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(二)

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(二)

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)

基于國內(nèi)外已有的相關(guān)專利和應(yīng)用的立式水力碎漿機(jī)結(jié)構(gòu)，提出了一種高效、節(jié)能和運(yùn)行平衡穩(wěn)定的新型鼓槽體結(jié)構(gòu)；然后,運(yùn)用FLUENT軟件對新型鼓槽體內(nèi)部漿濃為5%的漿料流場進(jìn)行數(shù)值模擬,以得到其內(nèi)部漿料流場的壓力、流速和湍流強(qiáng)度的分布情況,并與O形和D形槽體進(jìn)行分析對比；最后，通過小型碎漿裝置碎漿實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,新型鼓槽體螺旋返流板立式水力碎漿機(jī)的結(jié)構(gòu)特征為槽體采用鼓形結(jié)構(gòu),并且在槽壁上焊有反流向、45°螺旋線、間斷排布、帶凹槽的梯形截面返流板；橢球弧形收口和返流板的合力作用可將漿料同時(shí)向槽體中心和槽底轉(zhuǎn)子區(qū)域推送,同時(shí)返流板附近湍流強(qiáng)度平均增強(qiáng)100%,有效提高了碎漿效率；倒錐體部壁面處的漿料速度為5 m/s,能夠有效降低因徑向撞擊壁面造成的能量損失；碎漿過程中,鼓槽體的振幅有效值遠(yuǎn)低于具有不對稱結(jié)構(gòu)的D形槽體,保證運(yùn)行時(shí)的安全性和穩(wěn)定性。

鼓槽體螺旋返流板立式水力碎漿機(jī)；漿料流場分布；FLUENT；數(shù)值模擬

筆者曾在分析國內(nèi)外已有的相關(guān)專利和應(yīng)用的立式水力碎漿機(jī)槽體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,運(yùn)用FLUENT軟件對O形(具有對稱流場)和D形(具有不對稱流場)兩類立式水力碎漿機(jī)槽體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了漿料流場數(shù)值模擬,得出了各自內(nèi)部流場的優(yōu)缺點(diǎn),即O形水力碎漿機(jī)運(yùn)行平衡穩(wěn)定,但是碎漿效率低于D形水力碎漿機(jī)；D形水力碎漿機(jī)內(nèi)部漿料流場湍流強(qiáng)度較高,但能耗高于O形水力碎漿機(jī),且該機(jī)構(gòu)運(yùn)行相對不平衡,進(jìn)而影響轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)壽命以及對支承機(jī)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。目前,國內(nèi)外仍沒有既能有效提高碎漿效率,又具有節(jié)能降耗、保證運(yùn)行平衡穩(wěn)定、減少振動(dòng)發(fā)生的立式水力碎漿機(jī)槽體[1-10]。因此,研究高效、節(jié)能、運(yùn)行平衡穩(wěn)定的新型立式水力碎漿機(jī)槽體具有十分重要的意義。

1　新型立式水力碎漿機(jī)槽體

研發(fā)高效、節(jié)能、振動(dòng)小而運(yùn)行平衡安全穩(wěn)定的新型立式水力碎漿機(jī)槽體必須兼顧O形槽體對稱性和D形槽體漿料流場湍流強(qiáng)度較高的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)需克服兩者的不足。為此,筆者創(chuàng)新性地提出了一種新型立式水力碎漿機(jī)槽體——鼓槽體螺旋返流板式槽體。

1.1新型槽體結(jié)構(gòu)特征

鼓槽體螺旋返流板立式水力碎漿機(jī)總體結(jié)構(gòu)組成與傳統(tǒng)立式水力碎漿機(jī)相似,由槽體、轉(zhuǎn)子、篩板、傳動(dòng)部件、支撐架等組成,但不同于傳統(tǒng)立式水力碎漿機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)為槽壁體的鼓形結(jié)構(gòu)和槽壁上帶凹槽的梯形截面螺旋返流板(見圖1)。

新型槽體的形狀并不是傳統(tǒng)的O形或D形,而是采用中間直徑大、上下部位直徑小的鼓形。該槽體下部自下而上直徑由小變大,呈現(xiàn)倒錐體形,倒錐體高度是槽體高度的20%～30%。該錐體母線與槽底平面的夾角θ在40°～60°之間。槽體上部自下而上的直徑則由大變小,呈橢球體形。槽體頂部有一段與槽體底面垂直的槽壁,約占槽體高度的18%。工作液面位于垂直壁面以下。

