wo ff i b e rs u s p e n s i o n ，a n dc e r t a i nr e s u l t sa r eb a s i c a l l y c o n s i s t e n tw i t hi n t e r n a t i o n a l e x p e r i m e n t a l r e s e a r c hc o n c l u s i o n ，a s f u r t h e r i n go u rs t u d y ，w ec a no p t i m i z ea n dd e s i g na n e wm o d e lo f h y d r o d y n a m i c h e a d b o x a c c o r d i n g t oa c a d e m i ca n a l y s i s ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a la n a l y s i s ，a n dt h e s ea c h i e v e m e n t sc a l ld i r e c t d e s i g na sw e l la sm a n u f a c t u r eo fh y d r a u l i ch e a d b o x k e yw o r d s ：h y d r a u l i ch e a d b o x ；m i c r o - t u r b u l e n c eg e n e r a t o r ； f i b e rs u s p e n s i o n ；t u r b u l e n c ef l o wc h a r a c t e r i s t i c ； c o m p u t a t i o n a lf l u e n td y n a m i c s i 浙，r 大学硕j 学位论文 第一章绪论 1 1 研究的背景及意义 造纸工业是一个与国民经济息息相关的行业，是直接为人民生活、产品包 装及其它工业提供原材料的工业，造纸工j l p 的发展程度直接反映了一个国家或 地区经济发展的水平【l 】o 如表1 - 1 所示，尽管近些年国内纸张产量和人均消耗量 持续增长，但是不可否认我国造纸产量人均消耗量仪3 4 5 k g ( 2 0 0 2 年) ，仅为 世界水平的一半，而且差距还有被逐渐拉犬的趋势。 表1 - 1 纸张产量及人均消耗量( 虹) 国内产量2 8 0 02 9 0 0 世界人均消耗量 50 45 2 8 国内人均消耗量 2 6 827 8 从国家有关部门及行业的预测报告来看，我国纸业产量及市场需求还有很 大的空间【z 3 j 。因此，国家对造纸工业的发展非常重视，每年都专门安排了上百 亿元的国债资金，用于造纸工业上水平、上规模及污染控制。然而，直接为造 纸工业服务的国内造纸机械由于装备水平落后、单产、门幅较低，难以满足市 场对大型、高速、高效造纸机械的要求，尤其是文化纸机【4 】。因此，目前国产 造纸机械技术的落后，已经成了造纸工业发展的一个明显的瓶颈【5 】。 在造纸机械中流浆箱应用最为普遍，是对产品质量及性能影响最大的设备， 同时也是技术含量最高的设备，是造纸机械领域最大的技术难点。在这个领域， 我国与国外先进技术相比，差距有越来越大的趋势。由于市场对宽幅、高速纸 机的需求不断增加，使如何研制出高速、性能优良的流浆箱的问题更加突出。 在许多情况下，国内造纸企业有时可以采用国产的造纸机械，但往往一定要引 进流浆箱，才能满足用户对高速度及高质量的要求。