（机械设计及理论专业论文）双螺杆磨浆机螺杆结构的研究及流场分析.pdf

：i 匕京化工大掌硕士研盈：生掌位论文 摘要 磨浆机是制浆造纸厂的核心设备。近年来双螺杆磨浆机以其独特的优良特性 发展十分迅速，越来越受到人们的广泛关注。双螺杆磨浆机的核心部件由平行同 向啮合双螺杆和机筒构成。其螺杆为积木式结构，通常由芯轴和装在其上的正螺 纹元件和浅开槽反向螺纹元件组成。 本文运用双螺杆几何学，设计出了正螺纹元件与浅开槽反向螺纹元件的螺杆 组合，并根据浆料在磨解过程中所受到的各种动态挤压和揉搓的作用，构建了正 螺纹元件与捏合盘元件的螺杆组合。然后，对这两种组合螺杆进行了几何分析和 实体造型。据此对这两种螺杆组合流道进行研究和比较。 为了深入研究这两种组合流道的性能，本文在建立其三维有限元模型的基础 上，应用f l u e n t 软件对其流场进行了三维模拟计算，得出了它们的速度场、压 力场和粘度场，通过后处理程序计算出其剪切速率场、剪切应力场和流量，并进 行了分析和比较。 本文对这两种组合流道的输送特性及其加权平均剪切应力进行了研究，对不 同螺杆元件对物料产生的输送、挤压、剪切、分离和匀整化等作用进行了分析和 比较。 通过研究，本文得出了一些对生产实际具有一定指导意义和参考价值的结 论。 关键词：双螺杆磨浆机螺杆构型组合流道f l u 斟t 流场分析 j l ：京化工大掌硕士研究生掌位论文 c o m p a r e d f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，w ek n o wt h a to n 也ep r e m i s eo f t h es 锄ep r e s s u r ea i l dt h es 锄er o t a t es p e e d ，t r a n s p o r t a t i o na b i l i t y i nt h ec o m b i n e dc h a i m e lw i t l ll e r - h a i l d e ds c r e we l e m e n ti sg r e a t e r t h a nt h a ti nt h ec h a n n e lw i t hk n e a d i n gb l o c k ，h o w e v e r ，w e i g h t e d s h e a rs 仃e s sa v e r a g ei n 廿1 ec h a r m e li i l c i u d i i l gl e n - h a l l d e ds c r e w e l e m e n tw i t h s h a l l o w 掣o o v e s i sl o w e rt l a nw h a ti na 1 1 0 吐l e r c h a n n e l ， i nb o mc o m b 协e d c h 锄n e l ，p u l p w i l l g e t m o r e c o h l p r e s s i o n a i l ds h e a rt l l a l lo 廿l e r仃a d i t i o n a l p u l p - m a k i n g m a c h i n e k e y w o r d s ：b i v i s ，i n t e n n e s h i n gc o - r o t a t i n gt w i n - s c r e w ，n o wc h a n n e l f l u e n t f i e l ds i m n l a t i o n 一! 兰奎竺苎查竺! 圭竺查竺竺! 兰笙查一 _一 第一章绪论 1 1 前言 1 1 1 双螺杆磨浆机的产生和发展 磨浆机是制浆造纸厂的核心设备。它不仅直接影响产品质量，而且关系到产 品的生产能耗和成本。良好的磨浆质量，应适当控制纤维长短和帚化分丝，使处 理后的浆料满足生产工艺要求。磨浆能耗常占纸制品生产总能耗的一半左右，因 此，磨浆机的能耗直接影响制浆造纸企业的经济效益。 无论是1 7 世纪发明的第一代磨浆机荷兰式打浆机，还是2 0 世纪3 0 年代 投入应用的第二代磨浆机盘磨机、锥形糖浆机、圆柱磨浆机，这些传统的机 械制浆方法都是，通过对所处理浆料施加反复的压缩和减压的过程，使纤维细胞 壁疲劳、破裂，最后分离出纤维，进而帚化分丝。细胞壁在破裂之前产生多次粘 弹性变形和塑性变形。显然，压缩必须在低强度下进行，否则浆中纤维增多减 压时，释放出能量。并转化为热。这一过程中大部分能量转化为热使得在磨浆 过程实际消耗能量与纤维处理到一定程度所需能量之间的差距太大。实践证实， 纤维完成磨浆所需能量仅占磨浆过程所耗机械能的3 。因此，有人说磨浆过程的 效率和白炽灯泡效率差不多。 分析表明，只靠改变传统设备的结构和工艺很难在提高磨浆质量的同时降低 磨浆过程的能耗。为此，探询新的技术理论、设计新的设备结构，是制浆造纸工 业所面临的新课题。近年来，人们研制出了多辊磨浆机、振动惯性磨浆机、强磁 粒子涡流磨浆机、射流挡板式磨浆设备、声压效应式设各、空化作用式磨浆设备 以及双螺杆磨浆机等。