在槽體內(nèi)壁設(shè)有螺旋排列返流板,如圖1中4所示位置。返流板呈上升螺旋線式、非連續(xù)地間斷排布,螺旋線的方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。返流板與槽體底平面形成的角度為45°；根據(jù)槽體的高度,返流板分為若干層,單層的數(shù)量為4～6段,相鄰層間返流板以交錯(cuò)形式分布；返流板為梯形截面的鋼結(jié)構(gòu)(見圖1中A-A轉(zhuǎn)向剖面),底面焊于槽壁上,底面與斜面夾角α約為40°,返料面與底面夾角β約為75°。同時(shí),在返流板的頂面(見圖1中A-A剖面圖)等間距加工若干凹槽(見圖1中B向局部視圖),進(jìn)一步對物料產(chǎn)生剪切和攪動(dòng)作用。返流板集中分布在轉(zhuǎn)子的水平位置以上、料液工作面以下。

圖1　鼓槽體螺旋返流板立式水力碎漿機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　鼓槽體螺旋返流板立式水力碎漿機(jī)的實(shí)體模型和網(wǎng)格模型

1.2新型立式水力碎漿機(jī)工作原理

漿料從碎漿機(jī)頂部與稀釋水一同進(jìn)入水力碎漿機(jī)后隨漿流潛入槽體底部,與槽底的轉(zhuǎn)子(飛刀盤)接觸。快速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子對物料塊施以攪動(dòng)、摩擦、碰撞、撕拉和剪切等機(jī)械作用,被分散的漿料由于離心作用沿槽底徑向被快速推送至槽壁。槽壁下部的倒錐形結(jié)構(gòu)使?jié){料的流動(dòng)得以轉(zhuǎn)向向上,45°的傾斜減少了漿料與槽壁撞擊時(shí)的能量損失。

漿料沿槽壁向上爬升,通過不斷撞擊返流板(沿槽內(nèi)壁反流向、45°螺旋線、間斷排布)而產(chǎn)生湍動(dòng),以便松散漿料塊以及在漿料纖維之間產(chǎn)生摩擦和搓揉；同時(shí),返流板頂部的凹槽也對漿料進(jìn)一步產(chǎn)生剪切和攪動(dòng)作用,使得漿團(tuán)進(jìn)一步分散；返流板的結(jié)構(gòu)和反旋流向排列將漿料更好地推向槽內(nèi)中心和底部的轉(zhuǎn)子部位,進(jìn)而增加了轉(zhuǎn)子與漿料的接觸機(jī)會(huì)。

漿料沿槽壁向上爬升的過程中,槽體內(nèi)壁上部為橢球體形，致使沿壁上升或來自各水平層中心的漿料均會(huì)受到這種橢球體形壁的反力作用而導(dǎo)向槽內(nèi)中心和底部的轉(zhuǎn)子,這也增加了轉(zhuǎn)子與漿料的接觸機(jī)會(huì),進(jìn)而提高碎漿效率。

如上所述,漿料塊往返于轉(zhuǎn)子、槽體軸線與槽壁之間,一邊不斷發(fā)生湍動(dòng)和剪切,一邊沿槽壁向上爬升。漿料爬升到槽體上部橢球體部分與槽壁撞擊,又被推送至槽體中心和槽底。漿料在槽體內(nèi)形成對稱的渦旋運(yùn)動(dòng),不斷往復(fù),直至分散成單根纖維或者合適尺寸的纖維束狀漿料,然后經(jīng)過底部篩板進(jìn)入良漿出口。

2　鼓槽體螺旋返流板立式水力碎漿機(jī)漿料流場數(shù)值模擬

2.1物理模型的建立及邊界條件的設(shè)置

為了與文獻(xiàn)[11]報(bào)道的O形和D形立式水力碎漿機(jī)進(jìn)行對比,選擇同樣容積(80 m3)的槽體作為研究對象,轉(zhuǎn)子為同樣結(jié)構(gòu)、相同大小的伏克斯轉(zhuǎn)子[12-13]。由此得出,鼓槽體螺旋返流板立式水力碎漿機(jī)主要結(jié)構(gòu)尺寸：槽體最大端面直徑D3=5 m,槽體高度H3=5 m。利用Unigraphics NX(UG)軟件對該新型立式水力碎漿機(jī)內(nèi)部漿料流場建立模型,結(jié)果如圖2a所示。