就目前的国际上的造纸工 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。 浙汀大学硕十学位论文 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，通常要么整 台造纸机进口( 包括流浆箱) ，要么进口造纸机中的流浆箱，已在国内造纸行业 形成_ 厂一种共同模式。究其原因，主要是因为新型流浆箱开发技术难度大，丌 发过程复杂，投入较大，开发手段落后，现有控制水平较低等。此类困难使得 国内众多的科研院所、高等院校及生产企业长期以来都不具备独立、专业和有 效的实际开发能力。因而，至今流浆箱技术一直采用的是模仿和引进国外技术， 难以深入掌握其中的原理及特点。所以，国产造纸机的流浆箱技术一直与先进 国家的技术差距较大，而且甚至于有愈来愈大的趋势。 1 9 9 9 年，造纸行业被列为国家财政债券支持技改的重点行业。国家提出造纸 h ：。 i k 技术改造要尽可能使装备国产化；国内有能力生产的，一定要国产化；国内 不能生产的，要搞技贸结合，即在引进设备的同时引进技术，资助国内企业进行 消化、吸收和开发 6 o 面对我国造纸业和造纸机械制造业的严峻形势和良好机遇， 新型高速水力式流浆箱的丌发无疑更有其必要性和现实意义。所以开发国内自主 专利的水力式流浆箱迫在眉睫，新型水力式流浆箱研究的实际意义为： 1 ) 稀释水新型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。 2 ) 项目的成功，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 ) 就开发手段而言，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十分先进的计算机流动数值模拟技 术，解决了流体试验中的大量难关，为设计开发提供定量的参数依据， 促使该设备早日实现国产化。 4 ) 依托工程实际，为两相流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。 本研究主题为新型稀释水力式流浆箱开发，该类型的流浆箱是生产高档纸 张、高车速造纸机的核心技术之一。新型稀释水力式流浆箱具有所生产的纸张 匀度好，横幅定量差小，可适应6 0 0 m r a i n 以上的高车速等特点。 在新型流浆箱的开发中，突破传统的简单地消化吸收和模仿国外技术的老 浙汀大学硕十学位论文 路，以流体动力学理论研究为基础，采用国外最新版本的计算流体力学( c f d ) 软件进行数值仿真模拟，并从相应的流动控制分析入手，深入剖析国际最先进 的稀释水流浆箱设计原理，对稀释水加入单元的混合特性和湍流发生器及唇l = j 等部位的湍流场特性及分布，进行c f d 数值模拟，据其研究结果对湍流发生器 和稀释水混合单元结构及尺寸进行优化设计，并结合开发出稀释水控制调节系 统软件，为设计提供可行性依据，为实际生产提供可靠的优化与控制手段。 1 2 国内外研究进展与现状 新型造纸机设计中，水力式流浆箱的设计是关键，其性能直接影响纸张质 量和生产效率【7 1 。流浆箱的作用主要有两种，其一是要将上网的流浆沿纸机的 横幅方向形成均匀的分布，其二是要使上网的浆料中的纤维能均匀地分布，不 会形成局部团聚。这样可以保证生产出来的纸张成形质量好，也就是匀度好， 纸张横幅方向的定量分布均匀，误差小，尤其是横幅的定量差。