侯順利 林曉林 王海琛

(陜西科技大學(xué)輕工與能源學(xué)院,陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安,710021)

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·流漿箱·

輥殼式流漿箱結(jié)構(gòu)原理及初步分析

侯順利 林曉林*王海琛

介紹了輥殼式流漿箱的結(jié)構(gòu)原理,并針對(duì)實(shí)驗(yàn)中模擬的流漿箱流道模型,采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法,通過對(duì)流漿箱不同流道寬度的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析計(jì)算。模擬結(jié)果體現(xiàn)了新型流漿箱流道內(nèi)流體湍流特性,同時(shí)研究分析表明,新型流漿箱流道寬度和勻漿輥轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)時(shí),流體湍流強(qiáng)度可較好地滿足分散紙漿纖維的要求。

流漿箱；結(jié)構(gòu)；流場；數(shù)值模擬

(*E-mail: 840052290@qq.com)

流漿箱是紙機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵裝置,對(duì)抄造出質(zhì)量良好的紙張起著關(guān)鍵性作用。流漿箱的一個(gè)基本任務(wù)是保證纖維懸浮液沿紙機(jī)橫向均勻分布,以盡可能地減小紙張的橫向定量差；另一個(gè)基本任務(wù)是保證纖維懸浮液中的纖維均勻分散在水體中,盡量減少纖維懸浮液中的絮聚團(tuán),盡可能提高紙張的勻度[1]。目前中低速紙機(jī)所用的流漿箱多為勻漿輥流漿箱。漿流通過勻漿輥時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的橫向流動(dòng),雖然可以分散纖維團(tuán),但會(huì)造成漿流不穩(wěn)定，為此在其下游需要設(shè)置較長的緩沖區(qū),但是較長的緩沖區(qū)又會(huì)使已經(jīng)分散了的纖維絮聚團(tuán)重新絮聚,從而影響紙張勻度。特別是當(dāng)布漿器中帶有稀釋水調(diào)節(jié)裝置時(shí),定點(diǎn)稀釋水和主體漿流流過寬大的箱體時(shí),經(jīng)過勻漿輥的攪動(dòng)產(chǎn)生較大的橫向流動(dòng),大大減弱稀釋水調(diào)節(jié)的效果。有研究表明在現(xiàn)有勻漿輥流漿箱中采用稀釋水調(diào)節(jié)的效果甚微[2]。

本文介紹了輥殼式流漿箱的結(jié)構(gòu)原理，并對(duì)流漿箱流道寬度的流場進(jìn)行了分析。輥殼式流漿箱設(shè)計(jì)時(shí)要求克服現(xiàn)有勻漿輥流漿箱湍流尺寸大、湍流強(qiáng)度小、橫向流動(dòng)大、漿流不穩(wěn)定、不能有效使用稀釋水調(diào)節(jié)紙張橫幅定量差等諸多弊端,可提高紙張勻度,減少紙張的橫幅定量差。

1 輥殼式流漿箱的結(jié)構(gòu)原理

1.1 輥殼式流漿箱的結(jié)構(gòu)

圖1所示為輥殼式流漿箱的結(jié)構(gòu)圖。由圖1可以看出,輥殼式流漿箱有一個(gè)水平放置的圓筒形殼體,該圓筒形殼體內(nèi)有一個(gè)可以繞自身軸線旋轉(zhuǎn)的圓柱形輥?zhàn)印Ｔ趫A筒形殼體的左下方(即靠近布漿器方向處)設(shè)有一個(gè)漿流入口,該漿流入口外設(shè)有一個(gè)尺寸較小的均衡室,該均衡室與兩排布漿支管相連。在圓筒形殼體的右側(cè)(即靠近網(wǎng)部方向處)有一個(gè)通往上漿裝置的漿流出口,該漿流出口與上漿裝置相連。在圓筒形殼體的上方設(shè)有一個(gè)溢流口,該溢流口與溢流室相連。圖2為勻漿輥橫截面及軸向截面圖。如圖2所示,輥?zhàn)拥妮侒w為空心結(jié)構(gòu),輥面均勻地分布著多個(gè)環(huán)形溝槽,環(huán)形溝槽的斷面形狀為矩形。輥?zhàn)拥妮S線與圓筒形殼體的軸線重合,輥?zhàn)拥闹睆叫∮趫A筒形殼體的直徑,輥?zhàn)油獗砻媾c圓筒形殼體內(nèi)表面之間留有間隙。輥?zhàn)友貓D1中箭頭所示的順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。

