立式水力碎漿機(jī)內(nèi)部漿料流場數(shù)值模擬及其新型槽體結(jié)構(gòu)的研究(一)

竇　靖　張　放　沙九龍　張　輝

(南京林業(yè)大學(xué)江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京,210037)

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立式水力碎漿機(jī)內(nèi)部漿料流場數(shù)值模擬及其新型槽體結(jié)構(gòu)的研究(一)

竇靖張放沙九龍張輝*

(南京林業(yè)大學(xué)江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京,210037)

以高效、節(jié)能、運(yùn)行平衡安全為主要依據(jù),在分析國內(nèi)外現(xiàn)有專利和應(yīng)用中的立式水力碎漿機(jī)槽體結(jié)構(gòu)型式基礎(chǔ)上,運(yùn)用FLUENT軟件對O形和D形2類槽體結(jié)構(gòu)中漿濃5%的漿料流場數(shù)值模擬,得到兩者內(nèi)部流場的壓力、流速和湍流強(qiáng)度的分布并進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明,傳統(tǒng)O形和D形槽體結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場均為垂直環(huán)流和水平旋流合成的漩渦流；傳統(tǒng)O形內(nèi)部流場對稱、運(yùn)行平衡穩(wěn)定,但其高湍流強(qiáng)度區(qū)域局限于下部轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)區(qū)域附近,上部和下部流場湍流強(qiáng)度相差1159%,且頂部邊緣處漿料圓周切向速度為0而缺乏碎解動力；D形槽體中心低湍流區(qū)域半徑縮小到O形的13.0%,湍流強(qiáng)度明顯增強(qiáng),但漿料徑向撞擊槽壁致使比O形多造成22.7%的動能浪費(fèi),且內(nèi)部流場不對稱使設(shè)備運(yùn)行缺乏平衡穩(wěn)定性。

O形立式水力碎漿機(jī)；D形立式水力碎漿機(jī)；FLUENT軟件；數(shù)值模擬；漿料流場分布

隨著經(jīng)濟(jì)、科技和社會的不斷發(fā)展,對包裝用紙或紙板的需求不斷增長；加之造紙用纖維資源缺乏,同時倡導(dǎo)節(jié)能、降本、少用化學(xué)品等,致使廢紙回收再利用得到高度重視[1]。碎漿設(shè)備是廢紙漿生產(chǎn)的第一道重要設(shè)備,其基本功能是將漿板或廢紙等碎解成纖維漿料,即使原先交織成紙的纖維最大限度地離解成單根纖維，同時又盡可能地保持纖維的原有形態(tài)和強(qiáng)度[2]。

目前,廢紙制漿或漿板碎解用碎漿設(shè)備大多采用立式水力碎漿機(jī)。其結(jié)構(gòu)相對簡單、占地面積不等,主要組成部分有槽體、轉(zhuǎn)子、篩板、傳動和支承機(jī)構(gòu)等,其中，槽體和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式是影響碎漿效率和質(zhì)量、能耗和機(jī)械運(yùn)行穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素[3]。本研究主要涉及槽體結(jié)構(gòu)形式,無論是何種形式的槽體,其內(nèi)部的流場均是較復(fù)雜的漩渦流[4-5]。近10多年來,人們越來越多地利用CFD(Computational Fluid Dynamic)技術(shù)對漩渦流場進(jìn)行數(shù)值模擬研究[6-12],但是用于立式水力碎漿機(jī)內(nèi)部流場的數(shù)值模擬未見報道。

本研究基于國內(nèi)外現(xiàn)有專利技術(shù)、應(yīng)用中的立式水力碎漿機(jī)和碎漿原理分類槽體結(jié)構(gòu)型式,然后選取最具代表性的O形和D形槽體結(jié)構(gòu)為研究對象；基于CFD中的FLUENT軟件對水力碎漿機(jī)中漿濃為5%的紙漿懸浮液流場進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析,并對獲得的O形和D形槽體內(nèi)部流場的壓力、流速和湍流強(qiáng)度的分布進(jìn)行對比分析,得出現(xiàn)有立式水力碎漿機(jī)的O形和D形槽體結(jié)構(gòu)在碎漿過程中效率、能耗、安全穩(wěn)定性等方面的差異。

