基于CFD方法的稀釋水新型添加裝置

周文彬　胡慶喜　李萌

摘 要：針對造紙工業(yè)中流漿箱使用的稀釋水圓管添加裝置中漿料與稀釋水混合不均勻的問題，本課題設(shè)計了一種基于流體動力學(xué)（CFD）方法的稀釋水新型添加裝置，并對這兩種稀釋水添加裝置中漿料與稀釋水的混合流動狀態(tài)進行了數(shù)值模擬分析。結(jié)果表明，與稀釋水圓管添加裝置相比，稀釋水新型添加裝置使?jié){料與稀釋水混合及出口速度更均勻，有更好的稀釋調(diào)節(jié)效果。

關(guān)鍵詞：流漿箱；稀釋水新型添加裝置；混合流動；數(shù)值模擬

中圖分類號：TS733

文獻標識碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254.508X.2018.06.008

Abstract：A new type of dilution water adding device was designed for the situation that the slurry and the dilution water could not be uniformly mixed in dilution water adding device used in engineering dilution water headbox， the mixed flow state of stock and dilution water was numerically simulated by computational fluid dynamics. The results indicated that compared with circular tubedilution water adding device， the dilution water addition of new type device was more uniform than that of circular tube dilution water addition device and the new type device had better dilution adjustment effect.

Key words：headbox； new dilution water addition device； mixed flow； numerical simulation

稀釋水調(diào)節(jié)是將經(jīng)稀釋水閥控制的稀釋水（通常為網(wǎng)下白水）注入到布漿器對應(yīng)的各個支管中，通過改變漿料濃度來控制紙張定量，從而實現(xiàn)紙張橫向定量的均勻分布[1]。與傳統(tǒng)的唇板調(diào)節(jié)相比，用稀釋水調(diào)節(jié)漿料濃度在控制紙張定量的同時，不會影響紙張水分的分布，實現(xiàn)了紙張橫向定量與水分的分離控制[2.3]。另外，稀釋水調(diào)節(jié)能更精準地自動控制紙張橫幅定量分布，大大提高定量分布和纖維取向的均勻程度[4.6]。目前，造紙工業(yè)中稀釋水的添加裝置主要是圓管添加裝置。本課題基于計算流體動力學(xué)（CFD）方法，對比兩種稀釋水添加裝置中漿料與稀釋水的混合程度以及出口速度大小，探究這兩種稀釋水添加裝置對稀釋水調(diào)節(jié)效果的影響。

1 稀釋水添加裝置的建模和網(wǎng)格劃分

1.1 模型的建立

本課題采用UG軟件建立三維幾何模型，稀釋水圓管添加裝置的二維尺寸圖和三維幾何模型分別如圖1和圖2所示。稀釋水新型添加裝置的二維尺寸圖和三維幾何模型分別如圖3和圖4所示。由圖2、圖4可知，兩種模型中都有漿料進口、稀釋水進口以及漿料出口，漿料從進口處流入與稀釋水混合后從出口處流出。

1.2 網(wǎng)格的劃分

圓管添加裝置和新型添加裝置的模型都選用ICEM CFD軟件進行網(wǎng)格劃分，采用四面體為主的混合網(wǎng)格劃分，把進出口平面以及壁面進行局部網(wǎng)格劃化。圖5和圖6分別為稀釋水圓管添加裝置以及新型添加裝置的網(wǎng)格劃分圖。

2 兩種稀釋水添加裝置的CFD模擬分析

2.1 定義流體的性質(zhì)