圖1 輥殼式流漿箱結(jié)構(gòu)圖

圖2 勻漿輥橫截面及軸向截面圖

1.2 輥殼式流漿箱的工作原理

漿料或纖維懸浮液從布漿錐管進(jìn)入各布漿支管,上排布漿支管中的漿料與來自稀釋水支管里的稀釋水混合后進(jìn)入均衡室,下排布漿支管中的漿料可以不用加入稀釋水而直接進(jìn)入均衡室。在均衡室內(nèi),來自布漿支管的漿流速度被降低,并得以橫向均勻分布,分別來自上排布漿支管與下排布漿支管的漿流得以混合。然后漿料在輥面環(huán)形溝槽高速運(yùn)動(dòng)的摩擦作用下,跟隨輥面運(yùn)動(dòng)方向,進(jìn)入到溝槽內(nèi)和間隙內(nèi)。圓筒形殼體的內(nèi)表面是靜止的,溝槽表面是高速運(yùn)動(dòng)的,處于兩者之間的漿流受到一個(gè)強(qiáng)大的剪切力,可產(chǎn)生尺寸小而強(qiáng)度高的湍流,實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維絮聚團(tuán)的分散。當(dāng)漿料流動(dòng)到圓筒形殼體上方的溢流口時(shí),大部分漿料繼續(xù)跟隨輥面運(yùn)動(dòng),而少量漿料在壓力作用下會(huì)向上流動(dòng)進(jìn)入溢流室,溢流室維持恒定的液位與氣壓。當(dāng)漿料流動(dòng)到圓筒形殼體右側(cè)的漿流出口時(shí),在壓差的作用下,大部分漿料會(huì)流向上漿裝置,最后流出流漿箱。少量漿料繼續(xù)隨輥面運(yùn)動(dòng),一直流到漿流入口處,與來自均衡室的漿流匯合。

輥殼式流漿箱通過勻漿輥和位于表面的導(dǎo)流板共同旋轉(zhuǎn)，使之與流體產(chǎn)生摩擦形成湍流來分散紙漿纖維,由導(dǎo)流板分隔成的多個(gè)流道可減少稀釋水在流漿箱內(nèi)的橫向流動(dòng),從而達(dá)到分散紙漿纖維、在紙機(jī)橫幅定點(diǎn)稀釋漿料的作用。

2 輥殼式流漿箱流場的初步研究

2.1 輥殼式流漿箱流場的數(shù)學(xué)模型

流漿箱的主要功能是分散紙漿纖維以滿足上網(wǎng)要求[3],所以選擇模擬流漿箱內(nèi)流體的湍流特性作為研究對(duì)象。前期的仿真結(jié)果表明，流漿箱內(nèi)由導(dǎo)流板分隔的多個(gè)流道內(nèi)的流體流動(dòng)特性基本相同,故對(duì)流漿箱流場進(jìn)行簡化。選取流漿箱內(nèi)相鄰兩個(gè)導(dǎo)流板之間一個(gè)流道，建立從均衡室至唇口的流場模型，且忽略溢流室部分的流體域。建立的流漿箱流場模型如圖3所示。參考勻漿輥流漿箱部分尺寸參數(shù)[4],確定本課題流場模型物理參數(shù)為：均衡室長度200 mm,寬度20 mm,高度200 mm；輥?zhàn)又睆?80 mm；溝槽寬度10～20 mm,深度30 mm；殼體直徑540 mm,出口高度105 mm；唇板開口高度12 mm。

圖3 簡化后的流漿箱流場模型

2.2 流場網(wǎng)格劃分

針對(duì)簡化后的流場模型,計(jì)算均采用固定的三維直角坐標(biāo)系統(tǒng),選用ICEM CFD軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用四面體網(wǎng)格劃分方法,即對(duì)于流場整體采用四面體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。另外,網(wǎng)格的數(shù)量也很重要,網(wǎng)格數(shù)量過大時(shí),迭代對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存要求會(huì)很高；數(shù)量過小時(shí)又會(huì)影響計(jì)算精度。經(jīng)反復(fù)嘗試,確定最大網(wǎng)格尺寸為4 mm,網(wǎng)格總數(shù)約100萬。流場網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4 所示。由于勻漿輥轉(zhuǎn)動(dòng),在ICEM CFD軟件內(nèi)設(shè)置勻漿輥表面和導(dǎo)流板面名稱為wall-move,類型為WALL(壁面)；設(shè)置均衡室入口名稱inlet,類型為VELOCITY-INLET(速度入口)；唇口出口名稱outlet,類型為PRESSURE-OUT(壓力出口)；其余面為wall-other,類型均為WALL(壁面)。