流浆箱是把合 乎要求的纸浆，按照造纸机成形部分的要求，均匀地送到成形网上，为纸幅的 良好成形提供必要的条件，因此，流浆箱设计必须做到：将浆料均匀地布向纸 机方向，喷出的浆料要有一个均匀的速度剖面、均匀的浓度剖面和均匀的湍流 剖而【8 i 。 1 2 1 流浆箱的研究进展及现状 自1 7 9 8 年能够连续抄纸的n i c h o l a s l o u isr o b e r t 造纸机问世，f o u r d r i n i e r 兄弟发明的长阏造纸机于1 9 0 4 年成功地投入工业生产以来，被誉为造纸机“心脏” 的流浆箱，不仅形式上变化巨大，而且人们对它的认识也发生了质的飞跃。流浆 箱的重要性从它的发展史中也可以看出。随着纸机抄速和抄宽的提高，流浆箱的 结构和类型也不断地进行更新，出现了各种各样的流浆箱。按其发展的进程和结 构的基木特点，可以归纳为敞开式、气垫式、满流式和满流气垫结合式、水力式、 半水力式。 第一代水力式流浆箱为b e l o i t 的c o n v e r f l o 流浆箱，产生于上世纪七十年代。 在此之后，流浆箱的生产厂家使用湍流发生器改善了纤维的分布，通过改进边缘 区的浆调节系统，从而改进了直接喷浆系统。这样，在1 9 8 0 年下半年之后，v a l m e t 的s y 【i l n o 的流浆系统、v o i t h 的阶梯式扩散流浆箱，以及b e l o i t 的第四代的新概念 流浆箱先后问世。 浙汀人、硕十学位论文 水力式流浆箱是随着高速的夹j ) ( = 9 纸机发展起来的吼由于夹网成型器的成形 面很短、也就是说纸幅成形时间很短，浆流一经喷射上网，成形基本“固定”，因 此要求浆流在流浆箱内必须均匀分布。为了适应这些要求，布浆方式采用高效紧 凑横向咖浆均匀的单侧进浆的锥形总管和固定的匀浆装置，由于水力式流浆箱浆 流充满箱体，没有自由表面，所以可用高速浆流通过固定元件截面的变化或几何 尺寸的改变产生高强度微湍动，使悬浮的浆料均匀分散。水力式流浆箱因为没有 转动的匀浆元件，箱内浆流纵向稳定，没有横流，所以可通过调节布浆孑l 管的浆 科浓度来调节纸页的横幅定量，取得比微调杆局部改变唇口几何尺寸来调节横幅 定量更佳的效果。水力式流浆箱的喷浆速度由变速浆泵的动压头控制，可以适应 很高的车速。 但水力式流浆箱也有它的局限性1 1 0 】，因为固定匀浆元件的匀浆作用必须靠高 速流产生( 约1 5 m s ) ，如低于这个速度，达不到自清选速度时，会产生麻烦的 清洁问题( 附浆、挂浆) ，所以要求车速不宜低于3 0 0 m m n 。也因为采用固定的匀 浆元件，其几何尺寸都按特定的范围设计，可控因素单一，凶此适应范围比较窄， 宜用于车速变化小、品种比较单一的造纸机。为了扩大水力式流浆箱的使用范围 和克服水力式流浆箱对来浆脉动的敏感性，发展了新型水力式流浆箱。在满流式 水力流浆箱配上吸收脉冲的气垫和稳定浆流的中间室和溢流装置，以消除从供浆 系统带来的纵向脉冲而造成纸幅纵向定量波动，使它具有水力式和气垫式流浆箱 的优点。 圈际上在流浆箱技术发展有影响的几家公司，也是造纸机方面的著名余业， 女h b e l o i t 公司，v o i t h 公司，v a l m e t ( m e t s o ) 公司，以及e s h e rw y s s ，v a a h t o ，b r a n d e s h e n z eg m b h ，g l v 公司等，无不在减少横幅定量差和可控微湍流上下功夫。其 典型的产品有b e l o i t 公司的c 叩v e m o 和c o c e p t 系列，v a l m e t 公司的s y m f l o 和 o p t i 。