王佳輝　王　平

(天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,天津,300222)

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可視化技術(shù)在盤磨機(jī)磨漿機(jī)理研究中的應(yīng)用

王佳輝王平

(天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,天津,300222)

摘要：盤磨機(jī)是目前廣泛使用的磨漿設(shè)備,但存在能耗大、容易堵塞等問題,從根本上完善和解決這些問題需要加強(qiáng)對磨漿機(jī)理的研究?？梢暬夹g(shù)作為一種可以用于研究磨漿動(dòng)態(tài)過程的高新技術(shù)，本文歸納總結(jié)了可視化技術(shù)原理、技術(shù)進(jìn)展與趨勢以及在盤磨機(jī)磨漿機(jī)理研究中的應(yīng)用,對改進(jìn)現(xiàn)有的磨漿技術(shù)和促進(jìn)可視化技術(shù)手段推廣應(yīng)用具有一定意義。

關(guān)鍵詞：盤磨機(jī)；磨漿機(jī)理；可視化

磨漿是制漿造紙工藝中重要的環(huán)節(jié),通過對紙漿懸浮液的機(jī)械處理,使纖維獲得一定的性能。至今,還沒有一個(gè)完全令人滿意的磨漿理論,這可能與磨漿過程復(fù)雜、相關(guān)變量多和無法直接觀測等原因有關(guān)。為了研究磨漿過程,觀察漿料的運(yùn)動(dòng),獲得某些參數(shù)(如壓力、速度等)，借助某些技術(shù)或手段將流體運(yùn)動(dòng)變?yōu)椤翱梢姟?這就是流體可視化技術(shù),借助可視化技術(shù)能直觀地了解磨漿區(qū)漿料的流動(dòng)情況。

1流體可視化技術(shù)

早在1883年雷諾在水平圓管內(nèi)水中注染料,證實(shí)了從層流向紊流遷移,這就是早期的流動(dòng)可視化技術(shù)[1]。自從1932年采用可視化技術(shù)研究泵的內(nèi)部流動(dòng)以來,可視化技術(shù)在流體機(jī)械上已經(jīng)取得了一定成果[2],進(jìn)入2000年后,得益于實(shí)驗(yàn)技術(shù)和計(jì)算機(jī)設(shè)備的高速發(fā)展,流動(dòng)可視化技術(shù)得到了快速地發(fā)展,出現(xiàn)了很多將流體可視化的具體技術(shù)與手段。流體可視化的數(shù)據(jù)來源主要有兩個(gè),一是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的結(jié)果,二是實(shí)驗(yàn)[3]。流體可視化技術(shù)作為一種研究流體運(yùn)動(dòng)的技術(shù)和手段,雖然大部分方法不能定量測量,但卻能幫助人們了解到流動(dòng)全貌以及流動(dòng)過程的細(xì)節(jié)[4]。

1.1實(shí)驗(yàn)可視化技術(shù)

早期,人們所能采用的可視化技術(shù)只能借助于實(shí)驗(yàn)的方法,將它統(tǒng)稱為實(shí)驗(yàn)可視化技術(shù)。實(shí)驗(yàn)可視化技術(shù)也被稱為流動(dòng)顯示技術(shù),由于流體一般很難直接用肉眼觀察到流動(dòng)特點(diǎn),為了能直觀、形象地觀測到流體的流動(dòng)狀態(tài),就需要利用某種實(shí)驗(yàn)手段使流體流動(dòng)特點(diǎn)變得明顯。早期的實(shí)驗(yàn)可視化技術(shù)通常利用添加外部介質(zhì)和能量的方法(如示蹤法、流絲法、表面流跡法等)使流場顯示流線或其他特征,但該方式對流場的干撓很大,后來出現(xiàn)了基于光學(xué)技術(shù)的高速攝影技術(shù)、全息照相和干涉技術(shù)等大大提高了實(shí)驗(yàn)可視化的效率和準(zhǔn)確性,大大促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)可視化的發(fā)展。實(shí)驗(yàn)可視化技術(shù)在流體研究中已逐漸發(fā)展為一種專門的技術(shù),有時(shí)候也當(dāng)作一種檢測手段來驗(yàn)證某些實(shí)驗(yàn)假設(shè)。

