对水力式流浆箱湍流发生器的仿真研究

1、技术2009进步TEchnology8A study on simulation of turbulence gen-erator in hydraulic headbox HOU Shun-li, CUI Sha-sha (Shannxi University of Science and Technology, Xian 710021, Shannxi, China)对水力式流浆箱湍流发生器的仿真研究 侯顺利 崔沙沙（陕西科技大学,西安 710021）随着国内中高速纸机的不断增加，水力式流浆箱的使用也越来越普遍。国内已经能够生产水力式流浆箱，但其核心部件湍流发生器主要还是依赖进口。虽然国内

2、的个别企业也在生产湍流发生器，但是由于缺乏这方面的研究，尚处于模仿阶段。流浆箱内的浆料浓度一般在0.1%1.0%，在这种浓度条件下,纤维有明显的絮聚成团倾向1。为了使纤维分散并防止絮聚，以提高成纸的匀度，浆流需要适当的湍动。湍动是由湍流发生器产生的，但是如果浆流在湍流发生器出口处的流速和压力分布严重不均匀的话，会造成整体浆流的不稳定，甚至产侯顺利，副教授，主要从事制浆造纸设备方面的教学与研究。生较大的横向流动，同样会影响成纸的均匀性。本文对纸浆在湍流发生器中的流动状态进行仿真研究，并着重研究了湍流发生器出口处的速度分布和压力分布状况，以便对湍流发生器的设计参数进行优化。提要：湍流发生器是水力式

3、流浆箱的关键部件，起匀整浆流的作用。通过用Fluent流体仿真软件模拟了浆料在组合型湍流发生器中的流动状态，结果显示方管长度与当量直径之比的最优值约为6.5。关键词：湍流发生器；水力式流浆箱；Fluent仿真Abstract: Turbulence generator which can make furnish flow uniform is a key part in hydraulic headbox. States of furnish flow in combined turbulence generator were simulated by Fluent. The result

4、showed that the optimal ratio of length to equivalent diameter of rectangular pipe is about 6.5.Key words: turbulence generator; hydraulic headbox; Fluent中图分类号:TS734+.2文献标志码:B文章编号:1007-9211(2009)23-0072-041湍流发生器的结构原理湍流发生器是一种高效的浆流匀整元件，常由许多小管（湍流管）排列组合而成。使浆流通过较小的直径、较大的摩擦面积和较长的摩擦时间，以产生适当的高强微湍流，使浆流中的纤维分散

5、均匀，同时还要消除错流、横流、偏流和大的涡流，从而实现匀整浆流的目的。湍流管的形状有直管型、阶梯扩散型、渐进型（由圆管逐渐变成方管形）及组合管型（由小圆管、过渡管和方管组成）。直管型由于在其出口处浆流会产生较大的横向流动，故一般仅用作布浆元件。有研究表明2，在湍流发生器较短时阶梯扩散型结构优于渐进型结构,西安市科技计划资助项目编号：CXY08012(2)。󰀷2第30卷第23期 2009年12月2009技术7TEchnology进步而湍流发生器较长时渐进型结构却优于阶梯型结构。本文研究的对象是目前最常用的组合管型，它综合了阶梯形和渐进型的优点。组合管型湍流发生器的湍流管是由小圆管

6、、过渡管和方管组成。入口段的小圆管可使浆流产生较高的流速，使浆流处于较强烈的湍流状态，以分散纤维并防止纤维的絮聚。出口段为方形管，可以是正方形管、长方形管或六边形管，其作用是让从各湍流管流出的浆流在汇合时具有相同的流向和压力，并且避免较大的横向流动或涡流。中间段为由圆管逐渐变成方管的过渡管，在此段，浆流的速度大幅度降低，同时会产生较大的横向流动及涡流，该横向流动及涡流有待于在方管段予以消减。当浆料流经小圆管与过渡管的交汇处、过渡管与方管的交汇处时，都存在流向的改变，必然会引起较强烈的湍动。另外，湍流管出口截面上的浆流不仅应该具备足够强烈而尺度较小的微湍动，并且应该具有尽可能均匀的流速、流向和压

