盤磨機(jī)磨區(qū)內(nèi)紙漿流動(dòng)研究與進(jìn)展

劉 歡 董繼先 韓魯冰

(陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安，710021)

·盤磨機(jī)·

盤磨機(jī)磨區(qū)內(nèi)紙漿流動(dòng)研究與進(jìn)展

劉 歡 董繼先*韓魯冰

(陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安，710021)

介紹了制漿過程中盤磨機(jī)磨區(qū)內(nèi)紙漿纖維、水及水蒸氣三相流體的復(fù)雜流動(dòng)，闡述了磨區(qū)漿料流動(dòng)對(duì)磨齒捕獲沖擊纖維、磨齒的優(yōu)化及磨漿效果的影響。重點(diǎn)對(duì)國內(nèi)外盤磨機(jī)磨區(qū)內(nèi)漿料流動(dòng)的CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))模擬及實(shí)驗(yàn)研究的最新進(jìn)展進(jìn)行了綜述，同時(shí)對(duì)今后的研究方向提出展望。

盤磨機(jī)；三相流體；CFD；研究進(jìn)展

本課題為國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：50745048)。

近年來我國造紙行業(yè)不斷發(fā)展，節(jié)能降耗、提質(zhì)增效已成為新時(shí)期的發(fā)展方向。機(jī)械制漿由于其得率高、磨漿質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，盤磨機(jī)作為機(jī)械制漿的關(guān)鍵設(shè)備，工作過程中功率較高，耗電量極大，尤其在高濃磨漿中更為明顯，也是制漿過程節(jié)能降耗重點(diǎn)研究的方向。

本課題從盤磨機(jī)磨區(qū)內(nèi)纖維、水及水蒸氣三相流體流動(dòng)的角度闡述了流體的流動(dòng)形式對(duì)于磨漿效果、磨盤優(yōu)化及節(jié)能降耗等方面的影響；綜述了國內(nèi)外對(duì)于磨區(qū)內(nèi)漿料流動(dòng)的模擬及實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展。

1 磨區(qū)三相流體流動(dòng)的特征及研究

磨漿過程中漿料由中心進(jìn)入磨區(qū)，在磨齒的作用下，流體在磨盤間隙及磨齒間做復(fù)雜的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，由于磨齒對(duì)漿料的捕獲和釋放，使其頻繁與纖維及齒面揉搓、碰撞，最終以一定的形式甩出磨區(qū)，磨漿結(jié)束。由于磨盤的高速旋轉(zhuǎn)使得磨區(qū)溫度急劇升高，纖維、稀釋水兩相流體中的稀釋水氣化，形成第三相，在穩(wěn)定的磨漿過程中，纖維、水及蒸汽三相流體的存在使得流動(dòng)形式更加復(fù)雜，影響纖維在磨區(qū)的停留時(shí)間及流體在磨區(qū)的流向，進(jìn)而影響纖維質(zhì)量及磨漿能耗。

1.1磨區(qū)漿料流動(dòng)特征

1979年，F(xiàn)ox[1]用高速攝像技術(shù)研究了配備透明磨盤的盤磨機(jī)磨區(qū)漿料的流動(dòng)情況。研究表明，盤磨機(jī)磨區(qū)流動(dòng)分為循環(huán)區(qū)和出口區(qū)(見圖1)，循環(huán)區(qū)指除了出口和入口區(qū)域之間狹窄區(qū)域之外的磨區(qū)，而出口管道和入口之間的狹窄區(qū)域即為出口區(qū)。

盤磨機(jī)內(nèi)漿料的流動(dòng)為三維流動(dòng)(如圖2)，包括基本流、二次流和三次流，纖維主要通過磨齒捕獲進(jìn)行磨漿隨后釋放排出磨區(qū)；定盤溝槽中的漿料存在回流情況，由于外出流動(dòng)的停滯，磨區(qū)的正壓梯度增加，使得定盤溝槽中漿料出現(xiàn)內(nèi)部流動(dòng)。運(yùn)用透明磨盤搭建的實(shí)驗(yàn)臺(tái)、高速成像技術(shù)提供了研究磨區(qū)流動(dòng)特征和流速測(cè)量技術(shù)的新方法。此后，Atack和Stationwala等人[2-5]也運(yùn)用高速攝像技術(shù)研究了常壓和壓力磨漿過程中紙漿纖維的流動(dòng)形式。