1.2數(shù)值計(jì)算可視化技術(shù)

與實(shí)驗(yàn)可視化技術(shù)相對應(yīng),科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)把數(shù)值模擬中涉及的大量數(shù)字信息轉(zhuǎn)變?yōu)閷α鲌鲋庇^分析和研究的可視化圖形或圖象,有效地加深對流場的流動(dòng)現(xiàn)象及規(guī)律認(rèn)識。數(shù)值計(jì)算可視化技術(shù)可以縮短研究周期,提高研究工作效率。

圖2　盤磨機(jī)透明磨室和定盤

1.3可視化研究的新發(fā)展

早期,流體可視化技術(shù)只限于穩(wěn)定和低速的流體,而且一般只能進(jìn)行定性的研究,隨著新型傳感器的出現(xiàn),可視化方法研究有了新的進(jìn)展,對于非穩(wěn)定流和高速流動(dòng)能定量的可視化研究已逐漸成為可能[5]。

(1)流動(dòng)跟隨技術(shù)：通過記錄流動(dòng)跟隨物在流場中的運(yùn)動(dòng)軌跡推測流型。流動(dòng)跟隨物一般是能夠自然懸浮的染色顆粒,對于特殊的不透明流體,跟隨物可采用能發(fā)射一定頻率的無線電波的小顆?；蛐〈判泽w。

(2)螢光法：用激光脈沖照射已經(jīng)混有感光變色顏料的流場中的某個(gè)區(qū)域或特定截面,使該處的螢光物質(zhì)變色發(fā)光,記錄螢光物質(zhì)的運(yùn)動(dòng),從而了解流場的流動(dòng)情況。

(3)數(shù)字PIV技術(shù)：粒子圖像測速(PIV)比較兩相鄰時(shí)刻示蹤粒子的位置,直接記錄粒子圖像,用處理相繼兩禎數(shù)字圖像取得速度向量,計(jì)算出示蹤粒子處的二維平均速度。通過足夠多的示蹤粒子,就能獲得全流場的速度分布[6]。與熱線熱膜測速儀(接觸式測量,對流場有較大的干擾)和激光多普勒測速儀相比,圖像測速技術(shù)和粒子跟蹤測速技術(shù)不再是單點(diǎn)測量技術(shù),己成為動(dòng)態(tài)速度場測量的主要手段。

1.4可視化技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)勢

由以上介紹可知，可視化從宏觀上分實(shí)驗(yàn)可視化和模擬可視化,與常用的計(jì)測儀器相比較,不只局限流體中特定一點(diǎn)的流動(dòng)狀態(tài),可以有效地掌握流動(dòng)現(xiàn)象的整個(gè)情況,減小使用計(jì)測儀器插入流體帶來的干擾。一般來說可視化技術(shù)幾乎不需要特別訓(xùn)練,方法使用簡便,多數(shù)情況靠肉眼觀察或者攝影等即可[7]。

2常用可視化技術(shù)在盤磨機(jī)磨漿機(jī)理研究中的具體應(yīng)用

目前,一般用兩種方式來解釋磨漿過程,一是從能量的角度,將能量作為最終輸出量,輸入量是其他因素(如盤磨機(jī)的操作參數(shù)),然后研究輸入量與輸出量的關(guān)系。另一種是從盤片結(jié)構(gòu)來考慮,研究磨漿前后纖維形態(tài)性能的變化,然后推斷磨片與磨漿性能之間的關(guān)系[8]。可視化技術(shù)在上述兩種方式研究磨漿過程中對了解磨漿機(jī)理很大的輔助,如果說前兩種方式是從本質(zhì)上探討磨漿作用機(jī)理的話,那么通過可視化技術(shù)觀察磨漿漿料運(yùn)動(dòng)則是從現(xiàn)象上來直觀獲得磨漿作用的基本規(guī)律。所以結(jié)合不同研究方法的技術(shù)特點(diǎn),就能比較準(zhǔn)確、全面地獲得對磨漿過程規(guī)律的了解。圖1為盤磨機(jī)磨漿可視化基本參考模型。