1　國內(nèi)外現(xiàn)有立式水力碎漿機(jī)槽體結(jié)構(gòu)型式分析

1.1立式水力碎漿機(jī)槽體結(jié)構(gòu)型式分類

現(xiàn)有的國內(nèi)外立式水力碎漿機(jī)槽體結(jié)構(gòu)型式大致分為以下4類：傳統(tǒng)O形槽體；在槽體內(nèi)壁設(shè)置垂直向△形擋板、助升推式導(dǎo)流板；D形、σ形、G形槽體；轉(zhuǎn)子位于筒形槽的偏心位置。從內(nèi)部流場特征的本質(zhì)角度,將立式水力碎漿機(jī)上述4類槽體結(jié)構(gòu)型式進(jìn)一步簡化歸納,將設(shè)有擋板和導(dǎo)流板的對稱結(jié)構(gòu)槽體縮歸為O形槽體,將σ形、G形、偏心轉(zhuǎn)子的非對稱結(jié)構(gòu)槽體縮歸為D形槽體。所以,O形槽體和D形槽體為目前最具代表性的2類槽體結(jié)構(gòu)型式。

1.2國內(nèi)外主要立式水力碎漿機(jī)類型及其特征

1.2.1圓柱形槽體

(1)經(jīng)典圓柱形槽體傳統(tǒng)經(jīng)典碎漿機(jī)槽體標(biāo)準(zhǔn)型為圓柱形,也稱O形。其槽體結(jié)構(gòu)具有較大的容積,內(nèi)部物料的碎解主要依賴轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動輸入的能量主要傳送給水,通過水流非常強(qiáng)烈的攪動、剪切,以及紙料之間、紙料與槽體或轉(zhuǎn)子間相互摩擦、碰撞、撕拉和搓揉等機(jī)械作用,快速完成碎漿功能[13]。

圖3　不同槽體結(jié)構(gòu)的示意圖

(2)在圓柱形槽體內(nèi)增設(shè)△形擋板日本相川公司在槽體設(shè)計上采用底部兩角結(jié)構(gòu),垂直設(shè)置△形擋板(見圖1a)[14],使放入的紙料很快形成激烈的回流,并且在最短距離內(nèi)回到轉(zhuǎn)子上。G.E.Brown JR等又增設(shè)了2個擋板,即槽體內(nèi)部共計3個擋板、兩兩呈120°焊在槽壁上[15]。維美德公司在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn),在槽體內(nèi)共設(shè)4個△形擋板[16],以改善紙料路徑(見圖1b)。在槽體內(nèi)壁設(shè)置垂直向△形擋板,可以阻撓紙料的水平圓周向流動,進(jìn)而縮短回流中心區(qū)的時間。

圖1　設(shè)△形擋板圓柱形槽體結(jié)構(gòu)示意圖

(3)在圓柱形槽體內(nèi)增設(shè)助升推式導(dǎo)流板在1970年Edward H.Cumpston等提出了在槽壁內(nèi)設(shè)置流線形導(dǎo)流板(見圖2)[17],該流線形導(dǎo)流板葉片置于槽體內(nèi)壁工作液面以下。導(dǎo)流板呈45°順著紙料的漩渦方向排布,幫助紙料提升,從而加速紙料的周期循環(huán)運(yùn)動。導(dǎo)流板分布于不同的高度,以滿足不同工作液面的需求。

圖2　45°流線形助升推式導(dǎo)流板圓柱形 槽體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.2D形、σ形、G形槽體