將建好的模型導(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。為了滿足后期數(shù)值模擬的設(shè)置需要,對鼓槽體立式水力碎漿機(jī)分塊進(jìn)行網(wǎng)格化,再把網(wǎng)格化的部件組裝起來(見圖2b)。由于鼓槽體螺旋返流板立式水力碎漿機(jī)模型較復(fù)雜,整個(gè)計(jì)算域中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)域和漿料域均使用四面體網(wǎng)格,而空氣域結(jié)構(gòu)簡單,采用六面體網(wǎng)格[14-15]。

本次模擬中流體物性和邊界條件的設(shè)置與文獻(xiàn)[11,16-19]報(bào)道的一致。

2.2模擬結(jié)果與分析

在對鼓槽體螺旋返流板立式水力碎漿機(jī)進(jìn)行三維建模時(shí),為了與文獻(xiàn)[11]報(bào)道的O形和D形立式水力碎漿機(jī)的模擬結(jié)果進(jìn)行對比,同樣選取槽體底部轉(zhuǎn)子中心為坐標(biāo)原點(diǎn)、槽體高度方向?yàn)閆軸方向的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系。同時(shí),在鼓槽體螺旋返流板立式水力碎漿機(jī)內(nèi)部漿料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,同時(shí)選取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(gè)平面和5條交線來描述鼓槽體螺旋返流板立式水力碎漿機(jī)內(nèi)部漿料流場的壓力、流速和湍流強(qiáng)度等特征,并與O形和D形結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比。

圖4　鼓槽體螺旋返流板立式水力碎漿機(jī)X-Z平面及其局部放大區(qū)域的壓力云圖

2.2.1殘差監(jiān)測曲線

鼓槽體螺旋返流板立式水力碎漿機(jī)內(nèi)部漿料流場的殘差監(jiān)測曲線如圖3所示。整個(gè)內(nèi)部漿料流場在經(jīng)過2647次迭代計(jì)算后,各方程計(jì)算結(jié)果殘差都小于所設(shè)置的1×10-3,此時(shí)全局的質(zhì)量、動(dòng)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(jì)算不再改變,達(dá)到了收斂狀態(tài)。另外,殘差收斂結(jié)果也驗(yàn)證了網(wǎng)格劃分和湍流模型設(shè)置是合理的。

2.2.2壓力分布

鼓槽體螺旋返流板立式水力碎漿機(jī)X-Z平面上的壓力分布云圖如圖4(a)所示,其中的局部放大如圖4(b)所示。Z=0平面上的壓力分布云圖如圖5所示。從圖4(b)可以看出,返流板底面壓力較大,而返流板頂面壓力較小。從圖4(a)和圖5可以看出,底部轉(zhuǎn)子區(qū)域壓力最大,達(dá)到2.0 MPa左右,大于O形和D形轉(zhuǎn)子區(qū)域的最大壓力。

圖3　鼓槽體螺旋返流板立式水力碎漿機(jī)內(nèi)部漿料流場殘差監(jiān)測曲線圖

圖5　鼓槽體螺旋返流板立式水力碎漿機(jī)Z=0平面的壓力分布云圖

2.2.3速度分布

(1)速度矢量圖速度矢量圖能夠直觀表征流體的運(yùn)動(dòng)方向、速度大小和總體趨勢。鼓槽體螺旋返流板立式水力碎漿機(jī)內(nèi)部漿料流場X-Z平面上的速度矢量圖如圖6(a)所示。此圖表明,壁面各處的漿料均有向中心聚攏的趨勢。同O形立式水力碎漿機(jī)一樣,鼓槽體螺旋返流板立式水力碎漿機(jī)內(nèi)部漿料流場在立面上仍是對稱的循環(huán)流,但其循環(huán)運(yùn)動(dòng)更為劇烈、湍流程度更高。槽體底部壁面處漿料不斷沿傾斜面爬升且速度并沒有明顯降低,保持在9.6 m/s左右。漿料到達(dá)上部橢球體之后,由于向底部傾斜的壁面和返流板的合力作用,漿料速度方向逐漸改變,更多漿料向中心聚攏,再在循環(huán)流的驅(qū)動(dòng)下返回轉(zhuǎn)子附近。底部中心轉(zhuǎn)子區(qū)域速度最高達(dá)20 m/s左右。