其中，双螺杆磨浆机由于其众多的优点被制浆造纸业看好， 并称之为第三代磨浆机。 所发表的专利和研究表明峨“，双螺杆磨浆机作为新型的磨浆设备，咀其磨浆 质量好、能耗低、用水量少和减少排污等优良特性，受到国内外学者和制浆造纸 行业的高度重视，具有广阔的应用前景。 1 9 7 5 年，法国c l e x t r a l 公司首先提出把塑料加工工业中的同向双螺杆挤出机 1 9 7 5 年法国c l e x t r a l 公司首先提出把塑料加工工业中的同向双螺杆挤出机 j 匕京化工大掌硕士研究生学位论文 应用于制浆造纸工业，并开始了实验和研究。1 9 8 3 年6 月，美国c eb a u e r 公司 进行了双螺杆磨浆机的生产试验，处理原料为南方松和杨木木片，在较低能耗下 生产出类似热磨机械浆( t m p ) 的浆料。2 0 世纪9 0 年代初，c l e x t r a l 公司完成了 以双螺杆磨浆机为核心的制浆生产线的工业化实验，生产出适用于制浆造纸工业 的双螺杆辊式磨浆机，现在，这种设备已经用于木片或者草类纤维的化学机械纸 浆制备、渣浆再磨、废纸处理、浆料漂白和洗涤等工艺环节。瑞典k m w 公司还 将双螺杆磨浆机作为混合器，用于浆料和漂液的高浓混合。国外称这种设备为 b i v i s 。 2 0 世纪初，当发达国家将双螺杆磨浆机用于制浆造纸业的研究进入工业化应 用时，立即被称之为是一场制浆技术的革命，它的成功标志着第三代磨浆机的诞 生。 我国于上世纪9 0 年代开始研究双螺杆磨浆机 4 - 1 0 j 。1 9 9 2 年董平等人研究了 双螺杆磨浆机螺杆的啮合原理和嫘杆参数的设计。1 9 9 4 年王丹介绍了双嫘杆磨浆 机生产高白度化学热磨机械浆的情况。1 9 9 7 年陈樵鉴详细地介绍了天津某造纸厂 b i v i s 法地生产流程，并对b i v i s 法制浆机理进行了探讨。东北林业大学刘长恩 教授于1 9 9 7 年申报了实用新型专利一双螺旋磨浆机，并与专业生产双螺杆挤出机 的某公司合作，研制生产了国内第一台直径7 6 m m 的双螺杆磨浆机。 1 1 2 双螺杆磨浆机的结构 上世纪8 0 年代初，国外有学者指出，木材纤维轴向受压时产生的皱曲作用使 纤维分离，即利用木材纤维轴向受压制浆时，可在低能耗下，生产出的纤维长而 结合力好的浆料。 双螺杆磨浆机计算基于这种理论，使纤维浆料在输送的同时受到动态轴向挤 压，依靠高浓高压下纤维间的揉搓，完成纤维的离解和纤维的细化，制得高质量 的浆料。 j 匕京化工大掌硕士研究生学位论文 进料廿正冉曩鼓反冉点擅晨冉鼓 正一耸邀区正宵警逸区 逆薯区正冉囊进区慧藏区出料口 ( 犬蠕雁)( 小曩)( t 痒医)( 大曩) ( t l l 碎区) 图卜l 双螺杆磨浆机的主要结构示意图 图卜2 双螺轩磨浆机的双螺杆结构 双螺杆磨浆机由啮合同向双螺杆和与其相配合机筒构成，其结构及螺杆如图 l l 、图卜2 所示。螺杆结构为积木式组合，由芯轴和装在其上的正向螺纹元件和 反向螺纹元件组成。喂料段的正螺纹元件的螺距由大变小，这样形成“渐缩区”， 对浆料产生压缩作用。下一段为反向螺纹元件，反向螺纹元件上设有若干径向斜 槽。每组正、反螺纹元件组成一个浆料磨解段。在反向螺纹元件的逆向推送作用 下，物料逐渐积累并充满螺槽，形成高压区。物料在正推送过程中，正向螺纹元 件对纤维物料产生定向( 纤维轴向) 挤压和输送作用。反向螺纹元件在反向推送 挤压时，也具有这种定向作用。磨解细化了的物料，由反向螺纹元件螺棱上开的 斜槽挤出，进入下一个浆料磨解段。通过斜槽个数和大小的变化，可以控制药液 渗透和磨浆效果。上机筒设有多个进液口，下机筒设有多个排液口，可根据工艺 需要加入药液或蒸汽或排出废液。 1 1 3 双螺杆磨浆机的特点 双螺杆磨浆机具有如下功能： 磨浆两根相互啮合的螺杆就像一台高效率的螺杆泵，将浆料强制性地 定向( 纤维轴向) 挤压和输送。在挤压区，浆料纤维受到较大的轴向挤压力和揉 搓作用，有利于纤维在轴向产生了裂纹，强化了药液渗透和纤维的分离作用，完 成磨浆功能。 化学浸渍利用双螺杆磨浆机可以进行多种化学处理，并能将药液注入 ：i 匕京化工大学硕士研究生掌位论文 角速度2 甜绕点d 转动的动盘之间产生的。据此，纤维质点在楔形区内相对运动的 轨迹是以顶点d 为中心的圆周运动( 见图1 3c ) 。因此，间隙中心无剪切速度和 剪切力。 、 。蜃 吣 蠡 。 则z 一2 p o ， 即： 妒 行 这样就有以下的螺纹头数和妒的关系： 一= l 时，妒 疗= 2 时，妒 疗= 3 时，妒 2 2 关于修正问题的讨论 ( 2 2 9 ) ( 2 - 3 0 ) ( 2 3 1 ) 前面所论述的内容是在螺杆与螺杆之间的间隙以及螺秆与机简之间的间隙为 零的条件下得到的。在实际的设计当中，必须考虑螺杆旋转的实际条件，即螺杆 与螺杆之间、螺杆和机筒之间必须要有定的间隙，因此必须对上述理论曲线做 必要的修正。修正的主要内容是对嫘槽表面的形状进行修正，目前常见的修正方 法包括三种： 北京化工大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 中心距修正即螺槽曲线按照修正的中心距( c 。