圖1　盤磨機(jī)磨漿可視化基本參考模型

2.1實(shí)驗(yàn)可視化

2.1.1透明磨室和磨片的應(yīng)用

哥倫比亞大學(xué)研制了實(shí)驗(yàn)型盤磨機(jī),采用透明材料制造了盤磨機(jī)定盤,并將磨室可開啟的一側(cè)改成透明視窗(如圖2所示),能觀察到75%左右的磨漿區(qū)域,可以直接通過實(shí)驗(yàn)觀察漿料的流動(dòng)情況并獲取某些流動(dòng)參數(shù)[9]。實(shí)驗(yàn)型盤磨機(jī)解決了一直以來磨漿的高溫高壓過程,一般很難直接用肉眼觀察磨室磨漿的情況。

2.1.2高速攝影裝置及技術(shù)

隨著CCD數(shù)字相機(jī)的發(fā)展,將圖像信號數(shù)字化,通過數(shù)字相機(jī)的跨幀技術(shù)(縮短兩幀圖像之間的曝光時(shí)間),實(shí)現(xiàn)了將PIV技術(shù)應(yīng)用于高速流場。采用高速攝像技術(shù)對磨漿過程進(jìn)行可視化研究,通過直觀的拍攝來獲得磨漿過程的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),經(jīng)過分析和處理,進(jìn)一步指導(dǎo)理論和實(shí)踐應(yīng)用,對研究磨漿過程、磨漿理論有重大的指導(dǎo)意義[10]。

圖6　高速攝影拍攝槽內(nèi)流動(dòng)

國外早在1970年就已經(jīng)開始了對磨漿過程進(jìn)行可視化研究,加拿大制漿造紙研究所和芬蘭坦佩雷理工大學(xué)運(yùn)用攝影技術(shù)和圖像處理分析手段研究高濃磨紙漿纖維的流動(dòng)。D.Atack等人[11-12]運(yùn)用高速攝影技術(shù)記錄單盤磨紙漿的流動(dòng)情況,觀察到只有50%～85%的磨片齒面被紙漿覆蓋。國外運(yùn)用可視化技術(shù)主要集中在對紙漿中纖維的流動(dòng)速度和方向、纖維在齒面的覆蓋率及漿料進(jìn)入磨區(qū)到出磨區(qū)停留時(shí)間的研究。

芬蘭坦佩雷大學(xué)的T.Alahautala等人[13]對磨漿進(jìn)行定量可視化研究。采用多脈沖頻閃儀、內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)、專業(yè)化的照明系統(tǒng)和CCD照相機(jī)，通過4個(gè)安裝在不同徑向位置(從破碎區(qū)到精磨區(qū))的探頭獲取數(shù)據(jù)信息,如圖3和4所示。根據(jù)得到的圖像,從圖像中確定紙漿流速、流動(dòng)方向、紙漿取向、百分比覆蓋面積與紙漿和纖維絮凝物的存在。

圖3　可視化系統(tǒng)的示意圖

圖4　探頭安裝位置示意圖

華南理工大學(xué)在高速攝像技術(shù)方面做得十分突出,2009年朱小林等人[14]自主設(shè)計(jì)了一套可用于研究磨漿過程的裝置(見圖5),采用了透明有機(jī)玻璃作為磨片,通過高速攝像機(jī)清楚地觀察到漿料的運(yùn)動(dòng),經(jīng)過圖片處理技術(shù)得到更為清晰清楚的數(shù)據(jù)[15]。

圖5　華南理工大學(xué)磨漿可視化裝置和實(shí)驗(yàn)圖

劉嘉等人[16]通過高速攝像技術(shù)對中濃磨片內(nèi)纖維變化情況進(jìn)行了完整的拍攝,得出不同轉(zhuǎn)速及磨片不同區(qū)域纖維團(tuán)運(yùn)動(dòng)狀況。D.Atack等人[17]通過高速攝像技術(shù)觀察了低濃磨漿時(shí)紙漿的分布狀態(tài)。Kwei-Nam Law等人[18]通過高速攝像技術(shù)對中高濃磨漿纖維的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了觀測。劉士亮等人[19]通過快速攝影技術(shù)研究低、中濃磨漿過程中磨漿作用規(guī)律及纖維形態(tài)變化的作用,進(jìn)而推斷不同濃度的磨漿作用機(jī)理及成漿性能。

