基于CFD數值模擬的紙漿壓力篩篩鼓棒條形狀改進分析

榮學青 史巖彬，* 張麗麗 苗海濱

(1.齊魯工業(yè)大學機械與汽車工程學院，山東濟南，250353；2.山東杰鋒機械制造有限公司，山東淄博，255200)

·壓力篩篩鼓棒條·

基于CFD數值模擬的紙漿壓力篩篩鼓棒條形狀改進分析

榮學青1史巖彬1，*張麗麗1苗海濱2

(1.齊魯工業(yè)大學機械與汽車工程學院，山東濟南，250353；2.山東杰鋒機械制造有限公司，山東淄博，255200)

為了提高紙漿壓力篩的產量，采用CFD(Computational Fluid Dynamics)對壓力篩篩鼓棒條周圍的流場進行數值模擬。通過比較壓力篩篩鼓棒條形狀變化時的流場壓力、湍流動能和速度云圖的變化，發(fā)現棒條形狀變化時，渦流的位置和大小也發(fā)生變化。在其他工作狀態(tài)及結構條件不變的情況下，棒條形狀改變，還會引起出口流量的變化，即棒齒寬度AB值對篩漿口流場產生一定影響，該值存在一個最優(yōu)值。

壓力篩；篩鼓；棒條；紙漿流場；數值模擬；改進分析

在造紙行業(yè)中，壓力篩的產量問題一直是造紙行業(yè)最關心的問題之一。現今造紙行業(yè)正處于高速發(fā)展時期[1]，提高壓力篩產量的方法有很多種，其中改變篩縫處結構是一種非常有效的方法。陳永利等人[2]通過改變篩縫處倒角的尺寸，較大地提高了紙漿通過篩縫的效率；而文獻[3]采用了棒條波紋型篩鼓，有效地改變紙漿纖維的切向流動，加快了紙漿纖維通過篩縫速度，與普通光滑內表面篩鼓相比，其篩選能力提高30%～50%。另一種常用的方法是通過改變轉子和篩鼓的距離，改變內外壓差增加回流，防止紙漿纖維堵塞篩縫。婁曉丹等人[4]通過優(yōu)化轉子旋翼結構尺寸的方法增加了回流的效果，反沖洗堵塞的篩縫，有效地提高了開孔率。

由此可知，篩鼓棒條形狀對流場的變化有很大影響。因此研究棒條形狀引起的流場變化，進而優(yōu)化篩鼓棒條結構，具有重要的實用價值。目前運用CFD 數值模擬研究復雜流場及相關特性，成為開發(fā)裝備和優(yōu)化關鍵結構的一種有效手段。隨著計算機能力的發(fā)展[5]和提高，越來越多數值模擬技術被用于改進壓力篩結構工作當中[6]，但關于壓力篩篩鼓棒條結構尺寸對壓力篩產量影響的研究較少。因此，本研究采用CFD技術，分析了篩鼓棒條周圍紙漿的流動狀態(tài)，進而分析其流場特性，為優(yōu)化和改進篩鼓棒條結構尺寸提供理論支持。

1 數學模型的建立

根據非牛頓流體流動特性，認為壓力篩中紙漿流動應看做三維湍流問題。對于湍流的復雜性，要選擇合適的理論假設和計算模型。本研究有以下的假設和簡化：

(1)由于壓力篩外部和內部的壓差變化不大，可把漿料看做不可壓縮流體，流體相和顆粒相均為連續(xù)介質。

(2)壓力篩內部溫度變化很小，流體相與顆粒相的能量轉化就很小，為了簡化計算模型，不考慮其中的相互作用力。

(3)紙漿纖維看作長圓柱體，用r表示紙漿纖維半徑，l表示紙漿纖維的長度。

纖維表面積可表示為：

(1)

根據上述假設，采用應用型k-ε湍流模型方程[7]推斷出紙漿流動[8]的方程為：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

2 仿真模型的建立

2.1幾何模型的構建及網格劃分

以某企業(yè)提供的某型升流式壓力篩為研究對象，其篩鼓和棒條形狀如圖1所示。通過對圖1(a)局部結構放大，可以清楚地觀察到篩鼓結構。對壓力篩篩鼓做任意水平截面，任意截面面積是不變的，并且任意截面都能觀察出紙漿在壓力篩內部的流動情況，任意截面出口流量乘以篩鼓高度都能計算出整體篩鼓流量。因此對于等截面流動，可以簡化為二維模型，這樣可降低計算量且能夠反映現實情況。本研究根據實際壓力篩模型尺寸，構建壓力篩篩鼓棒條幾何模型如圖2(a)所示。從圖2(a)可見，紙漿從入口處進入，部分紙漿通過篩縫從出口1和出口2流出，剩余紙漿從出口3流出，本研究通過分析篩縫紙漿流量，計算出出口1和出口2的流量。

圖2(b)為幾何模型網格圖，由于流場內速度壓力變化明顯，在拐角處多漩渦，因此采用四邊形非結構性網格劃分網格，選用這種網格在獲得速度和壓力云圖時，能更明顯地觀察云圖的變化，也便于后期對云圖的分析得到相對準確的結論。