本課題主要研究稀釋水添加裝置對漿料稀釋調(diào)節(jié)效果的影響，模擬上網(wǎng)漿料（纖維質(zhì)量分數(shù)為0.8%）與稀釋水（纖維質(zhì)量分數(shù)為0.3%）的混合情況。由于漿料與白水的纖維質(zhì)量分數(shù)都很低，在0.8%以下，其流動特性與水相似，因此對流漿箱內(nèi)漿流的分析可按照水力學(xué)流體力學(xué)進行。由于上網(wǎng)漿料與稀釋水中的纖維質(zhì)量分數(shù)不同，本課題采用兩種不同密度的流體來進行模擬分析，兩種流體除密度不同，其他性質(zhì)均一致。假設(shè)從支管進口處進入的漿料密度為998.2 kg/m3，從稀釋水進口處流入的稀釋水密度設(shè)置為950 kg/m3，黏度與水相同，為1.003 mPa·s，其他主要性質(zhì)與水相同，比熱容為4182 J/（kg·℃），傳熱系數(shù)為0.6 W/（m2·K）。通常情況下流漿箱中漿料溫度為40℃，轉(zhuǎn)化為開爾文溫度為313.15 K。

2.2 計算模型的選擇

由于漿流為不可壓縮流體，且有兩種不同密度的流體，所以選擇Fluent中的Mixture多相流模型。本次模擬中漿料流動狀態(tài)為湍流，湍流模型采用標準kε方程。

2.3 邊界條件設(shè)定

從圖2、圖4中可以看出，模型有兩個入口，分別為漿料入口和稀釋水入口。因此將稀釋水圓管添加裝置中漿料入口速度設(shè)置為V1，速度為20 m/s；稀釋水入口速度設(shè)置為V2，速度為13.89 m/s；稀釋水新型添加裝置中漿料入口速度設(shè)置為V1′，速度為20 m/s；稀釋水入口速度設(shè)置為V2′，稀釋水的添加量與圓管稀釋水添加裝置一樣；出口邊界條件設(shè)置為出口邊界，質(zhì)量出口權(quán)重為1；固體壁面采用無滑移壁面邊界條件。

3 稀釋水添加裝置的仿真結(jié)果及分析

3.1 密度分析

按照以上設(shè)定參數(shù)用FLUENT 14.0軟件進行模擬仿真，圖7為稀釋水圓管添加裝置漿料密度流線圖，為了更好地觀察漿料與稀釋水的混合情況，以漿料進口管軸線以及稀釋水進口管軸線形成的平面作為截面A1，該截面A1密度的流線圖如圖8所示。從圖7和圖8中可以看出，稀釋水圓管添加裝置是稀釋水單點注入漿料，在注入點附近，漿料密度低；遠離注入點，漿料密度高。換言之，只有在稀釋水注入點周圍的漿料被稀釋了，而遠離稀釋水注入點的漿料并沒有被稀釋。因此在漿料管束中，雖然漿料平均濃度達到了調(diào)節(jié)要求，但漿料分布很不均勻，導(dǎo)致生產(chǎn)的紙張局部勻度不好。

圖9為稀釋水新型添加裝置密度流線圖，為了更好地觀察稀釋水與漿料的混合情況，以漿料進口管軸線以及稀釋水進口管軸線形成的平面作為截面A2，圖10為截面A2密度流線圖。從圖9和圖10中發(fā)現(xiàn)，稀釋水新型添加裝置從稀釋水單點注入漿料管束變?yōu)橐詧A周方式注入漿料管束，稀釋水能均勻地添加到漿料中，使?jié){料分布更加均勻，大大提高了漿料的橫幅定量調(diào)節(jié)效果。