Thermo-Black Clawson公司的D形連續(xù)式水力碎漿機(jī)是對圓形槽體的改進(jìn)(見圖3a)。D形可使物料水平向旋流為非穩(wěn)定的D形湍流,一定程度上產(chǎn)生松散物料塊,使得轉(zhuǎn)子和紙料的接觸更迅速、頻率更高。對使用的圓形槽水力碎漿機(jī),可用擋板將它改造成D形槽,以提高生產(chǎn)能力,但擋板的設(shè)置應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)子尺寸大小、轉(zhuǎn)速及動力配置等因素進(jìn)行精心設(shè)計,以便達(dá)到最高生產(chǎn)能力。

原貝洛依特公司設(shè)計的碎漿機(jī)槽體為σ形(見圖3b),目的是改變紙料路徑。Helix碎漿機(jī)為G形槽體(見圖3c),其轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)形成平滑的水平回流,不僅提高了離解性能,還能降低動力消耗；而且,在垂直方向產(chǎn)生偏心的縱向回流(稱為“G式回流”)；當(dāng)廢紙?jiān)贤度氩垠w后就會被迅速有力地吞進(jìn),加速了離解[18]。

1.2.3偏心轉(zhuǎn)子

福伊特公司推出的Intensa碎漿機(jī)的轉(zhuǎn)子位于圓柱形槽的偏心位置[19-20](見圖4)。Intensa碎漿機(jī)具有以下特點(diǎn)：一個帶有偏心轉(zhuǎn)子的槽；雙錐形槽底；經(jīng)過優(yōu)化的擋板排列,只有1個擋板；經(jīng)過優(yōu)化的轉(zhuǎn)子,改進(jìn)碎漿效果。該碎漿機(jī)效率高于常規(guī)碎漿機(jī),槽內(nèi)紙料流的湍流程度更強(qiáng),可以更有效地實(shí)現(xiàn)纖維分離作用。

圖4　Intensa碎漿機(jī)槽體內(nèi)轉(zhuǎn)際偏心示意圖

2　O形和D形槽體結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場數(shù)值模擬

2.1模型的建立

2.1.1數(shù)學(xué)模型

漿料流動假設(shè)為不可壓縮黏性流動,流體被視為連續(xù)介質(zhì),可忽略纖維間的相互作用力。在以上假設(shè)的基礎(chǔ)上,水力碎漿機(jī)中的流體流動過程可以用連續(xù)性方程和Navier-Stokes方程(以下簡稱“N-S方程”)來表述[21]。

連續(xù)性方程：

(1)

N-S方程：

(2)

根據(jù)流體流動理論,紙漿懸浮液在水力碎漿機(jī)中的流動是三維湍流問題,由于湍流的復(fù)雜性,通常需要借助合適的湍流模型。在工程中采用較多、較成熟的湍流模型是可實(shí)現(xiàn)性k-ε雙方程模型,其是通過對標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型修正而得。由于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型在回流、大曲率過流表面和強(qiáng)旋度等情況下不能很好地預(yù)測湍流特性,因此,在偏離最優(yōu)工況計算時該模型常常失效。由此對標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行修正,最后得到可實(shí)現(xiàn)性k-ε模型,方程如下。

湍流動能k方程：

(3)

湍流耗散率ε方程：

(4)

在上述方程中,Gk為平均速度梯度引起的湍動能,Gb為浮力引起的湍動能,YM代表可壓速湍流脈動膨脹對總耗散率的影響。C2和C1ε是常數(shù),分別為C2=1.9、C1ε=1.44；σk和σε分別是湍動能及其耗散率的湍流普特朗數(shù),在FLUENT中,作為常數(shù)，分別為σk=1.0、σε=1.2[22-23]。