f l o 系列及v o i t h 的m o d u l e 系列。在使用的湍流发生器上，b e l o i t 公司一直使用 圆变方形的等面积管束，并在唇板区加漂片，漂片的间距很小，严格将湍流限定 在狭小的空间内，另一种、，o i t h 公司的阶梯式湍流发生器，利用流量因阶梯突扩产 生的有限涡旋成湍动，有的使用变面积的圆变方管束。在布置上，有的布置一段 管柬，有的布置两段管束，但其大致结构及原理没有大的变化，其性能及结构是 不断优化的，使其更加合理。而在改善横幅定量蒡方面，近十年来取得了很大的 浙汀大学硕十学位论文 进步，在上世纪九十年代b e l o i t 公司的c o n c e p t i v 流浆箱为代表，采取了稀释 水调节横向局布浓度的方法来达到减少横幅定量的目的，极大的克服了老式唇口 机械微调装置调节精度差，相互影响较大的缺点，使得横幅定量差值由原来的 1 5 不到的水平，减少到了l 以下，显著地提高了纸张产品质量。 1 2 2 纤维悬浮液流动分析的研究进展及现状 纤维悬浮液流动的数值模拟研究始于7 0 年代末，当时采用多相流体力学的近 似方法，即假设纤维对流场的干扰可以忽略，悬浮液仍为牛顿流体，使用j e f f e r y 的椭球缓慢运动解来计算纤维的运动方程【l 】_ ”】。随着非牛顿流体力学和非牛顿流 动数值模拟技术的发展，纤维悬浮液流动的数值模拟才趋于完善【1 3 l 。首先，采用 适当的本构方程描述了纤维悬浮液的力学性质，完善了流动的数学理论。各向同 性的流体模型由e r t e k s e n 提出并经诸多学者修正，该模型被认为适用于纤维牛顿 流体悬浮液的本构方程；其次，各种数值方法被应用于联立求解纤维结构张量的 方程，并取得了成功。 纤维悬浮液的流变性质是由其自身内部的结构所决定的【1 4 1 。在这种纤维悬浮 液中，作为分散相的颗粒分散在连续相中，由于分散的颗粒间有强烈的相互作用， 从而在静止时形成网状结构。只有在施加的切应力足以破坏网状结构时，流动才 能进行。在纸浆流动过程中，纤维颗粒随水流前进，可以看成是悬浮颗粒跟随液 体的运动。对于悬浮颗粒在紊流中跟随液体运动的研究，b b o ( b a s s e tb o u s s in e s q o s e e n ) 方程获得了广泛的应用l 巧j 。在相对雷诺数较大时，o d a r 等实验方法研究了 球形颗粒在运动时所受的力。结果表明，颗粒所受的阻力与相对雷诺数有关，且 附加质量力和b a s s e t 力都依赖于颗粒的加速度模数。因此，应在这些力中引入相 应的无因次系数，以充分考虑各种影响因素。 s v e na n d e r s s o n 在其论文f 1 6 】中指出，在现有的制浆过程的很多操作单元中， 其纸浆浓度在1 0 n 上，在这种情况下，较低剪切速率的纤维就象固体一样。如 果剪切速率增高到一定尺度，中浓纸浆纤维悬浮液就和水的行为比较相似。s v e n a n d e r s s o n 研究了纤维悬浮液网络强度( 屈服应力) ，这是纤维悬浮液运输过程密 切相关的特性。g a l o c h a 等【1 7 1 对收缩和扩展的通道内的纤维悬浮液进行了模拟， 研究的浓度范围从稀纤维悬浮液到半稀释的纤维悬浮液，通过t a y l o r g a l e r k i n 压力修正法数值模拟可以获得稳定的解，b a l o c h a 等人既考虑了纤维悬浮液的 浙汀大学硕十学位论文 浓度和动量的关系，还考虑到线性和正交的纤维排列构成的模型，这个模型采用 二次封闭近似，模拟与实验获得较好的一致性。