2.1.3化學(xué)元素示蹤法

一些研究者結(jié)合示蹤粒子和高速攝影技術(shù),拍攝到磨室內(nèi)磨片槽內(nèi)的漿料流動(dòng)情況。圖6是利用高速攝影記錄漿料中示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡,觀察的顆粒(不同的顏色代表不同的顆粒)流動(dòng)方向[16,20]。

2.2數(shù)值計(jì)算可視化

2.2.1磨漿過程可視化理論

自1987年科學(xué)可視化提出以來,在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展,也稱為數(shù)值模擬領(lǐng)域的新方法[21]。關(guān)于流體方面的科學(xué)可視化技術(shù)主要基于CFD模擬軟件,可歸納為4個(gè)階段：①物理建模階段；②算法設(shè)計(jì)階段；③映射階段；④可視化階段。所以說科學(xué)可視化實(shí)質(zhì)上是計(jì)算機(jī)輔助后處理部分,輸出過程表現(xiàn)為可視的圖形或圖像信息,主要涉及流場數(shù)據(jù)的處理,其目的是為研究人員提供一種可視的分析手段[22]。

圖7　盤磨機(jī)磨片槽內(nèi)流動(dòng)的模擬結(jié)果[22]

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,可視化技術(shù)不但從工具上,而且從算法上也有巨大進(jìn)步,已經(jīng)能夠形象、逼真地將漿料流動(dòng)過程顯示出來。陳克復(fù)等人[23-24]將紙漿懸浮液流動(dòng)問題作為研究對象,研究紙漿懸浮液的特點(diǎn),以紙漿流動(dòng)過程可視化為出發(fā)點(diǎn),結(jié)合MATLAB程序設(shè)計(jì)語言,討論了矢量場顯示技術(shù)。應(yīng)龍等人[25]在分析非牛頓流體物理特性的基礎(chǔ)上提出了一種完整的可視化算法,將流體的外形、流動(dòng)的軌跡以及流體間的相互碰撞都用合理的數(shù)學(xué)形式進(jìn)行表述,既模擬出逼真的運(yùn)動(dòng)效果又控制了算法的復(fù)雜度。

2.2.2磨漿過程CFD模擬可視化應(yīng)用

2009年,Kondora等人在FLUENT中模擬了磨漿過程漿料的流動(dòng)(見圖7),并將結(jié)果和Fox與Lumianen等人提出的理論分析模型進(jìn)行了對比,結(jié)果表明模擬結(jié)果和理論分析十分接近。通過模擬能夠更直觀地了解漿料在齒槽內(nèi)的流動(dòng)特性,為設(shè)計(jì)磨片提供理論依據(jù)[26]。

2011年,G M Khokhar等人[27]在FLUENT中利用簡化的單槽模型來分析槽內(nèi)漿料的流動(dòng),假設(shè)漿料為恒黏度的牛頓流體,模擬了不同壓力和磨盤轉(zhuǎn)速對盤磨機(jī)磨漿的影響。模擬結(jié)果表明,磨漿過程流量取決于壓力差和轉(zhuǎn)速,其中壓力差的影響較大,經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出與模擬結(jié)果相同的趨勢。模擬得到的定盤齒槽槽內(nèi)表面的流線顯示形成的兩個(gè)渦流,左邊為矢量圖,右邊為流線圖(見圖8)。

圖8　定盤(在半徑62.5 mm處)齒槽內(nèi)漿料流動(dòng)的矢量和流線圖[6]

G.Kondora等人在文獻(xiàn)[28]利用流體軟件在FLUENT中對磨片進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬,假設(shè)漿料流動(dòng)為層流,模擬了磨漿過程漿料的流動(dòng),圖9為模擬的漿料在槽內(nèi)的流動(dòng)情況,三維立體畫面能夠更直觀地了解漿料在齒槽內(nèi)的流動(dòng)特性。