2.1.2物理模型

根據(jù)O形槽體結(jié)構(gòu)的通用尺寸規(guī)范,其體積大約為7～100 m3；選擇大容積的80 m3槽體作為研究對象,其結(jié)構(gòu)尺寸為槽體直徑D1=4.6 m、槽體高度H1=4.6 m、轉(zhuǎn)子直徑d=1.65 m和轉(zhuǎn)子厚度h=0.2 m(見圖5a)；轉(zhuǎn)子為應(yīng)用廣泛的伏克斯轉(zhuǎn)子[24-25]。同理,D形槽體體積也為80 m3；其他結(jié)構(gòu)尺寸為槽體最大直徑D2=5 m、槽體高度H2=5 m、D形截面的直線部分長L2=4.4 m和轉(zhuǎn)子中心距D形截面圓心X2=0.625 m(見圖5b)；轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)大小與O形相同。本研究模型均是間歇式敞口水力碎漿機(jī),靜止時漿料液面位于槽體高度的85%。利用Unigraphics NX(UG)軟件分別對O形和D形槽體內(nèi)部流場建立模型。

圖5　不同槽體尺寸示意圖

將建好的模型分別導(dǎo)入到ICEM CFD軟件中,對三維實(shí)體模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。由于后期數(shù)值模擬設(shè)置的需要,對槽體結(jié)構(gòu)分塊進(jìn)行網(wǎng)格化,再把網(wǎng)格化好的部件組裝起來(見圖6)。由于立式水力碎漿機(jī)模型較大,整個計算域中除了轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)域使用了四面體網(wǎng)格,其余區(qū)域均采用六面體網(wǎng)格,以降低網(wǎng)格數(shù)量,順利進(jìn)行計算機(jī)數(shù)值模擬[26]。

圖6　不同槽體網(wǎng)格模型示意圖

2.1.3流體物性及邊界條件的設(shè)置

在用FLUENT軟件進(jìn)行模擬計算之前,需要對漿料的密度、黏度以及頂層鋪設(shè)的空氣域性質(zhì)等基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

(1)漿料的密度和黏度本研究采用漿濃5%的OCC漿[27]。查閱文獻(xiàn)[28]得到漿料密度ρ及其濃度Cm的關(guān)系滿足以下關(guān)系式：

(5)

式中，ρf為絕干纖維密度,1520kg/m3；ρw為水的密度,1000kg/m3；Cm=5%。由式(5)可得漿濃5%OCC漿的密度約為1017kg/m3。

通過實(shí)驗(yàn)室RST-SST軟固體測試儀測得的漿料黏度μ與剪切速率γ的關(guān)系曲線如圖7所示。根據(jù)源數(shù)據(jù)曲線擬合可得方程μ=32.878γ-0.6193。查閱文獻(xiàn)[29]可得立式水力碎漿機(jī)中轉(zhuǎn)子剪切速率γ與轉(zhuǎn)速N的關(guān)系為γ=KsN(Ks=10,γ的單位為1/s,N的單位為r/s)。綜合上述公式,當(dāng)選擇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N=208r/min[30]時,漿料黏度大約為3.658Pa·s。

(2)頂層鋪設(shè)空氣域由于設(shè)備是敞口型,因此,需對模型頂部設(shè)置空氣域,空氣的性質(zhì)運(yùn)用FLUENT自帶數(shù)據(jù)庫中空氣的設(shè)置進(jìn)行設(shè)定。

(3)其他參數(shù)紙漿懸浮液為不可壓縮的非牛頓流體,求解器的類型設(shè)為基于壓力；考慮到紙漿纖維與水完全混合,采用可實(shí)現(xiàn)性k-ε湍流模型,算法選擇SIMPLE進(jìn)行求解,時間設(shè)為穩(wěn)態(tài)；考慮重力因素,重力大小近似取9.8N/kg；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速設(shè)置為22rad/s；設(shè)備頂部敞口,采用壓力出口的邊界條件,壓力為0.1MPa。

