多縫型錐管布漿器的探索性研究

侯順利 衛(wèi) 魏

(陜西科技大學(xué)機電工程學(xué)院，陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點實驗室，陜西西安，710021)

流漿箱是紙機的心臟，而布漿器是流漿箱的重要部件之一，是將凈化后的漿料均勻分布和流送到流漿箱內(nèi)的裝置[1]?，F(xiàn)代紙機的流漿箱多采用方錐管布漿器，由進漿總管、布漿阻流元件及回流裝置組成。常用的布漿阻流元件有支管、孔板、階梯擴散管等。而現(xiàn)在普遍使用的支管或孔板，不能調(diào)節(jié)局部漿流流量。有專利[2]提出了一種可以旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)的多縫型布漿阻流元件，本研究將針對這種多縫型布漿阻流元件，進行前期研究，主要研究它的布漿均勻性，為在線調(diào)節(jié)性能研究提供理論基礎(chǔ)。

1 多縫型錐管布漿器

圖1為多縫型錐管布漿器結(jié)構(gòu)原理圖。如圖1所示，多縫型錐管布漿器主要由錐形總管、阻流元件及回流端組成。漿料從錐形總管大端進入錐管內(nèi)部，在橫向流動的過程中，由于各阻流元件之間的縫隙使紙漿在縱向形成多個支流，然后進入堰池?？p的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸至關(guān)重要，它不僅影響漿流加速比，還對布漿效果有重大影響。本研究初步將縫設(shè)計成一種狹長的窄縫結(jié)構(gòu)，并對縫結(jié)構(gòu)進行初步優(yōu)化。

圖1 多縫型錐管布漿器結(jié)構(gòu)原理圖

2 多縫型錐管布漿器內(nèi)數(shù)值模擬

本研究采用ANSYS-FLUENT對布漿器內(nèi)流體進行數(shù)值模擬，研究布漿總管回流量和縫長對漿流均勻分布的影響，并對布漿器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化[3]。

2.1 數(shù)學(xué)模型

此次設(shè)計在計算中用到的主要方程有：

N-S方程：

2.2 湍流模型

湍流模型計算選用標準的k-ε模型，此模型優(yōu)點是適用范圍廣、經(jīng)濟且有合理的精度，滿足此次設(shè)計的需要。

2.3邊界條件

計算區(qū)域的入口采用質(zhì)量流量入口邊界條件，各縫出口采用壓力出口條件，近壁區(qū)采用標準壁面函數(shù)進行處理。

2.4 模擬參數(shù)的確定與建模

首先通過UG進行三維建模(計算模型包括入口過渡管、進漿總管、布漿多縫等布漿器主要部分)，然后導(dǎo)入ICEM CFD中進行網(wǎng)格劃分，隨后將網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT中進行模擬。本次模擬針對擬建設(shè)的實驗裝置，流漿箱的唇口寬度w=1800 mm，唇口噴漿速度為600 m/min，噴漿量為108 kg/s。錐形總管入口端漿流流速為2 m/s，回流量按進口流量的10%計算，則總流量為120 kg/s；按照常規(guī)布漿器的設(shè)計計算，確定該布漿器寬度W為200 mm，入口高度H0為300 mm。

考慮到將來需要加設(shè)稀釋水控制裝置，將縫間距初步確定為58 mm，共需31排縫，排成一列。根據(jù)文獻[4]，支管內(nèi)漿流速度與總管內(nèi)漿流速度比應(yīng)大于2.5，將多縫內(nèi)漿流速度與總管內(nèi)漿流速度的加速比取為3。為了保證多縫內(nèi)漿流不發(fā)生堵塞，同時考慮到加速比，初步將縫寬度確定為12 mm，計算得縫高度為50 mm，初步擬定縫長度為150 mm。為了防止多縫出口處發(fā)生大的橫向流動和渦旋，在縫的下游增加一段擴散管。

按照Baines公式采用多段折線法[5- 6]，取N=10(N代表布漿器分段數(shù))。錐形總管截面的設(shè)計值如表1所示。其中，Ln代表布漿器分段長度，An代表布漿器分段長度下總管截面積，W代表布漿器寬度，Hn代表布漿器分段長度下總管截面高度，An/AO代表總管截面比。將布漿多縫沿進漿總管進漿方向依次命名為outlet1，outlet2，outlet3，…，outlet31。進入錐管的漿料濃度一般在1%左右，湍流狀態(tài)下其特性與水較為接近。因此，對布漿器內(nèi)漿流的分析可按照水力學(xué)流體力學(xué)進行[7]，在模擬過程中，用水代替紙漿懸浮液，所建多縫型錐管布漿器模型如圖2所示。為了便于比較，按相同的參數(shù)建立了支管型錐管布漿器模型，如圖3所示。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 出口流量的數(shù)值模擬