在漿料流場內(nèi)部選取上、中、下分別為Z=4.00、Z=2.25、Z=0.50 3個(gè)平面作為代表,截取其速度矢量圖(見圖6(b))。從圖6(b)可以看出,槽體內(nèi)上、中、下各水平面的漿料與O形立式水力碎漿機(jī)形成相似的水平向旋轉(zhuǎn)流,旋流方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向一致。從圖6(b)還可以看出,在返流板的作用下，漿料轉(zhuǎn)向明顯,可以更迅速地向中心聚攏。

(2)軸向速度散點(diǎn)圖圖7為鼓槽體、O形和D形3種槽體的立式水力碎漿機(jī)的軸向速度散點(diǎn)圖。從圖7可見,3種立式水力碎漿機(jī)內(nèi)部漿料流場中位于不同平面的5條交線的軸向速度分布規(guī)律基本一致,即靠近壁面漿料的軸向速度為正,進(jìn)而在豎直方向上做爬升運(yùn)動(dòng)；靠近轉(zhuǎn)子中心軸漿料的軸向速度為負(fù),進(jìn)而在豎直方向上做下沉運(yùn)動(dòng)。

圖6　鼓槽體內(nèi)部流場速度矢量圖

圖7　不同槽體立式水力碎漿機(jī)的軸向速度散點(diǎn)圖

從圖7還可以明顯看出,鼓槽體螺旋返流板立式水力碎漿機(jī)中心軸附近區(qū)域漿料的下沉速度大于O形和D形立式水力碎漿機(jī),漿料呈迅速聚集至槽底中心轉(zhuǎn)子附近的趨勢,增加了其與轉(zhuǎn)子接觸的機(jī)會(huì),有利于提高碎漿效率。另外,在鼓槽體中靠近壁面附近漿料的爬升速度大于O形槽體,這是由于錐形段對漿料的提升作用；然而在位于內(nèi)部漿料流場上部的Line-3、Line- 4、Line-5靠近壁面處的軸向速度小于O形和D形槽體,這是返流板起到了改變漿料軸向運(yùn)動(dòng)方向的作用,使得漿料向流場下部聚攏。

(3)徑向速度散點(diǎn)圖圖8為不同槽體立式水

力碎漿機(jī)的徑向速度散點(diǎn)圖。從圖8可見,3種類型內(nèi)部漿料流場中位于不同平面的5條交線的軸向速度分布規(guī)律基本一致,即Line-3、Line- 4、Line-5與Line-1、Line-2的徑向速度方向相反,表明流場下部漿料在跟隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的離心力驅(qū)動(dòng)下由中心軸流至壁面,而流場上部漿料則由壁面流向中心軸。

從圖8還可以明顯看出,無論是從中心軸流向壁面還是從壁面返至中心軸,鼓槽體內(nèi)部漿料流場的徑向速度均明顯大于O形和D形槽體,這證明鼓槽體螺旋返流板立式水力碎漿機(jī)內(nèi)部漿料的運(yùn)動(dòng)路徑發(fā)生了明顯變化,更多漿料更頻繁地向中心聚攏。

(4)切向速度散點(diǎn)圖圖9為不同槽體立式水力碎漿機(jī)的切向速度散點(diǎn)圖。從圖9可見,3種類型內(nèi)部漿料流場中位于不同平面的5條交線的切向速度分布規(guī)律基本一致,即從中心軸向壁面處先逐漸增大，然后迅速減小,且在壁面處達(dá)到最小值。