+ = c l 一叫和修正的螺杆 外径( n = 见一2 占) 进行计算并加工，而在实际的装配过程中则按照理论的中心距 安装，这样就可以保证螺杆与螺杆之间以及螺杆与机筒之间有间隙占存在，保证运 转条件。 ( 2 ) 轴截面曲线修正即在轴截面内对螺槽曲线进行一定的修正，使得轴截面 内两根螺杆之间的间隙基本相等。这种修正通常是将螺杆的轴面螺槽曲线轴向平 移，然后再进行径向平移。 ( 3 ) 法面曲线修正与轴截面曲线修正类似，法面曲线修正是对法面内的螺槽 曲线进行一定的修正，通常是采用数值计算方法逐点进行修正。修正时保证螺槽 线上的所有点沿其法线方向的啮合间距完全相等。 上述三种修正方法中，采用最多的是中心距修正法。因为这种修正方法相对 比较简单，也基本可以保证螺杆表面的各个点与另一根螺杆啮合时的间距基本相 等。在此主要介绍中心距修正法。 首先从相对运动学原理来讨论中心距修正法的可行性。图2 8 是双头螺纹端面 曲线的形成过程示意图。如前所述，螺杆横截面截面曲线是由另一根螺杆的一段 圆弧以零间隙相对运动包络而成的。 图2 - 9 中假设微厚的圆盘( 圆盘中心0 2 ) 以相对的角速度0 r 。t j 。= 2 脚) 绕圆盘 ( 圆盘中心为口) 相对运动，则圆盘2 的半径为也的一段圆弧m 肘：的端点m ：的 相对运动轨迹为只只圆弧，其中心为c 点。b 冀圆弧的一部分便是螺杆横截面曲线 内相对应于螺槽侧壁部分。上述的螺杆横截面曲线是在中心距为c l 。= c 。一占) 的条件下得到的。那么，若将圆盘2 在垂直于两根螺杆轴线的平面内平移一定的 间隙j ，此时两个圆盘的中心距为c 。，同样的一段圆弧膨。m 2 在图中为m ，m 。， 中心为0 2 ，作同样的相对运动端点m 。的相对运动轨迹为只尸4 圆弧，其中心也在c 点。由此可见，鼻b 圆弧和只只圆弧同为个中心，那么，圆弧b 只的任何一点到 鼻b 的法线距离均相等，且为鼻b 和只只的半径之差。 对于两段根径和顶径部分圆弧而言，其啮合间隙很容易就可以证明为径向移 j 匕京化工大掌硕士研究生垮啦论文 动问隙占。因此可以说拉开一定的中心距后，两个圆盘旋转时其啮合间隙在整个圆 周内是完全相同的。 图2 - 8 双头螺纹横截面示意图 圈2 - 9 有间隙时的相对运动示意图 2 3 浅开槽反向螺纹元件的几何造型 由全啮合同向双螺杆的几何学可知，只要给定螺杆外径、两螺杆中心距以及 螺纹头数，即可得出全啮合同向双螺杆端面几何形状，然后碍选择适当的起始角 和导程，便可获得螺杆的几何形状。 为了使浆料在磨浆过程中分离成单根纤维并进一步帚化分丝，需采用反向开 槽螺纹元件。根据这一目的，笔者设计了一对开槽型反向螺纹元件，与正向螺纹 元件组合在一起，形成了双螺杆磨浆机的基本螺杆构型。 j 匕京化工夫掌硕士研究生掌位论文 两个浅开槽反向螺纹元件的螺棱均为左旋，其导程为3 0 r a m ，在螺棱上所开的 浅槽均为右旋，其导程为3 0 m m 。从端面看，螺旋浅槽为3 头，且与螺杆的中径相 切。两浅开槽反向螺纹元件端面相对应位置如图2 1 0 所示，图中c ，为两螺杆的 中心距。 图2 - 1 0 开槽反向螺纹元件端面曲线 元件的几何造型如图：2 - 1 1 所示。螺杆由两部分组成，前半段为啮合同向双螺 杆，螺棱为右旋。后半段为反向螺纹元件，其螺棱为左旋，在反向螺纹上开有右 旋的螺旋槽。两段元件具体的几何参数参见表2 - 1 。 图2 - 1 1 开槽反向螺纹元件构型 j 匕京化工大掌硕士研究生掌位沦文 捏合盘确定的螺旋方向相对于螺纹元件来说是很重要的。如果捏合盘错列而形成 的螺旋方向与正向螺纹元件相同，则物料逐步向前输送时受到阻碍较小，反之， 物料的运动会受阻，从而产生高压和高剪切。以上分析也适于菱形捏合盘和曲边 三角形捏合盘。菱形捏合盘组合后可形成两条螺槽，而曲边三角形捏合盘可形成 三条螺槽，但并不明显。 捏合盘错列角是一个重要参量，它对捏合盘组合的工作性能有很大影响。如 果各盘错列而形成的螺旋方向与螺纹输送元件相同，其对物料的输送与螺纹元件 的输送同向，如果各盘错列而形成的螺旋方向与螺纹输送元件相反，其对物料的 输送与螺纹元件的输送则相反。表2 2 列出了捏合盘不同组合形式的混合效果、剪 切作用和输送效率。 表2 2 捏合盘的组合形式对混合、剪切、输送的影响 捏合盘组合 混交t 果剪切作用输j基蚕受率 口h 坷 荔饧萎 匠强 励励励 闹蚴 国黝 刨肜勿珍刎 表2 3 为本课题所用的捏合盘组合螺纹元件的尺寸。 j 匕京化工大学硕士研究置；掌位论文 捏合盘组合元 件尺寸 表2 - 3 本课题所用的捏合盘组合螺纹元件的尺寸 ；捏合盘；捏合 ! 厚度l 盘块 m m；数 r 一广： f1 03 图2 一1 2 为本课题所用的捏合盘组合螺纹元件的几何构型。其主要有了两部分 组成。前半段为啮合同向双螺杆，螺纹为右旋。后半段为捏合盘，这组捏合盘由3 个盘组成，各盘之间的错列角为4 5 。，各盘错列而形成的螺旋方向与螺纹输送元件 相反。元件具体几何参数参见表2 3 。 图2 - 1 2 常规螺纹元件加捏合盘组合元件的几何构型 j 匕京化工大掌硕士研究生掌位论文 第三墼毳囊慧蒌薹薹耋秦饕蠢 孵剖髫蠹f l u e n t 囊囊窆薹妻妻蒌篓瓣蒌篓囊墓蓉篓篱蓬jf l u e n t 嚣篝箱 社蕊割乩童嚆淄瞎羹笾嚣器e 曼餮夏历落添引争彰武甲前雕留制翱c f d 葡畜，陌 漾强溪壤淄濯强浑i 缝，耸函。