圖4表示多縫型錐管布漿器和支管型錐管布漿器的流量分布情況模擬結(jié)果。從圖4可以看出，在相同的條件下，支管型錐管布漿器的流量分布偏差為-1.84%～2.41%，即最大誤差為4.25%；多縫型錐管布漿器的偏差為-1.35%～2.0%，即最大誤差為3.35%。說明在相同的條件下多縫型錐管布漿器的流量分布比支管型錐管布漿器的流量分布更加均勻。另外從圖4可看出，錐形總管內(nèi)壓力沿漿料流動方向呈波浪式波動，因此按拜納斯公式以10%回流量計算得到的等壓錐管布漿器流量分布誤差較大，還需要進一步優(yōu)化。

表1 錐形總管截面設(shè)計值

圖2 多縫型錐管布漿器模型

圖3 支管型錐管布漿器模型

圖4 多縫型錐管布漿器和支管型錐管布漿器的流量分布對比圖

3.2 不同回流量下多縫型錐管布漿器的數(shù)值模擬

圖5和圖6分別為在減小和增大回流量的條件下，多縫型錐管布漿器總管中各排縫的流量，模擬過程中保持各縫的總流量都為108 kg/s，即各排縫的平均流量為3.484 kg/s，回流量大小通過調(diào)節(jié)總管的入口流量和回流端流量得到，回流量分別為0、2.5%、5%、7.5%、10%和10%、12.5%、15%、17.5%、20%。

圖5 減少總管回流量對縫流量的影響

從圖5可看出，當(dāng)減小總管回流量時，各排縫流量分布形式大體相同，但靠近進口端的縫流量減小，而靠近回流端縫的流量增大。

從圖6可看出，當(dāng)增大總管回流量時，各排縫流量分布形式大體相同，但靠近進口端的縫流量增大，而靠近回流端縫的流量減小。

圖6 增大總管回流量對縫流量的影響

圖7 回流量對縫流量最大值和最小值的影響

圖7為回流量對縫流量最大值和最小值的影響。從圖7看出，回流量以10%為基準，當(dāng)減小回流量時，縫流量的最大值持續(xù)增大，而最小值持續(xù)減小；當(dāng)增大回流量時，縫流量的最大值先降低后升高，而縫流量的最小值持續(xù)降低；當(dāng)回流量為12.5%時，縫流量的最大值與最小值之間的差值最小，說明當(dāng)回流量為12.5% 時，布漿效果最好。按拜納斯公式以10%回流量計算得到的多縫型錐管布漿器流量分布誤差還較大，而實際回流量為12.5%時，布漿效果最好。

3.3 不同縫長錐管布漿器的數(shù)值模擬

保持各縫的總流量都為108 kg/s，回流量為10%，即各排縫的平均流量為3.484 kg/s，基于圖2的模型，縫長分別為100、125、150、175、185和200 mm對布漿器進行數(shù)值模擬，其模擬結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，各縫流量的基本趨勢大體相同，但長度為100 mm 和200 mm的各排縫中，流量波動較大，反應(yīng)總管內(nèi)的壓力不穩(wěn)定，所以縫長不宜過長或過短。

圖8 不同縫長下各排縫流量

圖9為縫長對縫流量最大值和最小值的影響。從圖9可看出，縫長以150 mm為基準，當(dāng)減小縫長時，縫流量的最大值先降低后升高，而最小值持續(xù)降低；當(dāng)增大縫長時，縫流量的最大值先降低后升高，而最小值先降低后升高再降低；但當(dāng)縫長為185 mm時，最大值與最小值都更接近于平均值，說明當(dāng)回流量不變時，縫長為185 mm時，多縫型錐管布漿器的布漿效果最好。這可能是由于漿流從總管轉(zhuǎn)折流向多縫時，在一段距離內(nèi)呈加速狀態(tài)，導(dǎo)致多縫內(nèi)出流部分收縮，出現(xiàn)孔口效應(yīng)，這種大角度的轉(zhuǎn)向流動，不僅帶來了較大的分岔損失，而且在多縫入口處產(chǎn)生了渦流區(qū)，引起了多縫內(nèi)下游較大范圍的壓力波動，出現(xiàn)了不穩(wěn)定的流動，影響范圍不小于6倍支管直徑[8]。但當(dāng)縫長大于185 mm以后，多縫流量偏差反而增大，這可能是縫下游漿流的擴散作用引起的，因此在設(shè)計縫長時，縫長不宜過長或過短，并不小于8倍縫的水力直徑。