圖2 磨區(qū)三維流動(dòng)形式

1984年，Atack等人[2-3]將盤磨機(jī)磨區(qū)磨齒分為三個(gè)部分：破碎區(qū)、粗磨區(qū)及精磨區(qū)(見圖3)。當(dāng)木屑進(jìn)入磨區(qū)，便會(huì)在破碎區(qū)的作用下碎成粗漿料，在破碎區(qū)漿塊及漿料絮團(tuán)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍動(dòng)，存在循環(huán)回流[3- 4]，但此區(qū)域內(nèi)纖維回流的速度非常緩慢[6]，大部分漿料進(jìn)入磨區(qū)進(jìn)行磨漿；在精磨區(qū)漿向外部流動(dòng)，而粗磨區(qū)漿存在些許回流，當(dāng)精磨區(qū)漿的徑向速度為30 m/s時(shí)，粗磨區(qū)的漿回流速度為1 m/s[6]；在磨區(qū)的外邊緣，漿料沿徑向向外流動(dòng)[2-3]；在定盤溝槽中，漿料的回流確實(shí)存在[3]。

圖3 磨齒分區(qū)簡(jiǎn)圖

H?rk?nen等人[7]運(yùn)用一種理論模型來模擬盤磨機(jī)磨區(qū)的流動(dòng)，研究中考慮到了蒸汽、纖維和水三相，基于質(zhì)量、動(dòng)量及能量守恒推導(dǎo)出模型，描述了水和蒸汽的流速以及磨盤間隙中漿的體積率。由于在模型中部分參數(shù)的獲得存在一定的誤差，使其存在一些缺陷。H?rk?nen在前人研究的基礎(chǔ)上描述了磨盤間隙內(nèi)漿和蒸汽的流動(dòng)簡(jiǎn)圖[8](見圖4)，漿在動(dòng)盤溝槽中不斷向外運(yùn)動(dòng)，而在定盤溝槽內(nèi)可能存在一定形式的回流。學(xué)者研究表明，當(dāng)直徑超過磨盤的臨界直徑時(shí)，定盤溝槽會(huì)出現(xiàn)回流現(xiàn)象[9]，磨區(qū)漿料運(yùn)動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力為動(dòng)盤的旋轉(zhuǎn)，動(dòng)盤溝槽中漿料的加速度、壓力及徑向流率均大于定盤，故定盤在理論上具有回流的趨勢(shì)；蒸汽的流動(dòng)與定盤溝槽中漿料的流動(dòng)有一定的相似之處，磨區(qū)內(nèi)蒸汽可能沿徑向向外流動(dòng)也可能回流，蒸汽流動(dòng)的過程中流速為零的點(diǎn)稱為停滯點(diǎn)，此時(shí)漿料的溫度達(dá)到最大值，停滯點(diǎn)靠近入口一側(cè)，蒸汽回流，反之，蒸汽向磨區(qū)外部運(yùn)動(dòng)。由于漿料喂入流量、漿料的濃度、磨盤間隙及磨盤磨損程度等因素的影響，所以停滯點(diǎn)的位置不固定[10-11]。

圖4 漿料及蒸汽流動(dòng)簡(jiǎn)圖

1.2磨區(qū)漿料流動(dòng)對(duì)磨漿過程的影響

1.2.1磨區(qū)漿料的流動(dòng)影響磨齒對(duì)于纖維的捕獲

漿料進(jìn)入磨區(qū)后，在磨齒或纖維的作用下進(jìn)行磨漿，溝槽中的纖維并不能受到磨漿的作用，只有纖維從溝槽脫離進(jìn)入磨區(qū)，才有可能受到設(shè)備的各種作用，達(dá)到磨漿的目的。Smith提出帚化理論以及后來的比邊緣負(fù)荷(SEL)理論，認(rèn)為大部分纖維是在磨齒邊緣被捕獲而進(jìn)行磨漿的，這一結(jié)論也被后來的研究所證實(shí)[3-5,11]。這就表明纖維進(jìn)入磨區(qū)的首要條件就是漿料被磨齒邊緣所捕獲，在磨齒邊緣對(duì)其施加的作用力下帶入磨區(qū)進(jìn)行磨漿，在溝槽內(nèi)，上方是螺旋流動(dòng)，下方是沿溝槽的徑向流動(dòng)，正是其上方的螺旋渦流，為其進(jìn)入磨區(qū)提供了可能性，研究不同控制參數(shù)及齒型對(duì)渦旋流動(dòng)的影響，對(duì)于磨漿效果及理論的研究有一定的參考價(jià)值。