圖1 壓力篩篩鼓和棒條形狀結構圖

2.2模擬計算參數取值設置

由某廠提供的漂白針葉木漿，經測得紙漿濃度3%，打漿度16°SR，密度ρ=1007 kg/m3，漿料動力黏度v=0.02566 Pa·s=0.02566 N·s/m2。現場測量廠家實際生產時數據，相對壓強p=0.03 MPa，入口設置為速度入口s=18 m/s，設置出口為任意出口，出口1和出口2為壓力出口，其表壓都為0，進口湍流強度I=5%。

2.3模型求解

運用CFD方法對壓力篩篩鼓棒條幾何模型進行求解。面向紙漿在篩內流動，考慮到漩渦對流量的作用，本研究采用應用型k-ε湍流模型方程[6]，該方程是目前應用最廣泛的湍流模型，并且大量的工程實踐表明，在模擬強流線彎曲、漩渦和旋轉等流場有更好地表現。同時為了降低速度場和壓力場之間的相互影響，選用SIMPLE算法計算，該算法假設速度場和壓力場各自獨立運行，大大減少計算周期，同時在做速度修正時，忽略不同位置的速度修正量之間的影響。

圖2 壓力篩篩鼓棒條幾何模型(a)和模型網格圖(b)

AB距離/mm出口1流量/kg·s-1出口2流量/kg·s-1出口總流量/kg·s-11.05.61395.694511.30841.55.74195.839011.58092.06.31355.483411.79692.56.48135.753012.23433.05.76005.794011.55403.56.96614.605311.5714

3 結果與分析

3.1流量與速度場的分析

對圖2(a)H=4.0 mm的模型進行數值模擬，在幾何模型中改變AB距離，分別進行了6次數值模擬，根據AB距離變化時的出口1和出口2流量以及出口總流量(見表1)，可以看出在AB距離為2.5 mm時，出口總流量最大為12.2343 kg/s，通過對比最大出口總流量和最小出口總流量，流量增加了8.2%。另外，通過圖3可更直觀地看出出口總流量的大體變化趨勢，隨著AB距離逐漸增大，出口流量的變化趨勢為先增大后減小。

不同改進方案模擬的紙漿流場速度云圖見圖4。從圖4中觀察A點附近的速度變化情況可以看出，從AB=1.0 mm到AB=2.5 mm的右移過程中，A點附近速度小的區(qū)域逐漸減小。當AB=2.5 mm時，紙漿進入篩縫處的速度過渡更平穩(wěn)，速度變化更小。AB>2.5 mm時，隨著A點位置繼續(xù)右移，A點附近速度區(qū)域變化不大。然后從圖4中觀察篩縫中速度變化，從AB=1.0 mm到AB=2.5 mm的右移過程中，在出口1篩縫中速度變化不明顯，而出口2篩縫中速度明顯變大。在AB=2.5 mm時，出口2篩縫中速度最大，隨著AB距離的繼續(xù)變大，出口2篩縫中速度開始逐漸減小。另外，隨著A點逐漸靠近篩縫，可能會導致漿料或者雜質在篩縫附近堆積，篩縫更容易堵塞，結合圖4速度云圖的分析以及表1中出口總流量對比，由此可以得出當AB=2.5 mm時，為較優(yōu)方案。

考慮到棒齒高度與AB距離之間的共同作用會影響篩縫進口處的流場變化，將圖2(a)中H的距離增加到5.0 mm，進行數值模擬，得到圖5。對比圖4和圖5，觀察到紙漿在流入篩縫和流出篩縫時，速度變化不明顯，但是篩縫處上部的速度明顯更快，速度的變大帶來壓力的減小，相應地減少流過篩縫的紙漿，反而流過出口3的紙漿所占總質量比例會增大，因此H距離的增大在該工況下是不利的。

圖3 H=4.0 mm時，AB不同取值時通過 篩縫出口總流量的變化

圖4 H=4.0 mm時，AB不同取值的速度云圖

圖5 H=5.0 mm時，AB不同取值的速度云圖

3.2湍流動能和總壓力分析

在分析出口流量和速度云圖的基礎上，得出在AB距離為2.5 mm時為較優(yōu)距離。下面再對AB=1.0 mm和AB=2.5 mm兩種情況下壓力篩篩鼓棒條流場的湍流動能和總壓力進行比較。

篩鼓棒條模型的湍流動能見圖6。從云圖6中看出，在AB=1.0 mm時，A點上方位置的湍流動能很明顯，而且A點周圍的湍流動能分布不均勻，說明這里的湍流變化很大，容易引起漩渦，不利于紙漿通過篩縫；在AB=2.5 mm時，A點上方位置湍流動能變化不明顯，可看出，當AB=2.5 mm時，A點到篩縫處湍流動能逐漸減小并且過渡更平穩(wěn)，即AB=2.5 mm的方案為最佳方案。