從圖9還可以明顯看出,鼓槽體內(nèi)部漿料流場的切向速度在中心區(qū)域大于O形和D形槽體,這說明鼓槽體螺旋返流板立式水力碎漿機(jī)內(nèi)部漿料的圓周運(yùn)動(dòng)較O形和D形更明顯。盡管在靠近壁面區(qū)域鼓槽體的切向速度小于O形和D形槽體,但是此時(shí)徑向速度卻明顯提高。這是間隔擋板使?jié){料圓周運(yùn)動(dòng)受阻,改變運(yùn)動(dòng)方向,切向速度一部分轉(zhuǎn)變?yōu)閺较蛩俣?因此,鼓槽體內(nèi)部漿料在壁面處切向速度會(huì)明顯降低。

(5)總速度散點(diǎn)圖圖10為不同槽體內(nèi)部漿料流場中Line-1的總速度散點(diǎn)對比圖。Line-1是位于倒錐形段最接近轉(zhuǎn)子上平面的特征線。該條特征線上的速度能夠充分體現(xiàn)出漿料剛離開轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)區(qū)域流向壁面時(shí)速度的變化情況。從圖10可以看出,D形和O形的壁面速度為0,鼓槽體螺旋返流板立式水力碎漿機(jī)的壁面速度比O形和D形約大5 m/s,可見錐形過渡段有效降低了漿料因徑向撞擊壁面造成的動(dòng)能損失。同時(shí),鼓槽體壁面附近的速度最高約達(dá)17 m/s,明顯高于O形和D形。

圖8　不同槽體立式水力碎漿機(jī)的徑向速度散點(diǎn)圖

圖9　不同槽體立式水力碎漿機(jī)的切向速度散點(diǎn)圖

2.2.4湍流強(qiáng)度分布

(1)湍流強(qiáng)度分布云圖湍流強(qiáng)度是衡量立式水力碎漿機(jī)碎漿效果的直觀指標(biāo)。鼓槽體螺旋返流板立式水力碎漿機(jī)內(nèi)部漿料流場X-Z特征平面的湍流強(qiáng)度分布如圖11(a)所示。取Z=4.00、Z=2.25和Z=0.50上、中、下3個(gè)截面上的湍流強(qiáng)度分布特征來代表水平面上的湍流強(qiáng)度分布(見圖11(b))。圖11表明,同O形立式水力碎漿機(jī)一樣,鼓槽體內(nèi)部湍流強(qiáng)度呈對稱分布；底部轉(zhuǎn)子葉片處湍流強(qiáng)度最高(約為1260%),流場頂部中心區(qū)域湍流強(qiáng)度最低(約為16%)。另外,從圖11(b)可以看出,在邊緣返流板區(qū)域湍流強(qiáng)度明顯增強(qiáng),平均比鄰近區(qū)域增強(qiáng)了近100%,這是由于返流板改變漿料運(yùn)行路徑而加強(qiáng)了漿料的湍動(dòng),使得漿料通過自身搓揉以及與漿流之間的摩擦實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步碎解。

(2)湍流強(qiáng)度分布散點(diǎn)圖圖12為不同類型槽體立式水力碎漿機(jī)的湍流強(qiáng)度散點(diǎn)圖。從圖12可見,3種類型槽體內(nèi)部漿料流場中位于不同平面的5條交線的湍流強(qiáng)度分布規(guī)律基本一致,均為對稱分布,且都是從中心軸向壁面處先逐漸增大而后迅速減小。

從圖12還可以很明顯地觀察到,較O形槽體結(jié)構(gòu)，鼓槽體結(jié)構(gòu)中心低湍流區(qū)域半徑顯著縮小,平均縮小到O形槽體的12.9%左右,與D形槽體結(jié)構(gòu)接近。立式水力碎漿機(jī)碎漿的核心區(qū)域是中心底部轉(zhuǎn)子區(qū)域；在該區(qū)域，漿料與轉(zhuǎn)子接觸，并能得到整個(gè)流場中最大程度的碎解處理,從而湍流強(qiáng)度增強(qiáng)。中心低湍流區(qū)域半徑越小表明漿料越快達(dá)到高湍流狀態(tài),即碎漿效果越好。

圖10　不同槽體立式水力碎漿機(jī)Line-1上的總速度散點(diǎn)圖

圖11　鼓槽體螺旋返流板立式水力碎漿機(jī)內(nèi)部漿料流場湍流強(qiáng)度分布云圖

圖12　不同槽體立式水力碎漿機(jī)的湍流強(qiáng)度散點(diǎn)圖

3　不同槽體立式水力碎漿機(jī)的應(yīng)用

為了對上述數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,專門定制了3種小型碎漿裝置(O形、D形和鼓槽體立式水力碎漿機(jī)),以對比三者的碎漿效率和機(jī)械振動(dòng)烈度。

