階梯擴散器出口段流場分析*

董茜茜，剛芹果

(河北大學 建筑工程學院，河北 保定 071002)

階梯擴散器出口段流場分析*

董茜茜，剛芹果

(河北大學 建筑工程學院，河北 保定 071002)

對湍流發(fā)生器內的漿流進行兩相流動的數(shù)值模擬，主要針對階梯擴散器結構形式。通過改變出口段管長進行多次模擬，得到出口段內的壓強、湍動能、纖維分布與階梯擴散器尺寸間的關系，為以后研究工作提供依據(jù)。

階梯擴散器；流場分析；出口段

Abstract: Numerical flow simulation in turbulence generators, especially in the step diffuser, is investigated. The relationship among structure and pressure, turbulence energy, and the dispersion of fiber are discussed after a series of simulation for the outlet of different length. The method and results are applicable and useful for the further research.

Key words: step diffuser；inner flow；outlet

0 引 言

流漿箱是造紙機的關鍵部件，被譽為造紙機的“心臟”。其主要功能是把合乎要求的紙漿，按照造紙機成形部分的要求送到成形網(wǎng)上，為紙幅的良好成形提供必要的前提[1]。流漿箱的性能主要取決于湍流發(fā)生器的結構。

湍流發(fā)生器的種類包括：階梯擴散型和漸擴型，其中階梯擴散型結構分為有錐度型和無錐度型兩類，漸擴型結構根據(jù)出口形狀不同分為矩形、正方形、正六邊形等。已有的模擬研究中，文獻[2]對兩種湍流發(fā)生器的性能進行了比較，并對階梯擴散型進行了結構優(yōu)化；文獻[3]模擬了階梯擴散型的幾何尺寸對漿流流動的影響；文獻[4]對組合型湍流發(fā)生器進行了結構優(yōu)化；文獻[5]對兩種湍流發(fā)生器進行了比較。在這些已有的研究中，并沒有對出口段內流場進行仿真研究。

筆者嘗試采用固液兩相模式來直接分析圓形出口截面階梯擴散器內的紙漿流動狀態(tài)，并通過不斷改變出口段長度，對出口段的流場進行數(shù)值模擬分析，以得到階梯擴散器出口段內不同位置流場速度分布，纖維分布，湍動能分布，從而為以后試驗工作提供了依據(jù)。

1 階梯擴散器的結構及幾何尺寸

從主要微湍流衡量指標比較可知階梯擴散器更有利于紙漿纖維的解絮和分布均勻。無錐度階擴型的湍流強度在整個流向上都大于有錐度型[2]。因此，本文選擇對無錐度階擴型湍流發(fā)生器進行數(shù)值模擬。

根據(jù)文獻[3]、[4]中的方法，確定階梯型擴散器的尺寸如下：階梯擴散器的階數(shù)：N1=3；進口管直徑：D1=15 mm；長徑比：前兩段管長徑比N2=4，最后一段管長徑比N2=4.5；相鄰兩段管的截面積比：相鄰兩段管的橫截面積比顯示了階梯擴散器的擴散程度。各階梯的擴散比最好相等，因此選用N3=3。根據(jù)以上原則，階梯管設計如下：

進口管長：L1=D1×4=60 mm

第二級管長度：L2=D2×4=104 mm

出口管長：L3=4.5×45=202.5 mm≈203 mm

圖1 階梯擴散器尺寸

2 階梯擴散器內流場的仿真模擬

模擬仿真采用Ansys CFX軟件進行模擬仿真。CFX軟件采用的是全隱式耦合多網(wǎng)格線性求解器，具有收斂速度快，可以讀入多種形式的網(wǎng)格，并能在計算中自動加密或稀疏網(wǎng)格，優(yōu)秀的并行計算能力，強大的前后處理功能等優(yōu)點[6]。

2.1 階梯擴散器的幾何模型及其網(wǎng)格劃分

利用建模軟件Pro/E建立其模型，如圖2所示。將建好的模型保存為*.igs格式，將保存好的*igs模型輸入到ICEM CFD中進行網(wǎng)格劃分。劃分網(wǎng)格時，網(wǎng)格類型采取四面體網(wǎng)格。本次模擬對象的模型尺寸會發(fā)生改變，因此在劃分網(wǎng)格的時，會根據(jù)不同的模型以及后續(xù)計算速度和收斂情況，選擇不同的網(wǎng)格尺寸，一般采用1.5 mm、2 mm、3 mm。在輸出網(wǎng)格文件時，同時選擇求解器為Ansys CFX。將劃分好的網(wǎng)格輸入到CFX-Pre中進行前處理。

圖2 階梯擴散器模型

2.2 仿真過程

CFX前處理時模擬計算中最重要的一環(huán)，物質的選取，方程的選定，邊界條件的約束，求解器的設定等都是在這一環(huán)節(jié)中完成的，每一個環(huán)節(jié)都會影響到模擬的準確性[6]。