圖9 縫長對縫流量最大值和最小值的影響

圖10 優(yōu)化后多縫型錐管布漿器模型結(jié)構(gòu)

3.4 布漿器的優(yōu)化

從上面的數(shù)值模擬結(jié)果分析可知，漿料沿流動方向壓力有一定波動，且在總管兩端壓力波動幅度較大，從而導(dǎo)致整體多縫流量的誤差加大，所以針對此問題， 考慮到漿流從錐形總管進入多縫時，速度發(fā)生急劇變化，會產(chǎn)生不穩(wěn)定的二次流或發(fā)生流體與管壁分離的現(xiàn)象，同時為了減少掛漿，對布漿器結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化[9- 10]。即在布漿器的錐形總管與多縫的連接處加入半徑分別為2.5、5、7.5、10、12.5以及15 mm的圓弧，如圖10所示。圖10(b)為局部放大圖。研究發(fā)現(xiàn)，圓弧半徑大于12.5 mm和小于2.5 mm時，在多縫入口處將會產(chǎn)生較大的壓力擾動，影響下游的漿流分布，使布漿效果變差，而當(dāng)圓弧半徑為7.5 mm時，壓力擾動減為最弱，其流量誤差減小到-0.63%～0.89%，模擬結(jié)果如圖11所示。優(yōu)化前后縫入口處的湍流強度云圖和速度流線圖分別如圖12和圖13所示。

圖11 不同圓弧半徑下各排縫流量

圖12 優(yōu)化前后多縫入口處湍流強度云圖

從圖12入口湍流強度云圖可以看出，優(yōu)化后多縫入口處湍流強度顯著提高，更有利于分散纖維，并防止入口處漿流發(fā)生堵塞。

從圖13入口速度流線圖中可以看出，優(yōu)化后，在多縫入口處對漿料流動的導(dǎo)向性更好，縫內(nèi)速差加大，剪切作用更強，更有利于分散纖維。

同時對縫出口的3種擴散管形狀(直擴型、階梯型、圓弧型)進行了對比研究，其模擬結(jié)果如圖14所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，圓弧型擴散管對布漿均勻性更有利，其圓弧半徑為265 mm，擴散管長度為90 mm。

優(yōu)化前后多縫出口處的湍流強度云圖和速度流線圖分別如圖15和圖16所示。

從圖15多縫出口處湍流強度云圖可以看出，優(yōu)化后多縫出口處湍流強度顯著提高并且更加均勻，從而有利于分散纖維。

圖13 優(yōu)化前后多縫入口處的速度流線圖

圖14 3種擴散管對縫出口流量的影響

圖15 優(yōu)化前后多縫出口處湍流強度云圖

從圖16多縫出口處速度流線圖中可以看出，優(yōu)化后多縫出口速度分布更加均勻，這樣更有利于漿料在混合室中快速混合均勻。

圖16 優(yōu)化前后多縫出口處的速度流線圖

圖17表示多縫型錐管布漿器優(yōu)化前后的流量分布情況。

從圖17可以看出，優(yōu)化后：①各縫流量與平均值(3.484 kg/s)的偏差由-1.35%～2.0%變?yōu)?0.57%～0.86%，最大誤差為1.43%，相對于優(yōu)化前有了顯著降低，減小了流量的偏差范圍，使布漿均勻性提高；②除第1排縫的流量偏差有所增大外，其余第2～31排縫的流量更接近于平均值，尤其是第31排縫的流量由3.554 kg/s降為3.512 kg/s，與平均值的偏差降低了1.2%。由此可知，優(yōu)化后的多縫型錐管布漿器完全可以滿足一般紙機的布漿要求，而且布漿均勻性優(yōu)于支管型錐管布漿器。

圖17 多縫型錐管布漿器優(yōu)化前后流量的數(shù)值模擬結(jié)果

4 結(jié)論與展望

本研究通過采用ANSYS-FLUENT對多縫型錐管布漿器內(nèi)流體進行數(shù)值模擬，研究布漿總管回流量和縫長對漿流均勻分布的影響，并對多縫型錐管布漿器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