圖9　CFD處理后得到的磨片齒槽內(nèi)漿料的流動(dòng)圖像

2.3可視化技術(shù)應(yīng)用趨勢

早期,對磨漿機(jī)理的認(rèn)識不足,所以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究居多,數(shù)值計(jì)算可視化是建立在對磨漿原理有一定掌握的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,相對實(shí)驗(yàn)可視化的快速發(fā)展,模擬技術(shù)還是顯得比較緩慢。先進(jìn)的可視化設(shè)備大多集中在歐洲的一些高校和工廠,部分工廠將理論研究項(xiàng)目委托一些高校協(xié)助進(jìn)行,產(chǎn)學(xué)研結(jié)合較好[25],國內(nèi)要加大對先進(jìn)設(shè)備的引進(jìn)力度,相關(guān)的處理技術(shù)(例如圖像處理)也需要進(jìn)一步研究。目前可視化技術(shù)在中低濃度磨漿中運(yùn)用較多,主要是因?yàn)樵谶@種濃度下纖維的運(yùn)動(dòng)在現(xiàn)有技術(shù)下容易進(jìn)行相關(guān)的圖形處理,根據(jù)已有的可視化技術(shù)設(shè)備,需要研發(fā)一種適用于研究高濃度磨漿機(jī)理的可視化設(shè)備及裝置。

3展望

目前關(guān)于磨漿過程可視化研究較少,還有很大的研究空間。隨著實(shí)驗(yàn)設(shè)備和條件的改善,實(shí)驗(yàn)可視化技術(shù)一定會日趨完善,從而為研究磨漿機(jī)理作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。有許多工作還有待于深入研究,才能不斷完善盤磨機(jī)磨漿機(jī)理的研究,具體有以下幾個(gè)方面。

3.1合理選擇模擬模型、完善有關(guān)后處理算法

目前,模擬時(shí)一般假定漿料為恒黏度的牛頓流體。實(shí)際上,磨漿過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程,如何假設(shè)漿料的流動(dòng)特性使其更好的符合實(shí)際,還有待進(jìn)一步研究。在數(shù)值計(jì)算可視化的研究中,流線的生成算法與實(shí)現(xiàn)起著重要作用,需要研究適用于紙漿流動(dòng)的特定算法,既要逼真的模擬出磨漿過程漿料的流動(dòng)，還要控制算法的復(fù)雜度。

3.2綜合運(yùn)用數(shù)值計(jì)算可視化和實(shí)驗(yàn)可視化技術(shù)

實(shí)驗(yàn)可視化對設(shè)備的要求較高、周期長；而數(shù)值計(jì)算可視化需要對模型和流體進(jìn)行必要的假設(shè)。模擬分析可以減少實(shí)驗(yàn)工作量,但是不能完全取代磨漿實(shí)驗(yàn)。數(shù)值模擬可以改變各種流動(dòng)參數(shù),后處理圖像也更加直觀,實(shí)驗(yàn)可視化貼近實(shí)際,二者各有特點(diǎn)需要有機(jī)的結(jié)合。

3.3加大對可視化設(shè)備及相關(guān)軟件的研發(fā)

盤磨機(jī)磨漿時(shí)紙漿流體的可視化研究作為一個(gè)全新又復(fù)雜的領(lǐng)域,可為改進(jìn)和提高盤磨機(jī)的性能提供很多寶貴的資料,需要不斷研究完善。相對于國外的研究水平,國內(nèi)還處在較初級的水平,雖然也仿造和研發(fā)了部分可視化裝置,但是由于后處理的水平及對裝置本身特點(diǎn)的了解不足,應(yīng)用效果也一般。

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(責(zé)任編輯：董鳳霞)

Application of Visualization Techniques in Refining Mechanism Study of the Disc Refiner

WANG Jia-hui*WANG Ping

(CollegeofMechanicalEngineering,TianjinUniversityofScience&Technology,Tianjin, 300222)

(*E-mail: wjhjjjok@126.com)

Abstract：Disc refiner is widely used in pulp refining at present, but there are still problems such as higher energy consumption and easy to be plugged in refining, improve and solve these problems need to strengthen research on refining mechanism. Visualization techniques can be used as a high-tech to study the dynamic process of refining. This paper summarized the principle of visualization technology, its technological advance and trend as well as application in the research of refining mechanism of disc refiner, it was significance for improvement of existing refining technologies and promotion of visualization techniques application.

Key words：disc refiner; refining mechanism; visualization

收稿日期：2014- 12- 18(修改稿)

中圖分類號：TS734+.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0254- 508X(2015)03- 0064- 06

作者簡介：王佳輝先生，在讀碩士研究生；研究方向：造紙機(jī)械的研究。