篩鼓棒條模型的總壓云圖見圖7。從總壓云圖7中可以看出，AB距離逐漸增大使得A點處的低壓區(qū)域減小，低壓區(qū)域的存在容易產生漩渦，漩渦不利于紙漿纖維通過篩縫，而在AB=2.5 mm時，A點周圍的總壓分布比AB=1.0 mm更平穩(wěn)，漩渦更少，這樣更有利于漿料通過篩縫。

3.3不同漿料在模型中運動情況

為了檢驗不同漿料在最優(yōu)尺寸模型中的運動情況，本研究另外選用兩種典型紙漿在AB=2.5 mm時，進行數值模擬，使獲得的結論更具有實際意義和應用價值。兩種漿料分別為未漂針葉木漿(紙漿濃度3%，打漿度15°SR，密度ρ=980 kg/m3，漿料動力黏度v=0.019 Pa·s=0.019 N·s/m2)和漂白闊葉木漿(紙漿濃度5%，打漿度36°SR，密度ρ=950 kg/m3，漿料動力黏度v=0.011 Pa·s=0.011N·s/m2)，經過模擬計算如圖8、圖9、圖10所示，分別為漂白針葉木漿、未漂針葉木漿和漂白闊葉木漿的對應的速度云圖、總壓云圖和湍流動能云圖。

圖6 篩鼓棒條模型的湍流動能云圖

圖7 篩鼓棒條模型的總壓云圖

圖8 同一工況下三種漿料的速度云圖

圖9 同一工況下三種漿料的總壓云圖

圖10 同一工況下三種漿料的湍流動能云圖

由圖8可以看出，漂白闊葉木漿通過篩縫后速度比漂白針葉木漿明顯更快，但與未漂針葉木漿相差不大。在圖9中，漂白針葉木漿篩縫上部壓力比漂白闊葉木漿壓力大，與未漂針葉木漿相差不大，而未漂針葉木漿在A點上方壓力小區(qū)域的面積減小，相比另外兩種紙漿，壓力過渡更平穩(wěn)，不易產生漩渦等。在圖10中，未漂針葉木漿篩縫周圍湍流強度變化不大。綜上分析可知，可以得出該尺寸工況更適合未漂針葉木漿。

在實際設備制造過程中，由于篩鼓棒條尺寸較小，往往會忽視它對整體產量的影響，而本研究通過數值模擬分析，認為棒條對流量的影響很明顯，且具有一定規(guī)律。

4 結 論

(1)渦流對漿料通過篩縫時的速度、壓力和湍流動能產生影響，通過改變A點的位置可以使渦流減小并遠離篩縫，增加通過篩縫的漿料，增加出口流量。

(2)通過模擬分析對比各種方案的壓力、湍流動能和速度云圖，可以得出漿料在篩縫處的流動速度的變化快慢，為篩鼓棒條形狀優(yōu)化提供了依據。

(3)在模擬條件下，篩鼓棒條形狀改變影響了漿料流動情況，AB距離的變化使出口漿料的流量發(fā)生變化，并且在AB=2.5 mm時，最大出口流量為12.2343 kg/s，最小出口流量為11.3084 kg/s，流量增加8.2%，因此，得出棒齒AB值對流場產生影響，且具有一個最優(yōu)值。

(4)通過分析不同類型紙漿流動過程，發(fā)現本研究獲得的最佳工尺數值下更適合未漂針葉木漿。

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(責任編輯：常 青)

ImprovedAnalysisfortheShapeofDrumBarofthePulpPressureScreenBasedonCFDNumericalSimulation

RONG Xue-qing1SHI Yan-bin1,*ZHANG Li-li1MIAO Hai-bin2

(1.SchoolofMechanical&AutomotiveEngineering,QiluUniversityofTechnology,Ji’nan,ShandongProvince, 250353; 2.ShandongJiefengMachineryManufacturingCo.,Ltd.,Zibo,ShandongProvince, 256206)

In order to improve the production of pulp pressure screen, CFD (Computational Fluid Dynamics) was used to simulate the flow field around the screen drum bar. This paper compares the changes of flow field pressure, turbulence kinetic energy and velocity nephogram, which were caused by the change of the shape of the pressure screen drum bars. The results verified that when the bars shape changed, the position and size of the eddy current also changed. Furthermore, when the work condition and structures (other than bar) remained unchanged, the change of the shape of bars would cause changes in the export flow, which indicated that the width of the bar AB had influence on the flow field around the export of screen drum, furthermore, there was an optimal value of the width of AB．

pressure screen; sieve drum; stick; the pulp flow field; simulation; improve analyze

榮學青先生，在讀碩士研究生；研究方向為過程檢測與控制技術。

TS733+.3；TQ018

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.09.011

2017- 06- 06(修改稿)

山東省重點研發(fā)計劃項目(NO.2015GGX103022);濟南市高校院所自主創(chuàng)新計劃項目(NO.201401227)。

*通信作者:史巖彬，博士，教授；研究方向為化工過程機械、多相流數值模擬與仿真。

(*E-mail: syb@qlu.edu.cn)