圖4 流漿箱流場網(wǎng)格劃分圖

圖5 不同寬度流道在不同勻漿輥轉(zhuǎn)速下的湍流強(qiáng)度云圖

2.3 流漿箱流場模擬計(jì)算

2.3.1 流體參數(shù)及邊界條件

采用水和根據(jù)紙漿特性新建的流體材料混合的兩相流來模擬紙漿的流動(dòng)狀態(tài),其物理參數(shù)為：水的密度997 kg/m3,黏度0.8899 g/(m·s)；紙漿特性流體的密度980 kg/m3,黏度0.897 g/(m·s),無熱量傳輸。計(jì)算采用Fluent湍流計(jì)算模型高雷諾數(shù)k-ε模型中的RNG模型(此模型考慮了低雷諾數(shù)流動(dòng)黏性和湍流漩渦)來求解流漿箱的內(nèi)部流場,其中k為湍動(dòng)能,指速度波動(dòng)的變化量,單位為m2/s2；ε為湍動(dòng)能耗散,指速度波動(dòng)耗散的速率,單位為m2/s3。該模型可靠且數(shù)據(jù)穩(wěn)定,對(duì)湍流渦旋形狀尺寸的預(yù)測也有較好的效果[5]。

在Fluent軟件內(nèi)設(shè)均衡室入口速度為0.6 m/s,入口湍流強(qiáng)度設(shè)置為10%,計(jì)算水力直徑36.4 mm。設(shè)唇口出口壓力為0,出口湍流強(qiáng)度為10%,計(jì)算水力直徑為15 mm。wall-move設(shè)置為moving wall,轉(zhuǎn)軸Y為-1,即Y軸為負(fù)方向。壁面粗糙度設(shè)為0.0016 mm。其余面均指定為無滑移、絕熱的壁面邊界,壁面粗糙度為0.0016 mm，并對(duì)整個(gè)流場施加重力作用。模擬選用高階求解模式(high resolution ),最大迭代步數(shù)設(shè)為1500步,求解精度為10-4,以保證求解質(zhì)量。

2.3.2 模擬計(jì)算的實(shí)施

建立不同流道寬度尺寸的模型,在相同的入口速度下,改變wall-move的轉(zhuǎn)速,進(jìn)行計(jì)算模擬。研究不同流道寬度在不同轉(zhuǎn)速、相同入口流速以及相同初始化條件下,流漿箱上半部分流道沿流場豎直方向切面處的湍流分布情況,得出較優(yōu)尺寸。

2.4 流場的模擬結(jié)果及分析

2.4.1 流場的模擬結(jié)果

通過參考水力式流漿箱湍流發(fā)生器直徑在20 mm左右[6],選取流道寬度為10、16、20 mm進(jìn)行流場湍流強(qiáng)度仿真,仿真結(jié)果如圖5所示。

因在流道中心處湍流作用影響較小[7],影響纖維分散效果,所以研究流道中心處湍流強(qiáng)度,分別在流漿箱不同寬度流道豎直面的中心線處，即流道豎直中心線處輸出此位置的湍流強(qiáng)度,中心線位置如圖6所示,不同寬度流道湍流強(qiáng)度數(shù)值如圖7所示。

