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基于CFD的现代造纸机布浆技术与布浆器的研究

刘伟  
【摘要】:随着经济的飞速发展,我国的造纸工业迎来了巨大的发展机遇,但同时也对制浆造纸装备提出了新的和更高的要求。现代造纸机技术集中,技术含量高且发展速度快,而方锥管布浆器是决定布浆性能的关键部件之一。本文从流体力学的角度出发,深入研究浆料流动力学特性,采用计算流体动力学(CFD)技术结合实验研究方法研究浆料在方锥管布浆器中的流动特性与布浆器的结构优化设计,为现代造纸机的布浆技术与布浆器的研发和工程应用提供有意义的理论依据。 浆料悬浮液是复杂的固、液、气三相分散体系,但对于低浓浆料,流动特性主要取决于纤维与水,并且与水相近。由于水力流浆箱中的浆料浓度高于临界浓度,纤维会交织形成网络,其强度主要取决于浆料的浓度。对于浓度较低、速度较慢及湍动程度低的浆料,容易形成纤维絮聚团。纤维网络絮聚的分散取主要取决于所受剪切力的大小。浆料的湍动即可以有效的分散纤维网络絮聚,又会为纤维碰撞形成絮聚提供动力。 由于方锥管布浆器的结构特征,浆料的流动会产生摩擦压头损失、分岔压头损失和收缩压头损失。对流动压头损失的不同考虑,产生了不同的方锥总管的设计方法,主要有不考虑流动损失的简化设计法,仅考虑摩擦压头损失的Baines方程设计法,同时考虑摩擦压头损失和分岔压头损失的设计法等。这些设计方法在推导过程中,都进行了一些假设和简化处理,因此,均存在不同程度的误差和缺陷,影响了布浆器布浆性能。 在方锥管布浆器的设计中,Baines方程设计法最为常用,由于制造的原因,常用直线代替总管后壁的曲线,但总管长度、过渡管长度及总管进口流向等设计参数对流动特性的影响很明显。采用计算流体动力学(CFD)的方法分析了设计参数对简化方锥总管内流动特性的影响。随着管长的增加,总管内压力分布和支管束质量流量分布的均匀性明显变差。过渡管长度增加,使得总管入口的流动稳定性更好,总管内压力分布和支管束质量流量分布有一定改善。沿后壁流入总管明显要好于沿前壁流入。进一步对基于Baines方程及其衍生设计方法设计的总管内浆料流动特性进行研究发现,分段近似型和改进型总管高度明显大于简化型总管的高度,浆料通过时,产生的压力分布和支管束质量流量分布的不均匀性,与简化型总管相比增强,偏差增大。在简化型、分段近似型和改进型三种总管结构中,简化型方锥总管的后壁形状更接近于方锥总管的期望形状。为了探究方锥布浆总管的合理形状,采用数据集成、过程集成的CAD/CFD一体化的结构优化设计方法,以控制支管束各支管质量流量偏差为目标,对简化型方锥总管进行了结构优化设计,显著改善了布浆总管内的速度分布和压力分布,支管束各支管对应的总管内位置的压力值较为接近,支管束质量流量分布围绕期望值线仅有微幅波动,非常接近期望值,偏差均小于1%。对简化型总管和优化后的总管进行对比可知,其后壁形状虽与优化前的直线型较为接近,但是,在大端进口和回流口附近差别较大,因此是一条更为复杂的曲线。根据优化结果,对总管后壁曲线进行了拟合,得到了曲线方程表达式。 充分利用方锥管布浆器布浆不均匀的特性,提出互补式布浆方式,使两个相同的方锥总管的支管束的对应支管的质量流量形成一大一小的方式,在混合室内进行充分的混合平均。研究了互补式布浆机理,建立了布浆数学模型,分析了互补式布浆方法的实现方式。该种布浆方式的另一个优点是两个布浆总管可使用简化设计型结构的总管。设计一种新型布浆器,把两个结构完全相同的简化方锥布浆总管对称地上下叠放在一起,互不相通,进口浆料相向流动,回流端浆料反向流出,依靠浆料在混合室内的充分混合,实现两个布浆总管对应支管的浆料进行互补平均,使浆料分布均匀。 采用数值分析的方法,建立了数学模型和边界条件,对新型布浆器内浆料的流动特性进行了研究。两个方锥总管内的浆料经由支管束喷射进入混合室后,平行射流组及上下对应支管射流均可产生充分的相互干涉混合,尤其上下对应的支管内浆料可形成有效地互补平均,使混合室出口的质量流量分布更加均匀,质量流量偏差更小,明显优于方锥管布浆器的布浆性能,更接近于期望值。实验表明,互补式布浆机理分析及数值计算结果与实验结果相吻合。


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