圖7　漿料黏度與剪切速率關(guān)系曲線圖

2.2模擬結(jié)果與分析

在對立式水力碎漿機(jī)進(jìn)行三維建模時,選取槽體底部轉(zhuǎn)子中心為坐標(biāo)原點(diǎn)、槽體高度方向?yàn)閆軸方向作為標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系。通過FLUENT軟件對網(wǎng)格化的槽體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行模擬計算后,為了更直觀地體現(xiàn)其內(nèi)部流場的特征,在槽體結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場模型選取具有代表性的X-Z平面、Z=0平面和Z=0.50、Z=1.25、Z=2.25、Z=3.25、Z=4.00平面,其中，Z=0.50平面位于轉(zhuǎn)子上方附近平面、Z=4.00平面位于漿料域液面下方附近,同時選取了X-Z平面與Z=0.50、Z=1.25、Z=2.25、Z=3.25、Z=4.00平面的交線,分別命名為Line-1、Line-2、Line-3、Line- 4、Line-5,通過這7個平面和5條交線來描述槽體結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場的壓力、速度和湍流強(qiáng)度等特征。

2.2.1計算殘差

O形和D形立式水力碎漿機(jī)內(nèi)部流場的殘差監(jiān)測曲線如圖8所示。整個O形和D形水力碎漿機(jī)流場在分別經(jīng)過2059次和4009次迭代計算后,各方程計算結(jié)果殘差都小于所設(shè)置的1×10-3,此時,全局的質(zhì)量、動量能量和標(biāo)量達(dá)到了平衡,所有離散的守恒方程在所有單元中滿足指定的誤差,隨計算不再改變,達(dá)到了收斂狀態(tài)。另外,殘差收斂也驗(yàn)證了網(wǎng)格劃分和湍流模型設(shè)置是合理的。

圖8　不同槽體的水力碎漿機(jī)內(nèi)部流場殘差監(jiān)測曲線圖

2.2.2O形立式水力碎漿機(jī)內(nèi)部流場分析

(1)壓力分布O形槽體結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場X-Z平面上的壓力分布如圖9a所示。從圖9a可以看出,從底部到頂端壓力逐漸降低。底部轉(zhuǎn)子葉片附近壓力最大,其次是底部靠近壁面的區(qū)域。漿料在轉(zhuǎn)子葉片處受到的最大壓力為400 Pa左右。

Z=0平面上的壓力分布如圖9b所示。從圖9b可以看出,從中心到壁面處壓力先是小幅度逐漸降低,在靠近壁面處壓力急劇升高。在壓力最大的轉(zhuǎn)子區(qū)域,轉(zhuǎn)子前端壓力最大,表明漿料在此處受到了最大程度的碎解。

圖9　O形槽體內(nèi)部流場壓力分布

O形槽體結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場中5條交線沿X軸方向的壓力分布散點(diǎn)圖如圖10(位置為0時位于槽體中心軸上,沿著X軸的負(fù)半軸和正半軸依次向相反方向的壁面靠攏)所示。從圖10可以很明顯地得到5條交線上的壓力分布情況：轉(zhuǎn)子中心區(qū)域(X=0)壓力接近0,沿著X軸方向壓力逐漸降低且為負(fù)壓,在轉(zhuǎn)子葉片外沿處(X=±1)壓力達(dá)到最低值,之后壓力開始逐漸升高且由負(fù)壓逐步轉(zhuǎn)變?yōu)檎龎?在接近壁面處(X=±2)壓力急劇上升,最終在壁面處(X=±2.3)壓力達(dá)到最大值。另外,5條交線中從Line-1至Line-5的最大壓力差逐漸降低,這表明從流場底部到頂部促使?jié){料在水平方向上沿徑向流動的壓力差呈逐漸降低的趨勢。其中,漿料在靠近轉(zhuǎn)子區(qū)域(Line-1)的壁面處受到的最大壓力為120 Pa左右,最大壓力差為140 Pa左右。