3.1碎漿效率的比較

3.1.1實(shí)驗(yàn)原料及實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)原料為OCC。

實(shí)驗(yàn)儀器：①O形立式水力碎漿機(jī)殼體、D形立式水力碎漿機(jī)及鼓槽體螺旋返流板立式水力碎漿機(jī)的殼體均為有機(jī)玻璃材質(zhì),容積1000 cm3；②實(shí)驗(yàn)室用攪拌器轉(zhuǎn)子(帶齒葉片),不銹鋼材質(zhì),直徑6 cm,400 r/min；③篩板,1 cm×1 cm方形篩孔；④烘箱,101型電熱鼓風(fēng)干燥箱,105℃下干燥12 h；⑤天平。

3.1.2實(shí)驗(yàn)步驟

(1)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備將OCC絕干漿板撕成3 cm×3 cm的碎片,稱取30 g,加水配至漿濃6%，總共準(zhǔn)備27個(gè)試樣。對于同樣的實(shí)驗(yàn)樣品,利用O形、D形、鼓槽體螺旋返流板立式水力碎漿機(jī)分別碎解5.0、7.5、10.0 min后對比其碎漿效果。

(2)實(shí)驗(yàn)過程將準(zhǔn)備好的試樣加入不同立式水力碎漿機(jī)中,調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速至400 r/min,開始計(jì)時(shí),5.0 min后停止碎解。取出碎解后的試樣,通過篩板進(jìn)行篩選。將無法通過篩板的碎片收集起來,干燥后稱重,并計(jì)算碎漿效率,見式(1)：

(1)

式(1)中,m為未通過篩板碎片的絕干質(zhì)量(g)。

按以上過程再計(jì)算不同槽體立式水力碎漿機(jī)碎解7.5 min和10.0 min后的碎漿效率。

圖13　不同槽體立式水力碎漿機(jī)的碎漿效果

3.1.3碎漿效果與分析

不同槽體立式水力碎漿機(jī)碎漿效果如圖13所示。由圖13可知,碎漿效率隨碎漿時(shí)間的延長而提高。同時(shí)，該結(jié)果證實(shí)了數(shù)值模擬的結(jié)果,即鼓槽體螺旋返流板立式水力碎漿機(jī)的碎漿效率明顯高于O形立式水力碎漿機(jī),而且,也略高于D形立式水力碎漿機(jī)。

圖14　不同槽體立式水力碎漿機(jī)的振動(dòng)波形圖

3.2振動(dòng)烈度的比較

一般來說,設(shè)備的振動(dòng)烈度是以振幅有效值來表征的；設(shè)備的振幅有效值越高,則其振動(dòng)烈度越高,振動(dòng)就越劇烈。為了直觀表征立式水力碎漿機(jī)槽體在碎漿時(shí)的振動(dòng)情況,在碎漿機(jī)壁上連接了采集振動(dòng)和動(dòng)態(tài)信號的加速度傳感器,測得其振動(dòng)波形,然后,比較不同槽體立式水力碎漿機(jī)的運(yùn)行平穩(wěn)性。

3.2.1實(shí)驗(yàn)原料和儀器

除了利用3.1.1所述的實(shí)驗(yàn)原料和儀器外,還需1臺(tái)振動(dòng)及動(dòng)態(tài)信號采集分析儀器(南京安正公司,200 A)。

3.2.2實(shí)驗(yàn)過程

首先,連接加速度傳感器,然后,點(diǎn)擊“開始采集”,再啟動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。記錄3種立式水力碎漿機(jī)在碎漿時(shí)間5～10 min之間的振動(dòng)曲線(碎漿初期運(yùn)行不穩(wěn)定,而碎漿末期碎漿效果不明顯),并對比其振幅有效值。

3.2.3振動(dòng)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)獲得的振動(dòng)波形如圖14所示。從圖14可以得到,O形、D形和鼓槽體立式水力碎漿機(jī)的振幅有效值分別為8.64、34.70和15.54,即振動(dòng)烈度從大到小依次是D形>鼓槽體>O形。