范西俊等【1 8 曾对纤维悬浮液搅拌 流动进行了数值模拟，他从悬浮液的统计力学模型出发，导出了浓悬浮液的本构 方程，并用此本构方程对绕圆管内的流动作了数值模拟，然后对此力程作了改进， 并对搅拌流动作出了数值模拟。连琏等1 1 9 】运用液体一固体粒子两相流理论及计算 流体动力学s i m p l e 方法，对液一固两相流动特性进行了分析和研究，其理论研究 方法、数值计算方法及计算程序是正确可靠的，不仅为液一固两相流动的研究提 供了手段，还进一步为研究三相流动打下了良好的基础。 在水力式流浆箱中，由于其特定的高速要求和低浓纸浆要求，稀释和半稀释 纤维悬浮液处于湍流流动状态。对于一个在纤维悬浮液中独立纤维的行为，所有 连续模型的起始点都是j e f f e r y 的演化方程。对于稀释液，忽视粒子间的作用力 是正确的，j e f f e r y 的理论也是可用的。但是对于半稀释液，粒子与粒子问的作 用力必须被考虑的，而这种作用力是影响流动行为的。d i n h 和a r m s t r o n g 也讨论 了粒子的动力学，得出了一个对于半稀释液适用的连续性方程，这个模型也考虑 了粒子与粒子问的作用力，而且使用一个分配系数来评价纤维的方位状态。x 一j f a n 2 0 】等人提出了一种结合了短范围作用和长范围作用的数值模拟，结果显示出 通过流动，开始随机方向的纤维被重新定位在剪切的方向。 在对纤维悬浮液湍流的模拟中，o l s o n l 2 1 】的研究认为，纤维运动的行为影响 了运输、流变性能和纤维的光散射性能，而且这些性能在许多科学和工业领域内 是非常重要的，尤其是制浆造纸工业，所有的纤维处理过程和造纸的成形过程都 是在高速湍流中进行的，由于纤维运动的随机行为及速度脉动等，悬浮在湍流中 的纤维颗粒经历着各种各样的动作，对于运动的纤维来讲，其行为是平移和翻转 的结合，o l s o n 认为其运动的平均方程与脉动速度方程都是从刚性的、无惯性的、 移动的纤维获得的，对于纤维运动的平均行为，这些推导的方程是很常规的，沿 着纤维的长度方向，流体速度是非线性变化的，旋转和平移的分散系数都可以从 脉动速度方程获得。由于两相间相互作用机理相当复杂，研究难度较大。 在流浆箱浆料流动模拟研究方面，m e h r a np a r s h e h 等模拟挠性导流片附近流 动和二维收敛流道湍流。a l f r e d c l i 采用不可压湍流时均 流z c j k e 数学模型，运 n f l u e n t 程序，基于有限元原理求解方程分析了聚敛口的喷射轨迹。r i k 浙汀大学硕十学位论文 地s t _ a n d e r f e r ，d e w e i q i 也采用f l u e n t 软件模拟了喷嘴处湍流，发现两种二次流， 一种由流浆箱的结构产生的，另一种由湍动雷诺应力的各项异性产生。v e n k a t a s b a n d h a k a v i 和c y r u sk a i d u n 分析流浆箱收敛区湍流，发现湍流射流的互相作 用是造成流浆箱内产生二次流的主要原因。付平乐和陈克复尝试从两相流体流动 的角度，分析了纸浆平面湍流射流中固液两相的运动状态。h a m a l a i n e n 用有限方 法对布浆器、湍流发生器和堰板进行二维模型的研究。a i d u n 考察堰板区的二次 流和e r i cb i b e a u 分析水力式流浆箱的流动分布。l e e 芹u p a n t a l e o 运用布浆器和堰 板各自的三维模型，考察了流浆箱控制装置对纤维流动性能和定向的影响。赵强、 潘定如对阶梯式流浆箱进行了二维数值模拟，得到阶梯扩散器的二维流动分布。 