圖10　O形槽體內(nèi)部流場5條交線沿 X軸方向的壓力分布散點(diǎn)圖

(2)速度分布速度矢量圖能夠直觀表征流體的運(yùn)動方向、速度大小和總體趨勢。O形槽體結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場X-Z平面上的速度矢量圖如圖11a所示。由于槽體底部轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn),被轉(zhuǎn)子接觸的漿料由底部中心區(qū)甩向周邊區(qū),然后沿槽壁自下向上流動,再從上部的周邊區(qū)流向中心區(qū),自中心區(qū)下沉至轉(zhuǎn)子,在垂直截面上形成循環(huán)流。底部轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)區(qū)域和壁面處漿料總體速度較快,同時在同一水平面上壁面處的速度要大于轉(zhuǎn)子中心區(qū)域的速度,流場頂部速度較中下部而言相對較慢。底部中心轉(zhuǎn)子區(qū)域速度最高達(dá)到15 m/s 左右。

圖11b從左至右依次為Z=0.50、Z=1.25、Z=2.25、Z=3.25、Z=4.00 5個截面上的速度矢量圖。由此可以看出,槽體內(nèi)上中下各水平面的漿料形成水平向旋轉(zhuǎn)流,旋流方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向一致。

圖11　O形槽體內(nèi)部流場速度矢量圖

圖12　O形槽體流場5條交線不同方向的速度分布示意圖

軸向速度是反映漿料垂直方向運(yùn)動情況的一個重要依據(jù)。O形槽體結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場中5條交線的軸向速度分布情況如圖12a所示。從圖12a可以看到,靠近壁面的漿料軸向速度為正,即在垂直方向上呈現(xiàn)爬升運(yùn)動；靠近轉(zhuǎn)子中心軸的漿料軸向速度為負(fù),即在垂直方向上做下沉運(yùn)動。這與圖11的速度矢量圖規(guī)律一致。

徑向速度是反映漿料水平方向上徑向運(yùn)動情況的一個重要依據(jù)。5條交線的徑向速度分布散點(diǎn)圖如圖12b所示。Line-3、Line- 4、Line-5與Line-1和Line-2的徑向速度方向相反,即流場下部漿料由中心軸流至壁面,而流場上部漿料則由壁面流向中心軸。

切向速度是反映漿料水平方向上圓周運(yùn)動情況的一個重要依據(jù)。5條交線的切向速度分布散點(diǎn)圖如圖13所示。從中心軸向壁面處,切向速度先逐漸增大再迅速減小。遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子的漿料(Line-5)在壁面處的切向速度最小值甚至達(dá)到0。因此,流場頂部靠近壁面處的漿料由于動能損失形成的旋流運(yùn)動相對動力不足,向心力顯著降低,但可以通過對槽體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計來增強(qiáng)流場頂部壁面附近漿料的動力。

圖13　O形槽體流場5條交線沿X軸的 切向速度分布情況示意圖

(3)湍流強(qiáng)度分布立式水力碎漿機(jī)的工作原理是通過水力、轉(zhuǎn)子的直接作用以及紙料之間摩擦作用增強(qiáng)漿料的湍動,從而快速地完成碎漿功能。因此,湍流強(qiáng)度可以作為衡量立式水力碎漿機(jī)碎解效果的直觀指標(biāo)。

圖14　O形槽體內(nèi)部流場湍流強(qiáng)度分布圖

O形立式水力碎漿機(jī)內(nèi)部流場X-Z特征平面的湍流強(qiáng)度分布如圖14a所示。圖14b為5個截面上的湍流強(qiáng)度分布圖。由這2個圖可以得到,流場底部轉(zhuǎn)子葉片處湍流強(qiáng)度最高,大約為1180%；流場頂部中心區(qū)域湍流強(qiáng)度最低,大約為21%；同一水平面上壁面處的湍流強(qiáng)度高于中心軸區(qū)域；流場頂部壁面處湍流強(qiáng)度很低,80%左右,低于鄰近區(qū)域的湍流強(qiáng)度,這與上述速度分布情況一致。