7、力分布。布不均匀4。参考相关资料中的数据，该面积比选3。长径比：按照多数资料推荐，圆管的长径比选4.5。由此计算得出圆管长度为90mm。过渡管长度：从文献3的研究可以看出，该段长度过短，湍流强度和尺度过大。该段过长则湍流强度下降较多，但在120mm到180mm之间湍流强度比较稳定。故过渡管长度选为120mm。方管截面尺寸：由于方管与圆管面积比为3,圆管直径为20mm，则方管截面积为94.2m2。取方管截面的长为40mm、宽为24mm，则当量直径为30mm。方管长度:初步确定方管的长径比为5，按当量直径30mm计算，则长度为150mm。Fluent前置软件GAMBIT可以完成比较简单的模型建立。

8、由于我们的模型结构相对比较简单，流体在湍流发生器内充满的状态与湍流发生器外部结构相同，因此运用Fluent的前置软件Gambit，按照以上选定的尺寸参数建模，如图1所示。2.2网格的生成由于所生成模型的结构分为圆管、过渡管和方管三部分，因此采用混合型网格划分，即对方管部分采用六面体结构网格，对于过渡管和圆管采用非结构六面体网格。网格数量定为30个/cm3，选择Fluent5/6解算器进行网格划分，然后保存为Mesh文件。2.3选择计算模型由于浆流为不可压缩流体，所以选择Fluent提供的非耦合基本求解器。选择Fluent提供的Mixture多相流模型，它是一种简化的多相流模型，用于模拟各相有不

9、同速度的多相流，它假定了在短空间尺度上局部的平衡，相之间的耦合很强。湍流模型选择k-方程，主要常量为：C1=1.44,C2=1.92,C=0.09,k=1.0,=1.3。2.4定义流体的物理性质2计算机仿真方法与过程本次研究采用Fluent流体仿真软件，它是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的计算机程序。它提供了完全的网格灵活性，可以使用非结构网格，例如二维三角形或四边形网格、三维四面体/六面体/金字塔形网格来解决具有复杂外形的流动，甚至可以用混合型非结构网格3。2.1实体模型的建立为了便于湍流管的布置与排列，采用出口为长方形的湍流管。先初步确定湍流管的尺寸参数，经过计算机仿真后再进行优

10、化。入口速度：入口速度越大,湍流度越强,纤维分布越好2。但是需要更高的进浆压力和能耗。参考工厂实际流速，并结合文献3中的研究数据，选7m/s。进口圆管直径：圆管直径越小，产生的湍流越强，分散纤维的效果也越好。但是过小的管径容易堵塞，造成操作上的障碍。目前工厂的实际数据多在1525mm之间，选20mm。方管与圆管的面积比：即过渡管两端面积之比，过渡管相当于渐扩型湍流管。该面积比越大, 内部流场的湍流强度波动越明显,但同时出口截面的流速变小,且分图1 组合型湍流管模型Dec., 2009 Vol.30, No.23 China Pulp & Paper Industry󰀷3

11、技术2009进步TEchnology8图2 方管长度为150mm时的出口速度分布图3 方管长度为150mm时的出口压力分布图4 方管长度为195mm出口速度分布Fluent求解器的数据库中自带了一般物质的物理参数，但浆流的物理参数需要自己创建。纸浆悬浮液属于两相混合流，其中纤维相是稀相，两相完全混合，两相的平均速度可以认为不存在差异。选择液态水并保持其他参数的默认值，再根据浆料的特性新建一种材料,密度为980kg/m3。在相位里选择混合物中两种物质的属性,把第一个Phase选择为水，第二个Phase选择为新建材料。2.5边界条件边界条件主要有进出口边界和固壁边界。进口边界选择速度进口(velo

12、city inlet)，进口速度为7m/s。出口边界条件选择出流(Outflow)边界，用以研究出口处流体各个参数情况。各固体壁面都采用无滑移壁面边界条件，其中螺旋区设置移动壁面，但是相对于邻近流体区域的移动速度还是零。其他固体壁面都设置成静止壁面。2.6求解求解方法选择两相混合流连续方程和纸浆悬浮液的两相混合流动量方程，按上述设置进行初始化并保存后就可以进行迭代。迭代次数选1000次，迭代计算精度为10-6。方管的长度，以模拟其内部浆流的流动形态对其出口速度分布和压力分布的影响，模拟的结果数据见表1。从表1可以看出，当方管长度为200mm时，其出口截面上内外速差最大，即速度分布最不均匀。当方