通过阻上文献，可知流体力学理论研究和流浆箱浆料流体力学研究的发展方 向： 1 ) 随着高性能计算机的出现，能够求解复杂的数学模型，计算流体力学成 为重要的研究手段，而且应用越来越广泛。 2 ) 流浆箱设计要充分考虑流体力学因素，浆流的流动控制是流浆箱设计的 关键。运用计算流体力学辅助流浆箱的设计以及对均匀布浆、高强微湍 和湍流射进行控制。 3 ) 流浆箱浆料流体力学的研究一直以试验为主 2 2 i ，试验技术不断进步，丰 富了流体力学理论研究，使流浆箱设计不断推陈出新。 综上所述，当前对新型水力式流浆箱的开发研究手段不断推陈山新，而以流 体力学数值模拟为手段的流浆箱研究的兴起，大有后来居上的趋势。但是到目前 为i t ，前人关于水力式流浆箱的数值流动分析还很少，仪限于对流浆箱部件进行 二维分析，而实验分析都集中于研究流道湍流和二次流。尽管如此，他们提出的 些观点和方法对本文的研究具有很好的指导意义。 1 ，3 研究内容及方法 对流浆箱的开发是采用国际上最新版本的c f d ( 计算流体力学) 数值仿真 模拟以及从相应的浆料流动分析入手，深入剖析国际最先进的稀释水流浆箱设 计原理，对稀释水加入单元的混合特性和湍流发生器及唇口等部位的湍流场特 性及分布进行c f d 数值模拟。据此对微湍流发生器及唇板结构和尺寸进行优 化，为设计提供可靠的依据。并建立了一套有理论依据的分析、设计及计算方 7 浙汀大学硕十学位论支 m s t a n d e r f e r ，d e w e i q i 也采用f l u e n t 软件模拟了喷嘴处湍流，发现两种二次流， 一种由流浆箱的结构产生的，另一种由湍动雷诺应力的各项异性产生。v e n k a z a s b a n d h a k a v i 和c y r u sk f l i d u n 分析流浆箱收敛区湍流，发现湍流射流的互相作 用是造成流浆箱内产生二次流的主要原因。付平乐和陈克复尝试从两帽流体流动 的角度，分析了纸浆平面湍流射流中同液两相的运动状态。h a m a l a i n e n 用有限方 法对布浆器、湍流发生器和堰板进行二维模型的研究。a i d ur _ 考察堰板区的二次 流和e r i cb i b e a u 分析水力式流浆箱的流动分布。l e e 和p a a t a l e o 运用布浆器和堰 板各自的三维模型，考察了流浆箱控制装置对纤维流动性能和定向的影响。赵强、 潘定如对阶梯式流浆箱进行了二维数值模拟，得到阶梯扩散器的二维流动分布。 通过咀上文献，可知流体力学理沧研究和流浆箱浆料流体力学研究的发展方 向： 1 ) 随着高性能计算机的出现，能够求解复杂的数学模型，计算流体力学成 为重要的研究手段，而月应用越来越广泛。 2 ) 流浆箱设计要充分考虑流体力学因素，浆流的流动控制是流浆箱设计的 关键。运用计算流体力学辅助流浆箱的设计以及对均匀布浆、高强微湍 和湍流射进行控制。 3 ) 流浆箱浆判流体力学的研究直以试验为主【”l ，试验技术不断进步，丰 富了流体力学理论研究，使流浆箱设计不断推陈出新。 综e 所述，当前对新型水力式流浆箱的开发研究手段不断推陈出新，而以流 体力学数值模拟为手段的流浆箱研究的兴起，大有后来居上的趋势。但是到目前 为i h ，前人关于水力式流浆箱盼数值流动分析还很少，仅限于对流浆箱部件进行 二维分析，而实验分析都集中于研究流道湍流和二次流。尽管如此，他们提出的 一些观点和方法对本文的研究具有很好的指导意义。 13 研究内容及方法 对流浆箱的开发是采用国际上最新版本的c f d ( 计算流体力学) 数值仿真 模拟以及从相应的浆料流动分析入手，深入剖析国际最先进的稀释水流浆箱设 计原理，对稀释水加入单元的混合特性和湍流发生器及唇口等部位的湍流场特 性及分布进行c f d 数值模拟。