2.2.3D形立式水力碎漿機(jī)內(nèi)部流場分析

圖15　D形槽體內(nèi)部流場壓力分布圖

(1)壓力分布D形槽體結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場X-Z平面和Z=0平面上的壓力分布如圖15所示。由圖15可以得到,漿料在轉(zhuǎn)子葉片處受到的最大壓力為350 kPa左右,整個流場中壓力最小值為3.5 kPa左右,流場各處壓力均大于O形立式水力碎漿機(jī)內(nèi)部流場各處壓力。

D形槽體結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場中5條交線沿X軸方向的壓力分布散點(diǎn)圖如圖16(X軸負(fù)半軸是靠近D形槽體垂直壁面端)所示。與O形槽體相似的是,D形槽體在壁面處壓力達(dá)到最大值；不同的是,D形槽體結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場壓力分布并不以轉(zhuǎn)子中心軸為對稱。

圖16　D形槽體內(nèi)部流場5條交線沿 X軸方向的壓力分布散點(diǎn)圖

圖17　D形槽體內(nèi)部流場速度矢量圖

(2)速度分布D形槽體結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場X-Z平面上的速度矢量圖如圖17a所示；圖17b為Z=4.00平面上的速度矢量圖,代表水平面上的速度分布。與O形內(nèi)部流場相比,相同的是,D形內(nèi)部流場垂直面上是循環(huán)流、水平面上是旋流；不同的是,D形槽體結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場水平面上的旋流中心不是圓形,而是與槽體相似的D形；由Z=4.00平面上可以較明顯地看出,其旋流中心類似雙旋流,D形內(nèi)部垂直截面上漿料速度矢量方向指向中心軸,向中心軸附近聚攏。

圖18　D形槽體內(nèi)部流場5條交線 沿X軸方向速度分布散點(diǎn)圖

D形槽體結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場中5條交線的速度分布散點(diǎn)圖如圖18(X軸負(fù)半軸是靠近D形槽體垂直壁面端)所示。同樣,與O形槽體相比,D形槽體內(nèi)部流場速度分布并不以轉(zhuǎn)子中心軸為對稱。另外,Line-1、Line-2和Line-3垂直壁面附近的速度要小于弧形壁面附近的速度。通過分別計算漿料在轉(zhuǎn)子附近最大動能與其在靠近垂直壁面和弧形壁面處動能的差值,可得垂直壁面平均動能損失比弧形壁面平均動能損失高22.7%左右,這是由于漿料撞擊垂直壁面造成能量損失所致?；⌒伪诿骓敹薒ine- 4和Line-5表現(xiàn)出速度下降的趨勢,而垂直壁面頂端Line- 4和Line-5則沒有明顯速度下降現(xiàn)象,這是由于弧形壁面頂端漿料動能損失、向心力降低致使其形成的旋流運(yùn)動相對動力不足,同前述O形槽體。

圖19　D形槽體內(nèi)部流場X-Z平面湍流強(qiáng)度分布圖

(3)湍流強(qiáng)度分布D形槽體結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場X-Z特征平面的湍流強(qiáng)度分布如圖19(X軸負(fù)半軸是靠近D形槽體垂直壁面端)所示。從圖19可見,垂直壁面頂部邊緣湍流強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象較弧形壁面顯著減少,湍流增強(qiáng)。

D形槽體結(jié)構(gòu)是在O形槽體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上演變而來的。圖20對比了D形和O形槽體結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場中5條交線上的湍流強(qiáng)度沿X軸的分布情況。從圖20可以很明顯地觀察到，D形結(jié)構(gòu)較O形結(jié)構(gòu)中心低湍流區(qū)域半徑顯著縮小,平均縮小到O形的13.0%左右；這可以有效增強(qiáng)整個流場的平均湍流強(qiáng)度,從而提高碎解效率。