4.1相同條件下多縫型錐管布漿器的流量分布比支管型錐管布漿器更加均勻，最大誤差縮小了0.9%。

4.2按拜納斯公式以10%回流量計算得到的等壓錐管布漿器流量分布誤差較大，而實際回流量為12.5%時，布漿效果最好。

4.3優(yōu)化后縫長為185 mm，多縫入口圓弧半徑為7.5 mm，出口圓弧半徑為265 mm，擴散管長度為90 mm時，各縫流量最大誤差為1.43%，可滿足一般紙機的布漿要求。

多縫型錐管布漿器從結(jié)構(gòu)原理上可以實現(xiàn)在線調(diào)節(jié)縫寬，以進一步減小布漿流量分布誤差，并減小或取消回流量。本次對多縫型錐管布漿器的初步研究，對于今后研究多縫型布漿器在線調(diào)節(jié)性能具有重要意義。

參 考 文 獻

[1] Yang Hai-yan, Hou Shun-li, Niu Xu-zhong. Research on Control of Dilution Water Hydraulic Headbox[J].Paper and Paper Making, 2013, 32(4): 4.

楊海燕, 侯順利, 牛緒中. 稀釋水水力式流漿箱的控制探索[J].紙和造紙, 2013, 32(4): 4.

[2] Hou Shun-li, Wei Wei. Adjustable cone-shaped non-reflow mortar, China: CN 105839444 A[P].2016- 09- 23.

侯順利, 衛(wèi) 魏. 免回流可調(diào)錐形布漿器, 中國: CN 105839444 A[P].2016- 09- 23.

[3] Liu Wei, Chen Ke-fu, Li Jun. Numerical simulation of flow characteristics in a square pipe beater[J].Journal of South China University of Technology: Natural Science Edition, 2011, 39(3): 13.

劉 偉, 陳克復(fù), 李 軍. 方錐管布漿器內(nèi)流動特性的數(shù)值模擬[J].華南理工大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2011, 39(3): 13.

[4] Kang Guo-bing. Key technology and mechanism of hydraulic headbox and CFD application[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2011.

康國兵. 水力式流漿箱關(guān)鍵技術(shù)機理研究與CFD應(yīng)用[D].廣州: 華南理工大學(xué), 2011.

[5] Hou Shun-li, Yang Hai-yan. Simulation Analysis and Structure Optimization of Tapered Pipe Fabricator[J].Paper and Paper Making, 2013, 32(11): 17.

侯順利, 楊海燕. 錐管布漿器的模擬分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].紙和造紙, 2013, 32(11): 17.

[6] Chen Ke-fu. Pulp and paper machinery and equipment(below)[M]. 3ed. Beijing: China Light Industry Press, 2011.

陳克復(fù). 制漿造紙機械與設(shè)備(下)[M]. 3版. 北京: 中國輕工業(yè)出版社, 2011.

[7] Shi Hei-jiu San-lang, with the latest theory and practice of papermaking technology[M]. Zhang Ercong, translated. Beijing: China Light Industry Press, 1989.

石黑久三郎, 著. 最新造紙技術(shù)的理論與實踐[M].張爾聰, 譯. 北京: 中國輕工業(yè)出版社, 1989.

[8] Liu Wei. Based on the CFD modern papermaking machine cloth technology and cloth pulp research[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2013.

劉 偉. 基于CFD的現(xiàn)代造紙機布漿技術(shù)與布漿器的研究[D]. 廣州: 華南理工大學(xué), 2013.

[9] Yang Xu, Chen Ke-fu, Wen Hai-ping. Principle and New Calculating Methods of High Pressure and Wide Headbox Equivalent Pressure Blender[J].China Pulp & Paper， 2009, 28(9): 1.

楊 旭, 陳克復(fù), 文海平. 高速寬幅流漿箱等壓布漿器原理及新的計算方法探討[J].中國造紙, 2009, 28(9): 1.

[10] Liu Jian-an, Chen Ke-fu, Fan Hui-ming, et al. Limitation analysis of cone pipe cloth[J].Transactions of China Pulp and Paper, 2005, 20(1): 161.

劉建安, 陳克復(fù), 樊慧明, 等. 錐管布漿的局限性分析[J].中國造紙學(xué)報, 2005, 20(1): 161.