4　結(jié)　論

4.1鼓槽體螺旋返流板立式水力碎漿機(jī)碎漿過程中，在其槽體上部的橢球弧形收口和槽體內(nèi)壁的返流板形成合力的作用下,可改變漿料移動(dòng)路徑,將漿料同時(shí)向槽體中心和槽底轉(zhuǎn)子區(qū)域推送,提高了碎漿效果；同時(shí),漿料的湍流強(qiáng)度除了在轉(zhuǎn)子葉片附近達(dá)到最大(為1260%)外,在返流板附近湍流強(qiáng)度平均增強(qiáng)了100%,從而除了在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)區(qū)域完成碎漿外,在返流板處漿料內(nèi)部還能產(chǎn)生攪動(dòng),促進(jìn)纖維分散。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,鼓槽體螺旋返流板立式水力碎漿機(jī)的碎漿效率高于O形和D形立式水力碎漿機(jī),即具有高效性。

4.2鼓槽體螺旋返流板立式水力碎漿機(jī)底部到槽壁的過渡段采用了倒錐體底部。這種底部結(jié)構(gòu)使得碎漿機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的漿料流得以轉(zhuǎn)向,同時(shí),撞擊后漿料速度仍可達(dá)到5 m/s(而D形和O形的壁面速度為0),其能夠有效降低因徑向撞擊壁面造成的能量損失,即其可以節(jié)能。

4.3鼓槽體螺旋返流板立式水力碎漿機(jī)在碎漿過程中振動(dòng)烈度遠(yuǎn)低于具有不對稱結(jié)構(gòu)的D形立式水力碎漿機(jī),產(chǎn)生較小的振動(dòng),即具有運(yùn)行平衡穩(wěn)定性和安全性。

4.4鼓槽體螺旋返流板立式水力碎漿機(jī)是一種具有高效、節(jié)能、運(yùn)行平衡、振動(dòng)小、安全穩(wěn)定的新型立式水力碎漿機(jī),其結(jié)構(gòu)特征關(guān)鍵在于槽體采用鼓形結(jié)構(gòu)和槽壁上焊有反流向、45°螺旋線、間斷排布、帶凹槽的梯形截面返流板,該結(jié)構(gòu)使其兼顧O形槽體對稱性和D形槽體漿料流場湍流強(qiáng)度較高的優(yōu)點(diǎn),且克服了兩者的不足。

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(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(Ⅱ)

DOU JingZHANG FangSHA Jiu-longZHANG Hui*

(JiangsuProvincialKeyLabofPulpandPaperScienceandTechnology，NanjingForestryUniversity，Nanjing，JiangsuProvince， 210037)

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

Based on the various types of the structure of vertical hydraulic pulpers and qualitative and quantitative theoretical analysis of their advantages and disadvantages, a new high-efficient, energy-saving and stable and balanced runnining type of the tank structure was put forward. Then, the 5% concentration of pulp suspension flow fields inside the new-type tank was simulated with FLUENT software, and the distribution of pressure, velocity and turbulence intensity were obtained and analyzed by comparing with the O-shaped and D-shaped tanks. At last, a pulping experiment was carried out using laboratory-sized pulpers to verify the simulation result. The results showed that the new-type tank was drum-shaped and with spiral baffles on the wall, and the baffles were in the opposite direction of pulp flow, 45° spiral, interval and with a trapezoid vertical section and grooves on its top; its ellipsoidal upper structure and baffles push pulp flow to the rotor at the center and bottom of the tank, moreover, the turbulence intensity near the baffles was 100% higher than the areas around it, so pulping efficiency was greatly increased, which was verified in the later pulping experiment; and the velocity of pulp at the wall of the inverted cone was 5 m/s, which indicated that energy consumption of the new-type tank caused by pulp radially hitting the wall could be obviously decreased. The RMS of the drum-shaped tank during pulping activity was much lower than that of the D-shaped tank, which meant the flow field inside the drum-shaped tank was symmetrical and balanced.

drum-shaped vertical hydraulic pulper with spiral baffles； distribution of fiber slurry flow； fluent； numerical simulation

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)03- 0022- 08