溜濡燃嚷毖蓊稍甜羟篙繇“栽盟倒妲； 鹭“业强弱县墓懑c f d 眦菲囊业嚣蠼绱徭撵籍装坠，龇君主事叠“筠鹦露剿 驯等 于无穷大，螺棱侧面 角v = 9 0 。的螺纹元件的一部分。从轴线方向看去，其轮廓线相当于同向旋转双螺 杆螺纹元件在垂直于其轴线截面中的轮廓线。啮合盘的轴向形状有三种，即类偏 心圆、菱形和曲边三角形。 捏合盘剪切作用的强度取决于它有几个凸棱( 即是类偏心圆、菱形还是曲边 三角形) 、形状、尺寸精度以及与机筒之间、与另一盘之间的间隙，还取决于各捏 合盘之间的错列角。 采用类偏心圆状的捏合盘组合时，应把偏心安装在同一方向，使得在一对捏 合盘间有一种连续扫过的关系。采用菱形捏合盘组合时，应使一个盘的棱顶沿另 一个捏合盘较长的曲线边移动。采用曲边三角形捏合盘组合时，应使一个盘的三 角顶部扫过另一个捏合盘的一条曲边。无论采用那种形式的捏合盘，装入机筒后， 一对捏合盘的轮廓线与机筒内表面就形成了轴线方向沟通的若干空腔，这些空腔 会对物料产生分流作用。螺杆每旋转一圈，这些空腔的形状和大小就会发生改变。 对类偏心圆盘来说，空腔的数量也会发生改变。 无论是哪种捏合盘，当它转动时，在它们所形成空腔中的物料都要经受压缩、 拉伸、滚压和捏合，强度取决于螺杆的回转速度、捏合盘几何形状的精度以及物 料由一个捏合盘流向另一个捏合盘的走向。 通常，捏合盘都成组使用，般由3 5 个盘串在一起组成一组。每组捏合盘 各盘之间的相对位置和精确度至关重要。对于类偏心圆盘，其偏心角度应沿轴线 连续变化，由此而产生的整个形状很像大螺距单螺杆那样的螺旋，可通过增大螺 j l ：京化工大学硕士研究生掌位论文 i n： i il l i n 朦笏 e一r 7 ”缓豹。1 t i 一 ，1 i i s i脚e - l i i 图3 2 二维问题的有限体积法计算网格 3 2 有限体积法的求解 图3 3 二维非结构网格 对于一给定的微分方程，可以采用有限体积法建立其对应的离散方程。现以 一维稳态问题为例，针对其基本控制方程，说明采用有限体积法生成离散方程的 方法和过程，并对离散方程的求解作一简要介绍。 3 2 1 问题的描述 北京化工大掌硕士研究生学位论文 在只考虑稳态问题的前提下，可写出一维闯题的控制方程( 也称为一维模型 方程) ： 坐趔：旦f r 塑1 + s ( 3 1 ) 出出k 出j 方程中包含对流项、扩散项以及源项。方程中的是广义变量，可以为速度、 温度或浓度等一些待求的物理量，r 是对应于的广义扩散系数，s 是广义源项。 这里给出的是方程的守恒形式，这是因为采用有限体积法建立离散方程时， 必须使用守恒形式。 现应用有限体积法求解方程( 3 1 ) 所对应的对流一扩散问题，主要步骤如下： ( 1 ) 在计算域内生成计算网格包括节点及其控制体积； ( 2 ) 将守恒型的控制方程在每个控制体积上作积分( 积分时要用到界面处未知 量庐及其导数的插值计算公式，即离散格式) ，得到离散后的关于节点未知量的代 数方程组； ( 3 ) 求解代数方程组，得到各计算节点的庐值。 3 2 。2 生成计算网格 有限体积法的第一步是，将整个计算域划分成离散的控制体积。现参考图3 1 ， 在点彳和_ 日之间的空间域上放置一系列节点，将控制体积的边界( 面) 取在两个 节点中间的位置，这样，每个节点由一个控制体积所包围。 用p 来标识一个广义的节点，其左右两侧的相邻节点分别用和e 标识，同 时，与各节点对应的控制体积也用同一字符标识。控制体积p 的左右两个界面分 别用w 和p 标识，两界面的距离用缸表示。e 点至节点p 的距离用& ) ，表示， 点至节点尸距离用( 出) 。表示，如图3 4 所示。 j l ：京化工大掌司e 士研究生掌位诧文 b 一堕斗盟l 一 wp e 墨 i 坐 1 3 2 3 建立离散方程 图3 4 一维问题的计算网格 有限体积法的关键一步是，在控制体积上积分控制方程，以便在控制体积节 点上产生离散的方程。对式( 3 - 1 ) 所示的一维模型方程，在图3 - - 4 所示的控制 体积p 上作积分，有： l ，挚矿= f ，哥r 期仉妙 z ) 式中，a v 是控制体积的体积值。当控制体很微小时，a v 可以表示为a x 一，这里 爿是控制体积界面的面积。从而有： 咖雄) 。一妇妒) 。= - 期。一( 警) 。- i - 髓y c 。哪 可以看出，上式中的对流项和扩散项均已转化为控制体积界面上的值。有限 体积法最显著特点之是，离散方程中具有明确的物理插值，即界面的物理量要 通过插值的方式由节点的物理量来表示。 为了建立所需要形式的离散方程，需要找出如何表示式( 3 - 3 ) 中界面e 和w 处 的p 、“、r 、 i 和譬。在有限体积法中规定，p 、“、r 、和望兰等物理量均 是在节点处定义和计算的。 因此，为了计算界面上的这些物理参数( 包括其导数) ，需要有一个物理参数 在节点间的近似分布。可以想象，线性近似是可用计算界面物性值的最直接、也 是最简单的方式。这种分布叫做中心差分。