1.2.2齒面漿料分布影響磨漿效果

比表面負(fù)荷(SSL)理論將SEL理論進(jìn)行了一定的延伸，認(rèn)為磨齒的寬度對(duì)磨漿效果存在影響。當(dāng)漿料被磨齒邊緣帶入磨區(qū)后，纖維在齒面及磨區(qū)形成一定厚度的料層，在齒面的作用下給予漿料一定力的作用，使得磨齒與纖維、纖維與纖維發(fā)生摩擦等作用。漿料在磨區(qū)流動(dòng)受到磨齒的沖擊，所以漿料在磨齒的分布情況也對(duì)磨漿的效果產(chǎn)生一定的影響。由于一般磨盤存在一定的梯度，故不同磨區(qū)的漿料分布情況與其破碎機(jī)理存在一定的聯(lián)系。

Stationwala[5]研究表明磨區(qū)破碎區(qū)70%～80%的磨齒面積被紙漿纖維覆蓋，在破碎區(qū)和精磨區(qū)之間的粗磨區(qū)，齒面覆蓋率較高，而精磨區(qū)的磨齒覆蓋率較低;Alahautala等人[6]通過實(shí)驗(yàn)研究表明破碎區(qū)充滿漿料，而粗磨區(qū)的漿料覆蓋率小于60%，精磨區(qū)的低于10%；H?rk?nen E等人[8]的研究表明，纖維在磨區(qū)的分布情況簡(jiǎn)圖如圖5所示。高濃磨漿的機(jī)理與低濃存在一定的差別，漿料的分布也存在差異，需要進(jìn)一步研究。

圖5 磨區(qū)漿料分布

圖7 高速攝像實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

1.2.3漿料流動(dòng)與磨盤的優(yōu)化

磨齒是磨漿的工具，不同的磨齒形式使得漿料具有不同的流道，同樣也會(huì)產(chǎn)生不同的水力損失，影響纖維在磨區(qū)的停留時(shí)間，進(jìn)而影響磨漿效果。研究表明，合理的設(shè)計(jì)磨齒齒形、布置擋壩，能夠優(yōu)化水力性能，降低能耗。Andritz Lemaxx系列磨片，采用V型齒槽，齒槽較深，在一定程度上能夠降低齒槽所引起的水力損失；在定盤上設(shè)置擋壩能夠減少纖維的回流，進(jìn)而降低水力損失和電能消耗，在動(dòng)盤上設(shè)置擋壩能夠調(diào)節(jié)流量延長纖維在磨區(qū)的停留時(shí)間，優(yōu)化磨漿，Andritz Lemaxx簽名系列磨片(見圖6)，在定盤和動(dòng)盤分別設(shè)置了一定數(shù)量的擋壩，與常規(guī)磨片相比，節(jié)能達(dá)30%[12]。通過磨區(qū)漿料流動(dòng)的研究與磨片設(shè)計(jì)相結(jié)合，尋找出磨齒、擋壩與漿料之間的最佳配備形式。

圖6 Andritz Lemaxx簽名系列磨片

由此可見，機(jī)械制漿中漿料的質(zhì)量、磨齒與纖維的作用機(jī)制及磨盤的優(yōu)化與磨區(qū)漿料的流動(dòng)形式息息相關(guān)；反之，對(duì)于磨區(qū)漿料流動(dòng)的研究將促進(jìn)對(duì)磨漿機(jī)理的認(rèn)知及磨漿設(shè)備的改進(jìn)升級(jí)。

2 磨區(qū)內(nèi)漿料流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)及模擬研究

20世紀(jì)，F(xiàn)ox，Atack，Stationwala等人運(yùn)用高速攝像機(jī)研究了盤磨機(jī)磨區(qū)漿料的流動(dòng)情況，基本對(duì)磨區(qū)漿料的流動(dòng)情況加以描述。磨區(qū)流動(dòng)具體細(xì)節(jié)以及不同參數(shù)對(duì)于漿料流動(dòng)的影響，前人的研究很少涉及，隨著測(cè)量技術(shù)及計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的不斷普及和發(fā)展，對(duì)于磨區(qū)漿料的流動(dòng)情況逐漸深入。