3.2 漿料出口平面直徑密度分析

由于漿料出口形狀為圓形，假設(shè)出口平面圓心為原點，稀釋水進口的反方向為+Z軸，漿料進口的方向為+Y軸，根據(jù)右手坐標系確定+X軸。在漿料出口平面內(nèi)選取與+Z軸的夾角為0°、45°、90°、135°的4條直徑1、2、3、4，如圖11所示。由圖1可知，漿料出口直徑為20 mm，將其20等分后，以出口直徑上的點到圓管出口平面原點的距離作為X軸，在X軸上面的點到原點的距離設(shè)置為正值，而X軸下面的點到原點的距離設(shè)為負值，Y軸為這些點的密度。圖12為這些點的混合流體的密度圖，從圖12中可以看出，遠離稀釋水進口處的漿料密度沒有變化，即這些漿料并沒有被稀釋水稀釋；而靠近稀釋水進口的漿料密度大大減小，其密度最低值是在靠近稀釋水進口不遠處，而不是在稀釋水進口處。另外，與稀釋水進口速度方向垂直的直徑3其兩端密度沒有變化，只有中間部分漿料密度減小。從出口平面漿料密度變化趨勢可以看出，密度變化最大的直徑為與+Z軸夾角為0°的直徑1。因此，稀釋水圓管添加裝置對漿料的稀釋效果并不好，只使靠近稀釋水進口處的漿料被大大稀釋，而遠離稀釋水進口處的漿料并沒有被稀釋，導(dǎo)致漿料濃度不均勻。

在稀釋水新型添加裝置中，由于漿料出口形狀為圓形，假設(shè)以出口平面圓心為原點，稀釋水進口的反方向為+Z軸，在漿料出口平面內(nèi)與+Z軸夾角為90°且過出口平面圓心的直徑為X軸。在漿料出口平

面內(nèi)選取與+Z軸的夾角為0°、45°、90°、135°的4條直徑5、6、7、8，如圖13所示。由圖3可知，漿料出口直徑為20 mm，將其20等分，以出口直徑上的點到圓管出口平面原點的距離為X軸，在X軸上面的點到原點的距離設(shè)置為正值，而X軸下面的點到原點的距離設(shè)為負值，Y軸為這些點的密度。圖14為這些點的混合流體的密度圖，由圖14可知，整個直徑的密度都減小，說明漿料全都被稀釋水稀釋了，并且直徑兩端的密度比中間的密度要小，說明出口平面外圍圓環(huán)部分的漿料被稀釋水稀釋的效果大于出口平面中間的漿料。另外，稀釋水新型添加裝置中直徑密度的變化范圍僅在992～995 kg/m3 之間，而圓管添加裝置直徑密度的變化范圍在977～998 kg/m3之間，即稀釋水新型添加裝置的密度范圍相比稀釋水圓管添加裝置大大減少，表明稀釋水新型添加裝置中稀釋水的調(diào)節(jié)作用比稀釋水圓管添加裝置更加平緩，橫幅定量分布情況大為改善，定量分布更加均勻。

3.3 速度分析

圖15和圖16分別是稀釋水圓管添加裝置以及其截面A1的速度矢量圖。從圖15和圖16中可以看出，稀釋水的添加導(dǎo)致管束中漿料速度大小出現(xiàn)差異，漿料出口平面中靠近稀釋水注入點附近區(qū)域的漿料速度明顯變低，遠離稀釋水注入點的漿料速度明顯變高，而速度不同會造成流量不同，在流漿箱中會產(chǎn)生橫流，降低稀釋水定量調(diào)節(jié)的效果。

圖17和圖18分別是稀釋水新型添加裝置以及其截面A2的速度矢量圖。從圖17和圖18中可見，稀釋水注入點的速度相對漿料進口速度較低，并且對漿料流動的影響較小；另外，漿料出口速度大小相對均勻，大大避免了流漿箱發(fā)生橫流的可能，提升了稀釋水定量調(diào)節(jié)的效果。