据此对微湍流发生器及唇板结构和尺寸进行优 化，为设计提供可靠的依据。并建立了一套有理论依据的分析、设计及计算方 化，为设计提供可靠的依据。并建立了一套有理论依据的分析、设计及计算方 浙汀大学硕十学伊论文 法，用于指导新型水力式流浆箱的设计。 全文的研究内容主要分为三部分： 第一部分是流浆箱结构设计与浆料流动机理研究部分。新型水力式流浆箱 主要由进浆总管、布浆管束、混合室、湍流发生器以及唇口部位组成。在大量 吸收国内外研究成果的基础上，并分析水力式流浆箱内各部件的作用机理，从 而实现对水力式流浆箱各部分及整体的结构设计。 第二部分是浆料流动的理论研究部分。着重研究纤维与水的相间作用，引 入适当的形状修正系数，以获得更加接近于浆料流动的分析结果。对稀释型纸 浆纤维悬浮液的物理特性，分析其在流浆箱内高速流动的特性，引入合理的假 设，并对假设进行适当的修i f 以期达到更符合流动特性的效果，进而建立有效 的数学模型。 第三部分是水力式流浆箱数值模拟分析部分。国内外众多的研究都集中在 对浆料湍动特性起重要作用的流浆箱部件上，本文重点对布浆管束、湍流发生 器、唇板区这些关键部件进行多相流c f d 模拟。修改f l u e n t 软件内现有的计 算模型使之符合已经建立起来的稀释纤维液的理论模型。针对布浆器、微湍流 发生器及唇口的不同结构形式，在不同纤维特性和不同流动状态的条件下，应 用f l u e n t 模拟纸浆纤维在水力式流浆箱内的流动特性，并以流动速度、压应力、 湍流强度、湍流尺度及浓度分布为衡量指标来分析比较水力式流浆箱内各部件 的性能优劣。在数值研究的基础上实现水力式流浆箱的最优化结构设计。 浙汀大学硕十学位论文 第二章流浆箱主要部件的作用机理和结构设计 流浆箱是造纸机的关键部件，随着纸机车速的提高及市场对于纸张质量越来 越高的要求，流浆箱也不断地受到挑战。对于当代最先进的水力式流浆箱，研究 人员矢志不渝地从各个方面进行创新设计和优化设计。本章详细论述了高速纸机 流浆箱的分类，概括了现代新型流浆箱的特点；分析了新型水力式流浆箱的作用 机理，并对流浆箱的结构进行初步计算。 2 1 流浆箱的分类 浆料流送设备是造纸机的起始部分，习惯上称之为流浆箱或网前箱。流浆箱 被称为t 造纸机的心脏”，是连结“流送”与“成型”两部分的关键枢纽【2 3 】。流 浆箱为纸页成形提供良好成型的条件，即沿造纸机幅宽方向均匀地分布纸料， 保证压力均布、速度均布、流量均布、浓度均布和纤维定向的可控性和均匀性； 有效地分散纸浆纤维，防止纤维絮聚：并按工艺的要求，提供和保持稳定的上浆 压头和浆网速比【2 4 l 。 目前应用中的流浆箱大致可以分为两类：匀辊式流浆箱和水力式流浆箱。 匀辊式流浆箱主要分为敞开式和气垫式，其最重要的特点是在混合室或气垫 室入口以及出口处安放有转动的匀浆辊，通过匀浆辊来实现湍动的产生和纤维的 分散。 矧2 1 敞开式匀浆辊流浆箱 图2 2 气垫式匀浆辊流浆箱 如图2 一l ，敞开式匀浆辊流浆箱喷浆速度的静压力是堰池内浆位高度，它随 车速成平方关系增高，n l t t n - a ，浆位就很高，浆料难以搅拌均匀，流 浙汀大学硕十学位论文 动方向难以控制。从模拟试验看到，当浆位高度6 0 0 m m h ，上层浆流已处于滞流 状态，浆料出现絮团。因此敞开式匀浆辊流浆箱宣用在车速2 0 0 m m t n 以下的氏网 纸机。 如图2 2 ，气垫式匀浆辊流浆箱是为了适应较高速度及较大的速度范围发展 起来的。