2.1實(shí)驗(yàn)研究

2012年，Wittberg等人[13]運(yùn)用圖7(a)所示實(shí)驗(yàn)裝置研究了低濃盤磨機(jī)中溝槽的流動(dòng)情況。在磨片上開一個(gè)直徑為3 cm的探視孔，通過高速成像技術(shù)對(duì)其中漿料的流動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)，在粗紋磨盤上觀察到，闊葉木磨漿時(shí)溝槽中有高速旋轉(zhuǎn)的螺旋流，而對(duì)于針葉木漿，沿溝槽方向流速較大，螺旋流動(dòng)運(yùn)動(dòng)較少；溝槽中的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)給磨齒邊緣施加了一個(gè)向下的剪力，最終捕獲和傳輸纖維。

2013年，哥倫比亞大學(xué)的Troy Lindsay Mithrush[14]設(shè)計(jì)出如圖7(b)的實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)低濃盤磨機(jī)中的流體流動(dòng)情況進(jìn)行了研究。運(yùn)用非侵入式的流體可視化技術(shù)、粒子跟蹤測(cè)速技術(shù)(PTV)，以聚乙烯紫外線熒光示蹤粒子，對(duì)圖像用相應(yīng)的算法進(jìn)行處理，以可視化的方式展現(xiàn)了平動(dòng)盤和帶有齒槽的動(dòng)盤兩種情況下流體的速度矢量和示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡(見圖8)，顯示了溝槽和磨盤間隙中流體的不同流動(dòng)軌跡。

圖8 兩種情況下流體的流動(dòng)軌跡

2013年，華南理工大學(xué)劉嘉和劉士亮等人[15-17]將高速攝像技術(shù)應(yīng)用于中濃磨漿過程的研究，采用透明磨片，利用染色纖維作為纖維示蹤物，通過高速攝像技術(shù)對(duì)中濃磨漿磨區(qū)內(nèi)纖維變化情況進(jìn)行了完整的拍攝記錄。通過對(duì)圖像的處理與觀察分析，得出不同轉(zhuǎn)速及磨片不同區(qū)域纖維團(tuán)的運(yùn)動(dòng)狀況，并分析了纖維團(tuán)變化的原因；還研究了中、低濃磨漿過程磨片不同區(qū)域中紙漿運(yùn)動(dòng)的狀況，并得出中、低濃磨漿過程中的差異性及紙漿纖維的主要受力情況。

通過運(yùn)用高速攝像機(jī)、先進(jìn)粒子測(cè)速技術(shù)等對(duì)盤磨機(jī)磨區(qū)流體流動(dòng)的可視化研究，對(duì)漿料在磨區(qū)的流動(dòng)形式、速度分布及纖維分離機(jī)理等有了更加直觀的認(rèn)知，對(duì)于磨漿微觀機(jī)制、磨漿機(jī)理等研究起到一定的促進(jìn)作用。

2.2CFD模擬

對(duì)盤磨機(jī)磨區(qū)漿料流動(dòng)的CFD模擬研究進(jìn)行了總結(jié)，按照模型的簡(jiǎn)化，分為三維單齒模型、二維模型、部分磨片及完整磨片模型。

2.2.1三維單齒模型

2012年，Wittberg等人[13]第一次將磨齒簡(jiǎn)化為圖9所示的三維單齒模型，用FLUENT研究了低濃盤磨機(jī)中溝槽的流動(dòng)。將漿料視為單相、不可壓縮的流體，在牛頓和非牛頓流體情況下，分析不同轉(zhuǎn)速、壓差時(shí)溝槽中漿料的徑向流動(dòng)情況。發(fā)現(xiàn)在定盤溝槽內(nèi)存在兩種流動(dòng)形式，齒槽上方的螺旋流動(dòng)以及齒槽底部沿徑向方向的流動(dòng)，而動(dòng)盤溝槽漿料的流動(dòng)與定盤比，較為復(fù)雜，在強(qiáng)烈的螺旋流動(dòng)下，漿料被磨齒捕獲并進(jìn)行磨漿作用，并且漿料的性能、壓差及漿料濃度對(duì)流動(dòng)形式具有很大影響。