圖20　不同槽體內(nèi)部流場5條交線的湍流強(qiáng)度對比圖

3　結(jié)　論

3.1立式水力碎漿機(jī)槽體內(nèi)部流場是由垂直面和水平面上的流動合成的復(fù)合流。在垂直面上呈現(xiàn)下部由轉(zhuǎn)子到壁面、上部由壁面流向中心軸的環(huán)流；在水平面上則是與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向一致的旋流,進(jìn)而使總體流場呈現(xiàn)旋渦流。

3.2O形槽體內(nèi)部形成對稱的漩渦流流場,設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)且相對安全穩(wěn)定；但是漿料的碎解基本在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)完成,下部區(qū)域最大湍流強(qiáng)度在1180%左右,而上部流場為21%,與上部流場相差1159%,流場上部基本沒有湍動發(fā)生。同時,位于流場頂部邊緣的漿料由于動能損失形成的旋流運(yùn)動相對動力不足,切向速度接近0。

3.3與O形槽體內(nèi)部流場相比,D形槽體內(nèi)部流場湍流強(qiáng)度明顯增強(qiáng),中心低湍流區(qū)域半徑縮小到O形的13%左右,這是D形改變漿料運(yùn)行路徑致使轉(zhuǎn)子和紙料的接觸更迅速、頻率更高。同時,D形槽體非穩(wěn)定的D形湍流,一定程度上產(chǎn)生松散纖維,漿料湍流的發(fā)生不完全依賴于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。但與O形槽體相比,D形槽體存在容積小的缺點(diǎn),更為不足的是，D形槽體中有一部分漿料在撞擊槽壁時造成能量浪費(fèi),漿料撞擊垂直壁面較弧形壁面相比動能損失在22.7%左右。同時，從機(jī)械角度來看，D形流使槽體產(chǎn)生的較大振動以及轉(zhuǎn)子受力的不對稱性會影響機(jī)械部件的壽命。

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(*E-mail: zhnjfu@163.com)

(責(zé)任編輯：關(guān)穎)

Numerical Simulation of Fiber Slurry Flow Field inside the Vertical Hydraulic Pulper and Research on New Type of Its Tank Structure(Ι)

DOU JingZHANG FangSHA Jiu-longZHANG Hui*

(JiangsuProvincialKeyLabofPulpandPaperScienceandTechnology,NanjingForestryUniversity,Nanjing,JiangsuProvince, 210037)

According to the assessment principles for pulpers including high efficiency, low energy consumption and running balance, based on the analysis of the structures of patented and applied vertical hydraulic pulpers domestically and abroad, using Fluent software to simulate the flow field of flow slurry at 5% consistency inside the O-shaped and D-shaped tanks, the distribution of pressure, velocity and turbulence intensity of both flow fields were obtained and analyzed. The results showed that the flow fields inside the O-shaped and D-shaped were vortex-like including a facade circulation and a horizontal swirling；the flow field inside the O-shaped was symmetrical and balanced, but the high-turbulence intensity area was limited to the rotor spinning region, and the turbulence intensity of the upper part was 1159% lower than that of the bottom part, the tangential velocity at the edge of the top of the flow field was zero and it was short of impact power；the flow field inside the D-shaped was with obviously increased turbulence intensity, and at the center of the D-shaped tank, the radius of low-turbulence intensity area was only 13.0% of the O-shaped tank； however, energy consumption inside the D-shaped tank was 22.7% higher caused by radially hitting the wall, and the D-shaped tank was with unbalanced running because of its unsymmetrical flow field.

O-shaped vertical hydraulic pulper； D-shaped vertical hydraulic pulper； Fluent； numerical simulation； distribution of fiber slurry flow

2015- 08-10

南京林業(yè)大學(xué)江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(201409)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)。

竇靖，女，1990年生；在讀碩士研究生；主要從事制漿造紙節(jié)能減排技術(shù)與裝備方面的研究。

*通信聯(lián)系人:張輝，E-mail:zhnjfu@163.com。

TS734+.1

A

1000- 6842(2016)02- 0034- 09