圖6 流道中心線位置

圖7 流道豎直中心線處湍流強(qiáng)度

2.4.2 模擬結(jié)果分析

從以上仿真結(jié)果可知,相同轉(zhuǎn)速時(shí)隨流道寬度尺寸增大,流道內(nèi)的湍流強(qiáng)度不斷降低,其湍流分布效果也逐漸變差。這是因?yàn)榭拷诿娴牧黧w由于自身的黏性部分附著在壁面上,并隨壁面轉(zhuǎn)動(dòng)與相鄰的流體產(chǎn)生速度差,由流體相互之間的內(nèi)摩擦帶動(dòng)相鄰流體使其速度加快,由附著在壁面的流體依次向流道中心流體傳遞。離壁面越遠(yuǎn),壁面轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)流體的影響越小,靠近壁面的湍流強(qiáng)度高,遠(yuǎn)離壁面的湍流強(qiáng)度低且湍流分布不均勻。從而流道寬度越大、勻漿輥轉(zhuǎn)速越小,流體湍流強(qiáng)度越小,在流道內(nèi)分布越不均勻,從以上數(shù)據(jù)得出流道寬度為20 mm、勻漿輥轉(zhuǎn)速為10 r/s時(shí)流道中心線處湍流強(qiáng)度最大值不到20%。流道寬度越小、勻漿輥轉(zhuǎn)速越大,流體湍流強(qiáng)度越大,在流道內(nèi)分布較為均勻,從以上數(shù)據(jù)得出流道寬度為10 mm、勻漿輥轉(zhuǎn)速為100 r/s時(shí)流道中心線處湍流強(qiáng)度最大值達(dá)到60%以上,湍流強(qiáng)度最小值達(dá)到24%。通過比較水力式流漿箱湍流管沿紙機(jī)方向的湍流強(qiáng)度曲線[8]可知,新型流漿箱流道寬度為10～16 mm、勻漿輥轉(zhuǎn)速為50～100 r/s范圍時(shí)流道內(nèi)流體湍流強(qiáng)度可以較好地滿足分散紙漿纖維的要求。水力式流漿箱湍流管模型和湍流強(qiáng)度圖分別如圖8和圖9所示。

圖8 水力式流漿箱湍流管模型

圖9 水力式流漿箱湍流管不同入口速度湍流強(qiáng)度圖

3 結(jié) 論

3.1 主要介紹了輥殼式流漿箱的結(jié)構(gòu)原理。輥殼式流漿箱的主要功能為分散紙漿纖維，并通過導(dǎo)流板分隔成的多個(gè)流道減少稀釋水的橫向流動(dòng),從而有利于在紙機(jī)橫向定點(diǎn)加入稀釋水。

3.2 利用數(shù)值模擬的方法研究了流漿箱上部流道的湍流強(qiáng)度,通過分析比較在相同入口速度、不同勻漿輥轉(zhuǎn)速下不同寬度流道的湍流特性。結(jié)果表明，流道寬度尺寸越小,壁面轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)流體的效果越好。流道寬度尺寸較大時(shí),要得到較好的湍流分布,需要將輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速提高到很高的水平才會(huì)使得流道內(nèi)流體湍流分布達(dá)到較好的效果。因此得出新型流漿箱流道寬度為10～16 mm、勻漿輥轉(zhuǎn)速為50～100 r/s范圍時(shí)流體湍流強(qiáng)度可以較好地滿足分散紙漿纖維的要求。

4 展 望

通過研究分析確定了流道的寬度和勻漿輥轉(zhuǎn)速范圍,今后將對(duì)流道兩側(cè)導(dǎo)流板的形狀進(jìn)行優(yōu)化改造,以增大流體湍流強(qiáng)度并控制湍流渦旋在2～4 mm,在保證流體湍流強(qiáng)度的基礎(chǔ)上,擴(kuò)大流道寬度以減少導(dǎo)流板數(shù)量,從而減輕勻漿輥負(fù)重、減少生產(chǎn)成本,以便更好地滿足分散紙漿纖維和實(shí)際生產(chǎn)制造的要求。

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Structure Principle and Analysis of a New Headbox with Roller and Shell

HOU Shun-li LIN Xiao-lin*WANG Hai-chen

(CollegeofLightIndustryandEnergy,ShaanxiProvinceKeyLabofPapermakingTechnologyandSpecialtyPaper,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021)

The structure principle of a new headbox with roller and shell was introduced. Aiming at the model of flow channel of the simulated headbox, using computational fluid dynamics method to make numerical simulation and analysis of the flow filed of the channels with different width. The simulation results showed that the turbulence characteristics of flow in the flow channel headbox, and analysis also showed that turbulence intensity could satisfy the fiber dispersion requirement when the width of flow channel and speed of roller were in a certain range.

headbox; structure; flow field; numerical simulation

侯順利先生,副教授；主要從事制漿造紙?jiān)O(shè)備方面的教學(xué)與研究。

(陜西科技大學(xué)輕工與能源學(xué)院,陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安,710021)

TS734+.2

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.01.011

2015- 09-11(修改稿)

陜西省科技廳省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研項(xiàng)目(2011HB-SZS014)。

*通信作者：林曉林先生,E-mail：840052290@qq.com。