圖9 三維單齒模型

2014年，瑞典查爾姆斯理工大學(xué)SIMON INGELSTEN[18]將盤磨機(jī)磨齒簡(jiǎn)化成圖9類似的模型，并建立了紙漿纖維流動(dòng)的湍流模型——ODF模型，借助UDF將ODF和賓漢纖維模型導(dǎo)入FLUENT中進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。通過比較模擬結(jié)果與文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)ODF模型是有效的，但是賓漢模型所模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更為接近，且易于導(dǎo)入模擬，這說明ODF模型還有待于進(jìn)一步研究和發(fā)展。SIMON將盤磨機(jī)磨齒簡(jiǎn)化成與Wittberg的類似的模型，借助于賓漢模型進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)流動(dòng)情況與前人研究類似。但是若磨盤間距大約為幾個(gè)纖維的直徑時(shí)，像賓漢模型那樣把纖維懸浮液看作是連續(xù)流體顯然是不科學(xué)的，借助這樣的模型得出的結(jié)果并不能顯示細(xì)節(jié)，只能描述大概的流動(dòng)情況。

2016年，Anton Lundberg等人[19]同樣將賓漢流體模型應(yīng)用于盤磨機(jī)磨齒流動(dòng)的研究，對(duì)兩種高寬比的單齒齒槽(見圖10)進(jìn)行了模擬，研究了兩種情況下齒槽中流體的流動(dòng)情況、不同半徑截面的壓力分布、有效黏度、速度分布等，指出下一步研究應(yīng)集中在探究機(jī)械制漿過程中的分絲帚化情況，包括汽蝕產(chǎn)生條件及空載功率的探究。

圖10 不同高寬比的齒槽模型

2011年，瑞典皇家理工學(xué)院的Khokhar[20]將盤磨機(jī)磨齒簡(jiǎn)化成單齒模型，將流體認(rèn)為是單相的牛頓流體，動(dòng)力黏度為水的100倍，在不同壓力梯度及轉(zhuǎn)速的情況下，將磨盤簡(jiǎn)化為如圖11所示的兩種情況，分別研究了動(dòng)盤和定盤溝槽的流動(dòng)情況。結(jié)果表明動(dòng)盤溝槽的流動(dòng)情況取決于壓差和磨盤的轉(zhuǎn)速，而定盤溝槽的流體流動(dòng)主要受壓差的影響，轉(zhuǎn)速對(duì)其影響很小。Khokhar也對(duì)對(duì)磨盤間的流動(dòng)形式做了介紹，認(rèn)為動(dòng)盤溝槽的流體流向外側(cè)邊界，而定盤流向中間，旋轉(zhuǎn)流動(dòng)在定盤和動(dòng)盤中均能看見，使得纖維被磨齒捕獲進(jìn)而進(jìn)行磨漿，與Fox的結(jié)果一樣。

圖11 磨盤流動(dòng)研究的兩種簡(jiǎn)化

2.2.2二維磨齒模型

2013年，加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)的Nina[21]在研究低濃磨漿機(jī)的空載能耗時(shí)，分析了低濃磨漿過程中牛頓流體在磨盤間隙的二維流動(dòng)。運(yùn)用FLUENT對(duì)圖12(a)的簡(jiǎn)化模型進(jìn)行模擬，首先研究了不同磨齒間隙時(shí)，在不同時(shí)間的流體流動(dòng)情況，將漿料的流動(dòng)情況分為穩(wěn)定和非穩(wěn)定兩種情況，表明漿料在不穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)被磨齒帶入相鄰的齒面；其次為了研究定盤中漿料的接觸，引入了被動(dòng)標(biāo)量來代表示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)；通過改變齒槽縱橫比W/T，研究了齒槽的縱橫比W/T對(duì)于流場(chǎng)的影響，表明隨著縱橫比增大，旋渦數(shù)量逐漸減小，如圖12(b)所示。

圖12 模型簡(jiǎn)化及模擬結(jié)果

2.2.3部分及完整磨片模型

Grzegorz Kondora和Dariusz Asendrych對(duì)[22-23]低濃盤磨機(jī)中磨片的1/12及完整磨片作為模型(見圖13)進(jìn)行了分析，將紙漿看作單相連續(xù)的流體，運(yùn)用GAMBIT對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，F(xiàn)LUENT進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。通過改變齒形參數(shù)、纖維特性、紙漿濃度等，研究了磨區(qū)的流動(dòng)情況。通過簡(jiǎn)化模型的模擬，發(fā)現(xiàn)CFD模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)研究基本一致，表明漿料濃度對(duì)二次流的強(qiáng)度和纖維內(nèi)部循環(huán)具有重要影響；在完整磨盤模擬時(shí)發(fā)現(xiàn)，出口區(qū)域的壓力與其他區(qū)域差別很大，這與Fox等人提出的磨區(qū)漿料流動(dòng)分為循環(huán)區(qū)和出口區(qū)的論斷基本保持一致(見圖14)。