如果网格是均匀的，则单个物理参数 ( 以扩散系数r 为例) 的线性插值结果为： = 皇( 3 嘞) 3 3 j 匕京化工大尊颊士研究生学位论文 ( 脚印) 的线性插值结果为： r ：蛆 - “ ( 3 4 b ) 伽即) = ) c 4 红堕2 ( 3 - 5 a ) 妇= 妇) ，以华( 3 - 5 b ) 与梯度项相关的扩散通量的线性插值结果为： ( 删辨m 臀 ( 辨队 赫 m e u ， 对于源项s ，通常是时间和物理量妒的函数。后面还会看到，为了简化处理， 经常将s 转化为如下线性方式： s = s c 七s p 币p 0 3 - 7 、 式中，& 为常数，s p 是随时间和物理量变化的项。将式( 3 4 ) 、( 3 5 ) 、( 3 6 ) 、 ( 3 7 ) 代入方程( 3 - 3 ) ，得： 油) 4 华一( 伽) w a w 华 叫锗卜，陪卜蝎加 s ， 整理后得： 陆小矗小趾矿k = 陆”譬4 九+ 陆铲学爿。卜耻y e ， 简化为： 口p 尸= 乜矽酽+ 口e 九+ b( 3 1 0 ) 式中， j 匕京化工大掌硕士研舅：生掌位 蚕雾塑霪萋； 篓雾蕊羹唾 黼鋈型篡瓣羹蠢 i ：一点； 斟崩薛黼；粥潲珀毒强吁i 厚藿的朝鲐主_ f | 蕈悬攀。理嵩! ! 鹬丽留秘话； 积辨；薹耋* 霉；穗i ；一弹i 瞄塔矧精瑷穗裔馐t 蒸鬻黧蠢一鬃囊懵 重x 昭蜡 ；耋一i 墼l 萎雾； 。i l l 黔黔鞴疆i | 一! l 融豁醛班弱i 萌翟囊篓型蒂 蓍剽鹭剧露弭智 萑苫碍f l i i 瑶哒嵫， g ? s 数小于某一临界值时，流动是平滑的，相邻的流 体层彼此有序地流动，这种流动称作层流( 1 a m i n arf l o w ) 。当r e y n o l d s 数大于临界 值时，会出现一系列复杂地变化，最终导致流动特征的本质变化，流动呈无序的 混乱状态。这时，即使是边界条件保持不变，流动也是不稳定的，速度等流动特 性都是随机变化的，这种状态称为湍流( t u r b u l en t f l o w ) 。 观测表明，湍流带有旋转流动结构，这就是所谓的湍流涡 ( t u r b u l e n te d d i e s ) ， 简称涡( e d d y ) 。从物理结构上看，可以把湍流看成是由各种不同尺度的涡叠舍而成 的流动，这些涡的大小及旋转轴的方向分布是随机的。大尺度的涡主要由流动的 边界条件所决定，其尺寸可以与流场的大小相比拟，主要受惯性影响而存在，是 引起低频脉动的原因。小尺度的涡主要是由粘性力所决定的，其尺寸可能只有流 场尺度的千分之一的量级，是引起高频脉动的原因。大尺度涡破裂后形成小尺度 的涡，较小尺度的涡破裂后形成更小尺度的涡。在充分发展的湍流区域内，流体 涡的尺寸可在相当宽的范围内连续变化。大尺度的涡不断地从主流获得能量，通 过涡闻的相互作用，能量逐渐向小尺寸的涡传递。最后由于流体粘性的作用，小 尺度的涡不断消失，机械能就转化( 或称耗散) 为流体的热能。同时由于边界的 j 匕京化工大掌硕士研究生掌位论文 3 3 1 耦合式解法 耦合式解法同时求解离散化的控制方程组，联立求解出备变量( “、v 、w 、 p 等) ，其求解过程如下： ( 1 ) 假定初始压力和速度等变量，确定离散方程的系数及常数项； ( 2 ) 联立求解连续方程、动量方程、能量方程； ( 3 ) 求解湍流方程及其他标量方程； ( 4 ) 判断当前时间步上的计算是否收敛。若不收敛，返回到第( 2 ) 步，迭代计算。 若收敛，重复上述步骤，计算下一时间步的物理量。 3 3 2 分离式解法 分离式解法不是直接联立方程组，而是顺序地、逐个地求解各变量代数方程 组。依据是否直接求解原始变量“、v 、w 和p ，分离式解法分为原始变量法和非 原始变量法。 目前，工程上使用最为广泛的流场数值计算方法是压力修正法。压力修正法 的实质是迭代法。在每一时间步长的运算中，先给出压力场的初始猜测值，据此 求出猜测的速度场。再求解根据连续方程导出的压力修正方程，对猜测的压力场 和速度场进行修正。如此循环往复，可得到压力场和速度场的收敛解。其基本思 路是： ( 1 ) 假定初始压力场； ( 2 ) 利用压力场求解动量方程，得到速度场； ( 3 ) 利用速度场求解连续方程，使压力场得到修正； ( 4 ) 根据需要，求解湍流方程及其他标量方程； ( 5 ) 判断当前时间步的计算是否收敛。若不收敛，返回到第 图5 - 8 为两种组合流遒i 截面处的压力分布云图。比较图5 8 中的( a ) 、( b ) 两图可以看出，两种流道在截面i 处的压力变化趋势基本相同，在推力面和啮合 区处为高压区，在拖曳面处为低压区。因为截面i 的位置处于常规螺纹元件流道 处，因此流遭中的压力分布使物料沿”m ”形流道运动。但在反向开槽元件流道中， 不同压力区间的压差要小于在捏合盘元件流道中不同压力区间的压差，因此物料 在反向开槽元件流道中的流动会较为缓慢。另外，捏合盘元件组合流道的高、低 压区的压力都分别高于反向开槽螺纹元件组合流道的高、低压区的压力。这主要 j 匕京化工大学司【士研宪生学位荫 x 是由于两种组合元件有以下不同：虽然两种组合元件在上游段都是相互啮合的， 但在开槽反向螺纹元件的的下游段，浅开槽螺纹元件与机筒间的间隙要大于常规 螺纹元件与机筒的间隙；而在捏合盘元件组合流道的下游段，捏合盘元件与机筒 间的间隙与常规螺纹元件与杌筒的间隙相当。