3.4 漿料出口平面直徑速度分析

當流體流過物體時，由于流體本身的黏性，靠近物體表面的流體速度為零，而離開物體表面一定距離的流體速度則不受黏性影響[7]。而漿料具有黏性，因此去掉直徑中最靠近物體的兩個點。在圖19和圖20中，以出口直徑上的點到圓管出口平面原點的距離d為X軸，在X軸上面的點到原點的距離設(shè)置為正值，而X軸下面的點到原點的距離設(shè)為負值，Y軸為這些點的出口速度大小。圖19為出口平面直徑1、2、3、4的速度分布圖，從圖19中可以看出，除了直徑3的速度大小變化相對均勻，其余直徑中遠離稀釋水進口處的漿料速度比靠近稀釋水進口的漿料速度高，并且越靠近稀釋水進口處的漿料速度越低。從出口平面漿料密度變化趨勢可以看出，速度大小變化最大的直徑為與+Z軸夾角為0°的直徑1。因此，這種稀釋水圓管添加裝置出口平面速度大小分布不均勻，容易在流漿箱中產(chǎn)生橫流，降低了稀釋水的調(diào)節(jié)效果。

圖20為漿料出口平面內(nèi)選取4條直徑5、6、7、8的速度圖。由圖20可知，直徑中間的漿料速度比兩端的速度相比較大，并且越靠近直徑兩端，速度越低。由于在稀釋水新型添加裝置中，稀釋水從進漿孔的周圍注入，因此，越靠近稀釋水注入點的速度越低。對比圖19和圖20可以發(fā)現(xiàn)，稀釋水新型添加裝置的速度大小分布相對均勻，能極大地降低發(fā)生橫流的可能。

3.5 均勻混合所需的長度

由于漿料出口形狀為圓形，以出口平面圓心為原點，稀釋水進口的反方向為+Z軸，漿料進口的方向為+Y軸，根據(jù)右手坐標系確定+X軸。稀釋水添加到漿料中要經(jīng)過一段距離后才能混合均勻，因此選取其中密度變化最大的直線作為漿料與稀釋水是否混合均勻的標準。從圖12中可以發(fā)現(xiàn)，圓管添加裝置中出口平面密度變化最大的直線為z=4 mm，x=y=0，以該點做一條平行于y軸的直線z=4 mm，x=0，將該直線定義為直線9；圖14中可以看出，新型添加裝置中密度變化最大的為z=8 mm，x=y=0，以該點做一條平行于y軸的直線z=8，x=0，將該直線定義為直線10。圖21分別為直線9、直線10的漿料密度圖。X軸為直線上的點到漿料進口平面的距離d，Y軸為這些點的密度。從圖21可以看出，稀釋水圓管添加裝置在d=160 mm，即在稀釋水加入點后110 mm處時密度不再發(fā)生變化，即稀釋水與漿料混合均勻；而稀釋水新型添加裝置在d=115 mm，即在稀釋水加入點65 mm處稀釋水與漿料混合均勻。因此，稀釋水新型添加裝置的漿料總管長可以設(shè)計的比稀釋水圓管添加裝置要短一些。

4 結(jié) 論

4.1 稀釋水圓管添加裝置只使稀釋水入口附近的漿料被稀釋，而遠離稀釋水入口處的漿料并沒有被稀釋，導(dǎo)致漿料分布不均勻。而稀釋水新型添加裝置能有效克服稀釋水圓管添加裝置導(dǎo)致的局部漿料分布不均勻的不足，實現(xiàn)紙張橫向的全局和局部定量分布的全面控制，使橫向定量分布更均勻。

4.2 稀釋水圓管添加裝置中稀釋水的添加改變了漿料的出口流量，使出口流量分布不均，在流漿箱中產(chǎn)生橫流，降低了稀釋水橫向調(diào)節(jié)的效果。而稀釋水新型添加裝置能大大減少出口流量的變化，使出口流量相對均勻，能有效地避免橫流的發(fā)生。

4.3 稀釋水圓管添加裝置中在稀釋水加入點后110 mm處，稀釋水與漿料混合均勻，均勻混合所需的長度較長；稀釋水新型添加裝置在稀釋水加入點后65 mm處，稀釋水與漿料混合均勻，均勻混合所需的長度較短。

參 考 文 獻

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（責(zé)任編輯：吳博士）