2014年，東北林業(yè)大學(xué)的劉龍[24]結(jié)合流體力學(xué)及數(shù)值模擬的方法，將磨盤簡(jiǎn)化，采用磨盤的1/104作為模型進(jìn)行分析，如圖15所示。分別改變模型中的磨盤間隙、磨齒傾角等參數(shù)，總結(jié)磨盤間隙中壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)及流體運(yùn)動(dòng)軌跡的分布規(guī)律等。

圖13 模型簡(jiǎn)化

圖14 模擬結(jié)果與Fox的對(duì)比

圖15 簡(jiǎn)化模型及流動(dòng)簡(jiǎn)圖

圖16 分析區(qū)域及流動(dòng)跡線

2015年，天津科技大學(xué)的王佳輝[25]以2500-Ⅱ型小型高濃盤磨機(jī)為原型進(jìn)行建模，采用完整磨區(qū)作為分析區(qū)域(見圖16)，并用ANSYS軟件CFX模塊對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，假設(shè)磨漿漿料為牛頓流體，并且連續(xù)均勻的進(jìn)入磨區(qū)，針對(duì)不同的磨盤間隙分析了漿料流線和速度矢量。

2015年，山東理工大學(xué)的孔記樹[26]將盤磨機(jī)磨齒簡(jiǎn)化為有齒和無齒兩部分，其簡(jiǎn)圖和分析部分如圖16所示。將流體材料定義為水和木材兩相流，分析了不同磨盤間隙時(shí)，與磨盤齒槽垂直的速度分量和平行的速度分量的分布，將兩者的比值定義為速度占比，分析了速度占比R與磨盤間隙的關(guān)系(見圖17)。研究者認(rèn)為R代表漿料自入口到出口的過程中所經(jīng)過磨齒的數(shù)量，其值越大，漿料所受的磨齒作用越多，磨漿效率和效果會(huì)有所提高，故磨盤間隙最好不大于5 mm。

2016年，韓魯冰等人[27]運(yùn)用三維建模軟件Solidworks的CFD插件Flowsimulation對(duì)常用的三種磨盤(見圖18)進(jìn)行模擬、分析。通過改變磨齒的排列方式，對(duì)磨盤磨區(qū)內(nèi)漿料流速、流態(tài)以及磨齒受力的情況進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)這三種磨齒所產(chǎn)生的磨漿效果差異明顯，各有優(yōu)劣，可為盤磨機(jī)磨盤選型以及磨齒失效研究提供依據(jù)。

盤磨機(jī)磨區(qū)漿料流動(dòng)模擬研究比實(shí)驗(yàn)研究更加靈活、簡(jiǎn)便，可以在一定程度上對(duì)模型及分析流體進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，減少研究成本，快速獲得結(jié)果，為了保證模擬結(jié)果盡可能符合事實(shí)，需要對(duì)模擬過程中模型簡(jiǎn)化、邊界條件選取及流體模型進(jìn)行深入研究。

圖17 模型簡(jiǎn)化與結(jié)果分析

圖18 三種不同磨齒的流動(dòng)形式

3 國內(nèi)外盤磨機(jī)磨區(qū)漿料流動(dòng)研究趨勢(shì)

3.1數(shù)值模擬研究的精確化

目前對(duì)于磨區(qū)漿料的分析，多采用水等單相牛頓流體對(duì)其進(jìn)行分析，實(shí)際上磨區(qū)的紙漿為三相非連續(xù)的非牛頓流體，這樣對(duì)于漿料模型的簡(jiǎn)化很可能從根本上影響模擬結(jié)果。國外對(duì)漿料的部分采用賓漢流體或ODF模型，也有學(xué)者利用CFD中UDF模塊進(jìn)行自編程對(duì)漿料的特性進(jìn)行分析，為了更加貼切的研究漿料流動(dòng)的真實(shí)情況，需要進(jìn)一步研究適用于紙漿的新的流體模型。

3.2低能耗磨片的開發(fā)

盤磨機(jī)能耗較高，在磨漿的每一段進(jìn)行節(jié)能研究都是必要的。研究適合于不同漿種的磨齒結(jié)構(gòu)，合理的設(shè)置擋壩，減少水力損失，保證漿料在磨區(qū)合理的停留時(shí)間，進(jìn)而保證漿料在磨區(qū)受到合理的沖擊作用，達(dá)到所需紙漿的性能。