鉴于此因，物料在反向啮合开槽元 件组合流道中的流动会变慢。 ( a ) 常规螺纹+ 开槽反向螺纹 b ) 常规螺纹+ 捏合盘 图5 - 8 两种组合流道l 截面处的压力分布云图 图5 - 9 为两种组合流道i t 截面处的乐力分布云图，截面i t 是两种组合元件的连 接处。比较图5 - 9 中的( a ) 、( b ) 两图可以看出，压力在捏合盘元件组合流道内的变 化要比存开槽反向螺纹元件组合流道内的变化复杂，而月布此截面内的不同压力 区间的压差也要大于其在开槽反向螺纹元件组合流道内的压差。压差较小，物料 的流动比较缓慢，在流道内的停留时间会较长；压茅较大，物料流动则比较迅速， 在流道内会停留较短的时间。因此从中可以得出，物料在开槽反向螺纹元件组合 流道内的停留时间要长于其在捏合盘元件组合流道内的停留时间，因此物料在开 槽反向螺纹元件组合流道内能受到更充分的混合。 5 7 j 匕宗他工大学硕士研究生掣，位戗 文 ( a ) 常规螺纹+ 开槽反向螺纹( b ) 常规螺纹+ 捏合盘 图5 - 9 两种组合流道i i 截面处的压力分布云图 图5 1 0 为两种组合流道截面处的压力分布云图。由图5 - 1 0 可以看出，物料 在通过开槽反向螺纹元件螺棱处沟槽时压力变化较大。开槽处的压力逐渐升高， 说明物料在此处反向流动。螺槽中的压力下降表明，物料在螺槽中沿挤出方向向 前输送。这样在螺棱上的每段槽的周围就会形成循环流动，物料会受到较大的挤 压和剪切。 ( a ) 常规螺纹+ 开槽反向螺纹o ) 常规螺纹+ 捏合盘 图5 1 0 两种组合流道m 截面处的压力分布云图 图5 一1 1 是两种组合流道沿轴向的压力曲线图。从图中可以看到，在常规螺 纹段的流道中，左、右流道的压力变化趋势基本相同，物料在通过螺棱处压力变 j l ：京化工大掌硕士研究生学位论文 图5 一1 1 是两种组合流道沿轴向的压力曲线图。从图中可以看到，在常规螺 纹段的流道中，左、右流道的压力变化趋势基本相同，物料在通过螺棱处压力变 化较快，螺槽处的压力逐渐降低。在非常规螺纹段，压力变化趋势变缓。比较两 图发现，在相同位置处，捏合盘元件组合流道中的压力要大于反向开槽螺纹元件 组合流道中的压力。在反向开槽螺纹段内压力变化比较缓和，在捏合盘流道内两 端压差则较大。 ? _ 。、丽 卜左流道2 一右流道 ( a ) 反向开槽螺纹元件组合流道压力分布( b ) 捏台盘元件组合流道压力分布 图5 0 ! l 组合流道压力曲线 5 2 4 组合流道中的速度场 图5 1 2 是开槽反向螺纹元件组合流道和捏合盘元件组合流道的速度分布图。 由图可以很明显地看出，两种组合流道中的速度分布非常有规律。螺棱顶部表面 及捏合盘表面为高速区，螺槽、螺旋槽根部及捏合盘底部为低速区。 ( a ) 常规螺纹+ 开槽反向螺纹( b ) 常规螺纹+ 捏合盘 图5 - 1 2 两种组台元件总体速度分布图 图5 一1 3 为两种组合流道在截面i 处的速度场。图中不同的颜色代表不同的速 度值，其中靠近机筒壁面处物料速度为零，满足壁面无滑移条件。从图中还可以 看出，物料在此处是往前输送的，无明显的回流现象。但物料在捏合盘元件组合 流道中的速度要大于在开槽反向螺纹元件组合流道中的速度。这主要是由于开槽 反向螺纹元件中的螺纹元件的反向输送所致。 ( a ) 常规螺纹+ 开槽反向螺纹( ”常规螺纹+ 捏合盘 图5 - 1 3 两种组合流道1 截面处的速度场 北素化工大学硕士研兜生学位论文 图5 1 4 为两种组合流道存i 截面处的速度矢量图。从i 玺i 中不仅可以看到物料 在截面处的速度分布，而且能直观地观察到物料在此截面处的运动状态。物料在 媒槽内随着媒杆的转动沿逆时针方向运动，儿乎没有物料的交换，而在啮合区物 料间的交换较多。 ( a ) 常规螺纹+ 开槽反向螺纹 ( b ) 常规螺纹+ 捏合盘 图5 - 1 4 两种组合流道i 截面处的速度矢量图 为了能更清楚地描述物料在流道中的流动过程，应该对整个流道中物料运动 的轴向速度分布加以分析。如果轴向速度为正，表明物料沿挤出方向向前输送， 轴向速度为负，表明物料被反向输送。 图5 1 5 为两种组合流道在截面i i 处的轴向速度分布。此位置正是组合流道两 种不同构型流道组合的交界处，因此分析此处的轴向速度有助于了解物料在整个 流道中的流动状态。 6 1 j t ，霎 ! ? l 一 r 霎若j 薏一基黛鐾 璺烈篓影曾剥雪彩翻銎影；鬟影墅孬茎；曼引剥慝嘲倒谨噶灌蕊蕈鲤霎独型 灌礤哩。嶝牌巨! 圆崎漓二明昨地朝囊岿“鄂霉匝螺。纹元件酶i 绸否涌猜酾鞋 篙错譬祭差筵晕i 昝斟争鬣砬囊蓊复底婴邑型莹；量鳢墅甬两涮：君翁昼臻登珏 鹱斟；掣营鳓骘枷蕊语雀出璎蝎毽礤隧i 拱馥壁鲫融我剖蔷量矗裂霉圳；南 辫愁娥霉蟹肾二讯= 宴l 撙情国辅滗l ；一湾袋摩爵焉并轴肯篱茹嚣型红弛矗魏 醺“。臻偻增浑趋狸臣鼋帚誊烈 x ：i 匕京化工大掌硕士研囊：生掌位 曾文 轴向距离m 图5 1 6 常规螺纹元件加开槽反向螺纹元件组合流道总体速度分布图 轴f 再距囊皿 图5 1 7 常规螺纹元件加捏合盘元件组合流道总体速度分布图 图5 一1 8 和图5 一1 9 分别显示为物料粒子在两个流道中运动的轨迹。