在密闭的箱体内通人压缩空气，喷浆速度的静压力由恒定的浆位高度( 高 度一般与匀浆辊直径相近) 和可调的气垫压力合成。调节气垫压力，即可调节喷 桨速度。由于浆位高度比较低，浆流通过匀浆辊孔眼的流速比较快，可以获得最 佳的浆流条件而不受速度限制。但气垫匀浆辊流浆箱也有局限，因为箱内浆流有 一自由表面、堰池浆流速度只能在0 2 7 0 4 5 m s 之间，因此不能采用匀浆高效的 固定元件，因为固定元件的浆流湍动是在高速条件下产生的，因此气垫式匀浆辊 流浆箱宜用在车速1 8 0 - 4 5 0 m m in 的造纸机。 图2 3 水力式流浆箱图2 4 半水力式流浆箱 水力式流浆箱主要分为水力式和半水力式，是随着高速的夹网纸机发展起来 的。由于夹网成型器的成形面很短，也就是说纸幅成形时间很短，浆流一经喷射 上网，成形基本“固定”，因此要求浆流在流浆箱内必须均匀分布。如图2 3 所 示，为了适应这些要求，布浆方式采用高效紧凑横向布浆均匀的单侧进浆的锥形 总管和固定的匀浆装置，由于水力式流浆箱浆流充满箱体，没有自由表面，所以 可用高速浆流通过固定元件截面的变化或几何尺寸的改变产生高强度微湍动，使 悬浮体的浆料均匀分散。 但水力式流浆箱也有它的局限性，因为固定匀浆元件的匀浆作用必须靠高速 l o 浙汀火学硕+ 学衍论文 流产生，如低于这个速度，达不到白清选速度时，会产生附浆、挂浆等清洁问题。 也因为采用固定的匀浆元件，其几何尺寸都按特定的范围设计，可控囡素单一， 因此适应范围比较窄，宜用于车速变化小、品种比较单一的造纸机。为了扩大水 力式流浆箱的使用范围和克服水力式流浆箱对来浆脉动的敏感性，发展了如图 2 4 所示的新型水力式流浆箱，即在满流式水力流浆箱配上吸收脉冲的气垫和稳 定浆流的中间室和溢流装置，以消除从供浆系统带来的纵向脉冲而造成纸幅纵向 定量波动，使它具有水力式和气垫式流浆箱的优点。 水力式流浆箱因为没有转动的匀浆元件，箱内浆流纵向稳定，没有横流，所 以可通过调节布浆孔管的浆料浓度来调节纸页的横幅定量，取得比微调杆局部改 变唇口几何尺寸横幅定量更佳的效果。这点是匀浆辊流浆箱无法做到的。其特 点是f 1 5 j ： 1 ) 采用水力布浆整流元件： 2 ) 利用狭长流道产生微湍流； 3 ) 采用稀释水浓度调节控制系统； 4 ) 喷浆速度变速浆泵的动压头控制，适应高车速。 2 2 水力式流浆箱的作用机理 作为纸机中最关键的部件，流浆箱扮演着决定纸张质量的重要角色，其结 构的主要组成部分如图2 5 。 图2 - 5 水力式流浆箱结构图 1 一方锥总管 2 一布浆器 3 一混合室 4 一气垫室 5 一湍流发生器6 一喷浆装置 1 1 浙江大学硕+ 学位论文 浆料从锥形进浆总管进入流浆箱，通过孔板式布浆器使浆料均匀分布和流 送到混和室，在混和室上方安装有气垫室用来消除浆料中的气泡，均匀浆流、 消除压力波动。没有气泡的浆料流经微湍流发生器进行整流，并得到浆料的理 想的高强微湍流状态，然后唇板区的喷浆装置把流体压力转化为流体动能进而 把浆料输送到成型网上。 新型稀释水水力式流浆箱技术关键是稀释水加入要稳定、可靠、调节灵敏， 湍流发生器使纤维分散均匀并流态稳定，横幅定量差要小【2 引。流浆箱的作用主 要有两种，是将上网的浆流沿纸机的横幅方面均匀的分布，= 二是使上网的浆 料中纤维能均匀地分布，不能聚。这样可以保证生产出来的纸张成形质量好， 也就是匀度好，纸张横幅方向的定量分布均匀，误差小，尤其是横幅这下量差， 几乎完仓决定于流浆箱的好坏。 造纸过程中，纸页成形过程一般分为布浆稀释、整流、喷浆上网及脱水成 形四个步骤，其中前三步在水力式流浆箱中完成。 2