3.3數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合

數(shù)值模擬的出現(xiàn)，給現(xiàn)代科學(xué)研究提供了方便，單純的數(shù)值模擬可能由于模型的簡(jiǎn)化、網(wǎng)格的劃分等中間步驟出現(xiàn)失誤而導(dǎo)致結(jié)果的不確定性，需要輔助以實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，兩者各有優(yōu)點(diǎn)，相輔相成。

3.4高濃磨漿磨區(qū)漿料流動(dòng)研究

高濃磨漿相比于低濃，磨區(qū)料層較厚，磨齒的沖擊作用減弱，漿料之間的摩擦作用加強(qiáng)，其漿料流動(dòng)情況必將出現(xiàn)差別。目前，高濃磨漿過程能耗更大，且對(duì)其磨漿過程漿料的流動(dòng)研究較少，加強(qiáng)對(duì)高濃磨漿過程中漿料流動(dòng)特性的研究，對(duì)于降低能耗、優(yōu)化高濃磨盤結(jié)構(gòu)、優(yōu)化磨漿控制參數(shù)具有重要意義。

4 結(jié) 語

盤磨機(jī)作為高得率制漿的典型設(shè)備，雖磨漿效果好，但能耗較大。隨著節(jié)能減排的進(jìn)一步推進(jìn)，對(duì)于盤磨機(jī)磨漿機(jī)理及能耗研究的要求進(jìn)一步提高，通過對(duì)國內(nèi)外研究磨區(qū)紙漿流動(dòng)的模擬及實(shí)驗(yàn)研究的綜述，了解國內(nèi)外研究方向和趨勢(shì)，還需繼續(xù)深化研究盤磨機(jī)磨漿過程，促進(jìn)我國造紙裝備不斷升級(jí)。

[1] Fox T S, R S Brodkey, A H Nissan. High-speed Photography of Stock Transport in a Disk Refiner[J]. Tappi J., 1979, 62(3): 55.

[2] Atack D. Towards a Theory of Refiner Mechanical Pulping[C]. Appleton: 1980 Proceedings of International Symposium of Fundamental Concepts of Refining, 1980．

[3] Atack D, Stationwala M I, Karnis A. What Happens in Refining[J]. Pulp & Paper Canada,1984, 85(12): 303.

[4] Atack D, Stationwala M I, Huusari, et al. Highspeed Photography of Pulp Flow Patterns in a 5 MW Pressurized Refiner[J]. Paper and Timber, 1989, 71(6): 689.

[5] Stationwala M I, Atack D, Karnis A. Distribution and Motion of Pulp Fibres on Refiner Bar Surface[J]. Journal of Pulp and Paper Science,1992, 18(4): 131.

[6] Alahautala T, Vattulainen J, Hernberg R. Hakkeen Muokkautumisen Visualisointi Hierrejauhimen Ter?v?liss?[R]. Loppuraportti: Tampere University of Technology, 1998.

[7] H?rk?nen E, Ruottu S, Ruottu A, et al. A Theoretical Model for a TMP Refiner[C]. Stockholm: International Mechanical Pulping Conference, 1997．

[8] H?rk?nen E, Kortelainen J, Virtanen J, et al. Fiber Development in TMP Main Line[C]. Quebec: Proceedings of International Mechanical Pulping Conference, 2003．

[9] Ebeling K. A Critical Review of Current Theories for the Refining of Chemical Pulps[C]. Appleton: Int. Symp. of Fundamental Concepts of Refining, 1980.

[10] Illikainen M, H?rk?nen E, Ullmar M J, et al. Power Consumption Distribution in a TMP Refiner: Comperson of the First and Second Stages[J]. World Pulp & Paper, 2008, 6(9): 18.