(1) 物質設定及湍流模型選?。杭垵{為兩相流體—固態(tài)纖維與白水組成的懸浮液，在模擬中，將其簡化為水和一種新定義的固體顆粒。由于纖維濃度的不同在一定程度上會影響到水和固體材料的比例，本次研究采用的漿流濃度為0.9%。同時選用K-ε的湍流模型進行模擬仿真，其模型常數(shù)為：

C1ε=1.44,C2ε=1.92,Cμ=0.09,σk=1.0,σε=1.3

(2) 邊界條件：由于已知進口速度，因此進口邊界條件采用速度進口。入口速度越大，湍動程度越大，纖維分布越均勻。但較高的速度需要更高的進漿壓力和能耗，選6m/s。根據(jù)前面的設計，三段管的直徑分別為：15 mm、26 mm、45 mm，因此，出口漿流速度為0.67 m/s。對于湍流模擬需要設定壁面粗糙度。根據(jù)實際情況，流漿箱的粗糙度為0.08 μm。

(3) 求解器設定：對于不同尺寸的模型需要不斷調整差分格式。為了使計算自動停止，迭代次數(shù)設為1000。收斂方案采用的殘差值為系統(tǒng)默認的殘差值為均方根殘差值(Root Mean Square， RMS)。RMS=1e-4時，收斂效果好，可以滿足大多數(shù)功能應用。本次研究采用這個數(shù)值。

3 仿真結果分析

不斷改變階梯擴散器最后一階管的長度并模擬其內部漿流的流動形態(tài)，對其出口壓強分布、湍動能分布和纖維分布進行綜合分析。并將這些參數(shù)的最大值與最小值之差進行統(tǒng)計并繪制成曲線，如圖3，圖4所示。

圖3 不同出口段尺寸時，出口截面纖維體積分數(shù)差、湍動能差

圖4 不同出口段尺寸時的出口壓強差

綜合出口段不同位置處總壓分布，湍動能分布，纖維分布的圖線，對最后一段管長與這些變量之間的關系以及各個變量之間的關系進行分析，可得到如下結論：

出口段不同位置處壓強差、湍動能、纖維體積分數(shù)差的分布隨著管長的變化發(fā)生變化。這種變化呈現(xiàn)一定的周期，這個周期近似為10,與最后兩段管半徑之差非常接近。

這是由于漿料在管內作湍流流動時，漿料雜亂運動并互相碰撞，產(chǎn)生不同尺寸的旋渦。在湍流時，漿料除了沿管軸線方向流動外，還在截面上產(chǎn)生橫向流動，在紙漿沿管道流動的過程中，紙漿會與管壁發(fā)生碰撞。因此，紙漿在管道內會呈現(xiàn)出波浪式前進。在波峰和波谷的位置，湍動能的分布的情況是不一樣的。在湍動能之差大的地方，纖維分布越不均勻，當湍動能呈現(xiàn)周期性變化時，纖維分布也會呈現(xiàn)出周期性變化。

4 總 結

通過模擬分析階梯擴散器出口處不同位置處的壓強、湍動能、纖維分布等參數(shù)，可以得到出口段的流場特性。但本次研究過程中，沒有考慮纖維與纖維之間的相互作用以及纖維形變對流場的影響，因此得到的結果與實際情況會存在一定的誤差。由于紙漿懸浮液的特殊性質[5]，用何種流場對漿流進行模擬分析仍需要試驗的驗證，通過試驗與數(shù)值計算相結合，可以節(jié)省設計時間，提高效率。

[1] 劉建安，陳克復.高速紙機流漿箱的設計與發(fā)展[J].華南理工大學學報(自然科學版)，2002,30(6):76-80.

[2] 楊 健，肖宗亮，鄧嘉胤，等.基于場內數(shù)值模擬的微湍流發(fā)生器機械結構優(yōu)化設計方法[J].機械工程學報，2007,43(5):128-132.

[3] 趙 強，潘定如.階梯擴散式流漿箱的數(shù)值模擬研究[J].西南造紙，2005,34(4):15-18.

[4] 侯順利，崔沙沙.對水力式流漿箱湍流發(fā)生器的仿真研究[J].中華紙業(yè)，2009,30(23)：72-75.

[5] 王樂勤，楊紅霞，楊 旭，等.湍動發(fā)生器內流場數(shù)值模擬及結構優(yōu)化設計[J].工程物理學報，2008,29(3)：415-418.

[6] 謝漢龍，趙新宇，張炯明.ASYS CFX流體分析及仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

Analysis of Inner Flow in the Outlet Region of Step Diffuser

DONG Xi-xi，GANG Qin-guo

(CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,HebeiUniversity,BaodingHebei071002,China)

2014-06-27

河北大學創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目(編號：2013060)

董茜茜(1990-)，女，河北唐山人，在讀碩士，研究方向：計算結構力學。

TM621

A

1007-4414(2014)04-0086-02