图中轨迹 颜色的变化表明粒子在行进中具有不同的速度。从粒子的运动轨迹可以看出物料 在两个流道中运动趋势，即都是沿一根螺杆螺旋的运动到另一根螺杆，从而是物 料在运动过程中能够得到充分的混合。 j 匕，c 他工大学硕士研竞生挚位蚀? 文 、 汆 龋 霹 权 ； 耀 b 耘 轴向厦矗m 辅向距_ m ( a ) 常规螺纹+ 开槽反向螺纹( b ) 常规螺纹+ 捏合盘元件 冈5 - 2 3 两种组合流道左流道剪切速率分布 图5 2 4 为两种组合流道截面的剪切速率分布云图。从两图中可以看出，捏 合盘元件流道内的剪切速率分布比开槽反向螺纹元件流道内的剪切速率分布要均 匀一些。但在捏合盘元件组合流道中的剪切速率大于在丌槽反向螺纹元件流道中 的剪切速率。而在开槽反向螺纹元件中螺棱处的剪切速率要明显大于在其他位置 处的剪切速率。 ( 8 ) 常规螺纹+ 开槽反向螺纹 ( b ) 常规螺纹+ 捏合盘 图5 - 2 4 两种组合流道截面的剪切速率云图 5 2 7 两种组合流道的剪切应力场 研 ：i 匕京化工大掌硕士研究生掌位论文 图5 2 5 为两种组合流道的剪切应力场。从图中可以看出，两流道的剪切应力 场分布与各自对应的剪切速率场分布趋势相同。 在常规螺纹段，螺棱顶部物料所受的剪切应力比较大，螺槽根部物料受到的 剪切应力较小。从螺棱顶部到螺槽根部物料所受的剪切应力依次由大到小，剪切 应力按照螺棱螺槽的交替分布而有规律的分布。在反向开槽螺纹元件流道中，剪 切应力最大值也是出现在螺棱顶部，但由于存在浅槽，浅槽中的物料受到的剪切 应力大小界于螺棱顶部和螺槽根部之间。在捏合盘元件组合流道中的剪切应力要 大于反向啮合开槽元件组合流道内的剪切应力。 盂 蠢 捌 矗 豁 盂 衰 避 s 舞 轴向距离m轴向距膏m ( a ) 常规螺纹+ 开槽反向蠛纹 ( b ) 常规螺纹+ 捏合盘 图5 - 2 5 两种组合流道左流道剪切应力分布图 5 2 8 两种螺杆构型输送能力的比较 由于在模拟计算时，两种流道施加的都是相同的流量边界，因此可以通过流 道两端压差a p 来判断两种流道输送能力的大小。图5 2 6 所示的是两种流道沿挤出 方向的压力变化，从图中可以看出，流道中压力从入口到出口沿着挤出方向逐渐 减小，即a p 小于零，因此压力流为正流。在流量相同的情况下，压力流越大，其 输送能力越小。从而可以说明，带开槽反向螺纹元件的螺杆构型的输送能力要强 于带捏合盘螺纹元件的螺杆构型。这是因为带开槽的反向螺纹元件，其中的浅槽 是具有正向输送能力，且为三头，因此其输送能力较强；而捏合盘元件其错列角 为4 5 。，相邻捏合盘问周向间隙较大，其输送能力较弱。 j l ：京化工大学硕士研究生掌位论文 2 2 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 1 8 0 0 0 0 逞1 6 0 0 0 0 收 出1 4 0 0 0 0 1 2 0 0 0 0 i 0 0 0 0 0 8 0 0 0 0 ，2 7 、 o5 01 0 01 b 0 2 0 0 蠕轩转遵( r ) l - 常规螺纹+ 开槽反向螺纹 2 常规螺纹+ 捏合盘 图5 2 8 螺杆转速与输送能力的关系 从图中可以看出，在转速较低情况下，随着转速的提高，物料在常规螺纹加开 槽反向螺纹元件组合流道中的回流量降低。这是因为在转速较低的情况下，浆料 在该流道中的流动可能属于层流，转速提高使其输送能力增强。随着螺杆转速的 提高，物料逐渐发展为湍流，并且物料涡流流动明显，因此回流量相应增大。在 常规螺纹加捏合盘元件组合流道中，随着螵杆转速的提高，回流量随之增大。另 外，由于浆料流动属于湍流流动，其流动比较复杂，也可能会存在其他的影响因 素。虽然回流量随螺杆转速的提高有上升的趋势，但其占整个流量的比例很小， 不会对螺杆的输送能力造成很大影响，反而由于回流量的增大使其混合能力增强。 5 2 ”螺杆转速对两种组合流道加权平均剪切应力的影响 图5 - 2 9 为螺杆转速对两种组合漉道加权平均剪切应力的影响。从图中可以看 出，随着螺杆转速的增大，两种组合流道的加权平均剪切应力也相应的增大，分 散混合能力增强。这是由于螺杆转速增大，流道中的速度梯度增大，剪切速率增 大的缘故。 伯 幻 o j 匕京化工大掌硕士研究生掌位论文 ： e r 翅 s 铋 嚣 * 鄹 异 。，- - ? - ， 一一 05 01 0 0 1 5 02 0 0 螺杆转速( r r 洫) + 开檀反向螺纹蛆台汽遵 一捏合盎组合流道 图5 2 9 为两种组合流道加权平均剪切应力与螺杆转速的关系 图中上曲线为开槽反向螺纹元件组合流道内加权平均剪切应力与螺杆转速的 关系；下曲线为捏合盘元件组合流道内加权平均剪切应力与螺杆转速的关系。 本章对双螺杆磨浆机中两种不同的组合流道进行了流场分析，得到了压力场 和速度场，并且通过后处理得到了两种流道的压力分布、轴向速度分布、剪切速 率分布、剪切粘度分布和剪切应力分布，在此基础上对两流道的模拟结果进行了 一些比较，分析了各流道的输送特性和混合能力。