[11] Sundholm Jan. Mechanicul Pulping[M]. Jyv?skyl?: Fapet Oy, 1999．

[12] Mikko Pfaffli. Rethinking the Art of Refining: Improving the Efficiency and Quality of Refining[C]. Beijing: CIPTE, 2015．

[13] Wittberg L P, Bjorkman M, Hkokar G, et al. Flow Conditions in the Grooves of a Low-Consistency Refiner[J]. Paper Physics, 2012, 27(2): 173．

[14] Troy Lindsay Mithrush. An Experimental Study of Fluid Flow in a Low Consistency Refiner[D]. Vancouver: The University of British Columbia, 2013．

[15] LIU Jia, ZHU Xiao-lin. Research on Medium Consistency Refining by Using High-speed Photography Technology[J]. Paper and Paper Making, 2013, 32(2): 9． 劉 嘉, 朱小林. 高速攝像技術(shù)用于中濃磨漿過程的研究[J]. 紙和造紙, 2013, 32(2): 9．

[16] LIU Jia, ZHU Xiao-lin. Research on Process Difference of Low and Medium Consistency Refining by Using High-speed Photography Technology[J]. China Pulp & Paper, 2013, 32(6): 1. 劉 嘉, 朱小林. 利用高速攝像技術(shù)對(duì)中濃和低濃磨漿過程差異性的研究[J]. 中國造紙, 2013, 32(6): 1．

[17] LIU shi-liang. Research on Refining Effect and Morphological Changes by Using High-speed Photography Technology[J]. Paper and Paper Making, 2006, 25(6): 77． 劉士亮. 利用快速攝影技術(shù)觀察磨漿作用規(guī)律及形態(tài)變化[J]. 紙和造紙, 2006, 25(6): 77．

[18] SIMON INGELSTEN. Fibre Modelling in Venturi Flow and Disc Refiner: Implementation and Development of Models for Turbulent Fibre Suspension Flow[D]. Master: Chalmers University of Technology, 2014.

[19] Anton Lundberg, Per Hamlin, Simon Ingelston. Fluid Induced Cavitation to Improve Energy Efficiency in Disc Refiner for Paper and Pulp Production-Application of Advanced Research Techniques[R]. Gothenburg, 2016.

[20] Khokhar Gohar M. Numerical Simulation of the Flow in a Disc Refiner[D]. Stockholm: KTH Engineering Sciences, 2011

[21] Nina Rajabi Nasab. Understanging of No-load Power in Low Consistency Refining[D]. Vancouver: The University of British Columbia, 2013.

[22] Grzegorz Kondora, Dariusz Asendrych. Flow Modelling in a Low Consistency Disc Refiner[J]. Nordic Pulp & Paper Research Journal, 2013, 28(1): 119．

[23] Grzegorz Kondora, Dariusz Asendrych. CFD Modelling of Flow inside an LC Refiner[C]. Trondheim: COST FP1005/SIG 43 meeting, 2012.

[24] LIU long. Study on Effect of Disc Gap and Tooth Inclination on Fiber Morphology by Numerical Simulation[D]. Harbin: Northeast Forestry University, 2014． 劉 龍. 磨片間隙與齒傾角對(duì)纖維形態(tài)影響的數(shù)值模擬研究[D]. 哈爾濱: 東北林業(yè)大學(xué), 2014.

[25] WANG jia-hui. Study on Optimum Design of Disc Refiner Plate Parameters Based on Computer Simulation[D]. Tianjin: Tianjin University of Science and Technology, 2015． 王佳輝. 基于計(jì)算機(jī)模擬的盤磨機(jī)磨盤參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D]. 天津： 天津科技大學(xué), 2015.

[26] SUN ji-shu. Disc Refiner’s Properties and Structure Optimization[D]. Zibo: Shandong University of Technology, 2015． 孫記樹. 雙盤磨機(jī)性能研究與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D]. 淄博: 山東理工大學(xué), 2015．

(責(zé)任編輯：馬 忻)

ResearchProgressofPulpFlowinDiscRefiner

LIU Huan DONG Ji-xian*HAN Lu-bing

(CollegeofMechanical&ElectricalEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvience, 710021)

The complex flow of three-phase fluid which consists of pulp fiber,water and steam in disc refiner was discribed in this paper.And the effect of pulp flow on fiber capture and impact by the bars,the optimization of the bar structure and the result of refining was discussed.Especially, the latest development about the CFD simulation and experimental study of the pulp flow in disc refiner was summarized.Finally,the prospect in research trend on the pulp flow in disc refiner was put forward.

disc refiner; three-phase flow; CFD; research progress

劉 歡先生，在讀碩士研究生；主要研究方向：盤磨機(jī)磨盤結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化。

TS733+.3

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.09.013

2017- 03- 30(修改稿)

*通信作者：董繼先，博士，教授，博士生導(dǎo)師；主要研究方向：化工過程機(jī)械、造紙?jiān)O(shè)備的研究與開發(fā)。

(*E-mail: djx@sust.edu.cn)