13、管长度为250mm时，其出口截面上内外压力差最大，即压力分布最不均匀。当方管长度为195mm时，其出口截面上内外速差最小，同时压力差也最小，并且外围流环最薄，即速度和压力分布最均匀，这是相对理想的方管长度，相应长径比为6.50。方管长度为195mm时的仿真结果如图4和图5，方管长度为200mm时的仿真结果如图6和图7。根据以上结果可以看出，并非方管越长，浆流在其出口的速度和压力分布就越均一。这是因为，方管内的浆料流速和压力的分布状况主要受两种因素的影响，一是浆流进入方管时的最初状态，二是方管内壁对浆流的作用。随着浆流在方管中的流动，前者对浆流的影响逐渐减弱，而后者对浆流的影响逐步增大。从过渡管

14、流入方管的浆流速度和方向在整个截面上是不一致的，即中心部位的流速高，而且方向与方管中心线平行，而表1 圆管直径为20mm时方管长度对湍流管出口速度和压力变化的影响3仿真结果及分析按照以上设定参数进行计算机仿真，结果如图2和图3所示。由图2可以看出，中心圆形区域明显比外围的浆速要高，速差为0.64m/s。由图3可以看出，中心圆形区域浆流压力也明显较大，压力差为1.27kPa。这显然不是理想的速度及压力分布状态。为此，通过不断改变󰀷4第30卷第23期 2009年12月2009技术7TEchnology进步图5 方管长度为195mm出口压力分布图6 方管长度为200mm出口速度分布图

15、7 方管长度为200mm出口压力分布外围的浆流速度低，且流向与方管中心线有一个夹角，在流入方管的一瞬间受到方管内壁的作用力而转向，转向是按入射角等于反射角的原理进行。随后又受到中心主流浆流的挤压反射作用，如此波浪式前进，同时由于受到主流浆流和方管内壁相反方向的摩擦而作涡旋运动。随着流动的进行，主流部分的能量不断传递给外围浆流，使外围浆流的速度不断提高，方向也逐渐与方管中心线趋于平行。但与此同时由于外围浆流与方管内壁的摩擦力也逐步增大，不断消耗其能量，其结果是当达到某一平衡点后，截面上的浆流速度差又被拉大。所以随着方管的加长，出口横截面上速差和压力差的变化不是单调的，而是波浪式的，如200mm和

16、195mm管长差别不大，而速差却发生了巨大变化。为了进一步验证以上仿真的结果以及对其机理的分析，将圆管直径调整为22mm，入口流速、圆管长径比、方管与圆管的面积比保持不变。则方管截面尺寸为长44mm、宽26mm，当量直径32.6mm。经过选择不同表2 圆管直径为22mm时方管长度对湍流管出口速度的方管长度进行多次模拟，结果见表2。可以看出，当方管长度为210mm时，出口横截面上的速差和压力差最小，且外围流环最薄，即速度和压力分布最均匀。此时相应的长径比为6.44，与前面模拟的最优值6.5非常接近。4结论并非出4.1对于出口为长方形的组合型湍流发生器，口方管越长，出口截面上浆流的速度和压力分布就越均匀，而是有最佳值存在。方管4.2当组合型湍流发生器的圆管段长径比为4.5，与圆管的面积比为3，圆管的入口速度为7m/s时，方管长度与当量直径之比的最优值约为6.5。参考文献1刘建安,陈克复.高速纸机流浆箱的设计与发展J.华南理工大学学报(自然科学版),2002,30(6):76-80.2肖宗亮,杨健,林思达,等.流浆箱喷嘴及湍动发生器的内流场数值模拟J.中国造纸学报,2005,20(1):185-189.3张兆顺,崔桂香,许春晓.湍流理论与模拟M北京：