根据上述模拟结果，通过分析 得到如下结论： ( 1 ) 因为存在反螺纹上开有螺旋槽，因此物料在开槽反向螺纹元件组合流道内 的流动要比在捏合盘元件组合流道内的流动复杂一些。并且物料在每段槽的周围 存在局部循环流动，因此能提高物料的分布混合能力。 ( z ) 开槽反向螺纹元件组合流道延长了物料在磨浆机中的停留时间，因此能使 得物料得到充分的混合。 ( 3 ) 由于开有螺旋槽，开槽反向螺纹元件组合流道的加权平均剪切应力要低于 捏合盘元件组合流道中的加权平均剪切应力。 ( 4 ) 在相同螺杆转速条件下，常规螺纹加开槽反向螺纹元件的输送能力要高于 常规螺纹加捏合盘元件的输送能力。 0 0 0 o 0 o 0 0 o 0 0 湖娜垂删咖黜跏哪啪姗坳 ：l 匕京化工大掌硕士研究生掌位论文 ( 5 ) 随着螺杆转速的提高，两种螺杆构型所对应流道的回流量呈上升趋势，但 由于回流量与流量相比相对较小，因而螺杆转速的提高对螺杆的输送能力影响较 小。 ( 6 ) 随着螺杆转速的提高，两组合流道加权平均剪切应力也相应提高。 二l 匕京化工大掌硕士研究生学位论文 第六章结论 6 1 本课题研究的主要结论 为了研究浆料在双螺杆磨浆机中的流动状态，本文对反向开槽螺纹元件组合 流道和捏合盘元件组合流道中的流场进行了模拟计算，并对这两种组合流道的模 拟结果进行了分析比较。由于反向开槽螺纹元件具有与螺旋反向螺旋槽的存在， 使得反向开槽螺纹元件组合流道中的压力场、速度场、粘度场的分布比捏合盘元 件组合流道中的复杂得多。 在相同压差和转速条件下，反向开槽螺纹元件组合流道的输送特性要略高于 捏合盘元件组合流道的输送特性，但其加权平均剪切应力要低于捏合盘元件组合 流道中的加权平均剪切应力。 由两种组合流道求解得出的速度分布和压力场可知，正向螺纹对物料有定向 的挤压和输送作用，纤维状物料在正向螺纹段受到较大的挤压与剪切，有利于纤 维的散裂和帚化。 在速度场和压力场的基础上，得出了剪切速率及剪切应力的模拟计算结果。 结果表明，在正向输送过程中，纤维轴向受到较大的挤压，有利于纤维物料在纤 维轴向产生裂纹，强化了纤维的分离作用。物料在通过反向开槽螺纹及捏合盘时， 也会受到挤压，并且使物料更加匀整化。 通过本课题的分析可知，常规螺纹元件加捏合盘元件的组合构型的剪切能力 要丈于常规螺纹元件加开槽反向螺纹元件的构型的剪切能力。因此，可以在双螺 杆磨浆机的喂料段可安装捏合盘元件的组合，这样就能使浆料受到更多的挤压和 磨解，不仅提高了磨浆质量，而且还优化了螺杆组合，减少浆料磨解段的数量， 使机器可以向小型化发展。 6 2 本课题的主要贡献 虽然上世纪9 0 年代一些西方国家已将双螺杆磨浆机用于工业化生产，国内 也有部分厂家已引入了双螺杆磨浆机整套的生产设备。但是国内目前还没有学者 对浆料在双螺杆磨浆机中的流动状态进行分析，因此也就没有对双螺杆磨浆机中 j 匕京化工大学硕士研究生学位论文 螺杆元件进行流场分析的报道。 本文应用啮合同向双螺杆几何学设计出了应用于双螺杆磨浆机中的反向开 槽螺纹元件及捏合盘组合元件，并通过对组合流道的流场所进行的数值模拟，分 析了浆料在流道中的流动状态及其所受到的混合及剪切作用。研究成果为以后双 螺杆磨浆机的研究应用提供些可靠的理论依据，使其尽早地用于我国造纸行业 中。 6 3 展望 日前双螺杆磨浆机的设计主要是采用类比法，主要是参考法国c l e x t r a l 公司 等有关产品以及借鉴塑料工业中双螺杆挤出机。双螺杆磨浆机的生产能力、驱动 功率、结构尺寸等很难进行理论计算，设计中只能通过类比或实验确定其参数。 另外双螺杆磨浆机反向螺旋槽的结构及参数、正向螺旋的螺旋角、螺距等都需 要进一步优化。对于不同制浆原料和不同制浆原料的处理方法，双螺杆磨浆机的 主要结构参数都应与之相适应，以便在保证制浆质量的前提下，尽可能以较低的 能耗提高磨浆效率，降低生产成本。 我国双螺杆磨浆机的研究刚刚起步，因此，应该结合国情，加大双螺杆磨 浆机的研究和推广使用的力度，使这种先进的磨浆设备及其生产工艺发挥其应有 的作用。 ：i 匕京化工大掌硕j 开究生掌位论文 【1 】刘长恩，岳金权。 2 0 0 2 一1 0 2 【2 】刘长恩，朱孝生， 1 9 8 8 9 一1 6 参考文献 种化学机械制浆方法及设备。中国专利，9 9 1 2 0 9 2 4 。 王晋华等。双螺旋式磨浆机。中国专利，9 7 2 1 4 18 8 。 3 】p i r r eb e r g e r , c h r i s t i a nd ec h o u d e n s ，e ta 1 m e t h o da n da p p a r a t u sf o rg r i n d i n g c h i p si n t op a p e rp u l p u s 4 0 8 8 5 2 5 1 9 7 8 5 9 4 1 4 刘长恩，岳金权辊式多功能磨浆机结构及其磨浆机理【j 】_ 中华纸业，2 0 0 0 ， 2 1 ( 1 0 、：2 5 【5 刘长恩，岳金权双螺旋辊式新型磨浆机及其应用 f 1 中国造纸，2 0 0 0 ( 6 ) ：2 1 6 】王平，沈晓阳双螺杆磨浆机正向螺旋的设计研究m 轻工机械，2 0 0