輥殼式流漿箱結構原理及初步分析

侯順利 林曉林 王海琛

(陜西科技大學輕工與能源學院,陜西省造紙技術及特種紙品開發重點實驗室,陜西西安,710021)

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·流漿箱·

輥殼式流漿箱結構原理及初步分析

侯順利 林曉林*王海琛

介紹了輥殼式流漿箱的結構原理,并針對實驗中模擬的流漿箱流道模型,采用計算流體動力學方法,通過對流漿箱不同流道寬度的流場進行了數值模擬和分析計算。模擬結果體現了新型流漿箱流道內流體湍流特性,同時研究分析表明,新型流漿箱流道寬度和勻漿輥轉速在一定范圍內時,流體湍流強度可較好地滿足分散紙漿纖維的要求。

流漿箱；結構；流場；數值模擬

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流漿箱是紙機的一個關鍵裝置,對抄造出質量良好的紙張起著關鍵性作用。流漿箱的一個基本任務是保證纖維懸浮液沿紙機橫向均勻分布,以盡可能地減小紙張的橫向定量差；另一個基本任務是保證纖維懸浮液中的纖維均勻分散在水體中,盡量減少纖維懸浮液中的絮聚團,盡可能提高紙張的勻度[1]。目前中低速紙機所用的流漿箱多為勻漿輥流漿箱。漿流通過勻漿輥時會產生較大的橫向流動,雖然可以分散纖維團,但會造成漿流不穩定，為此在其下游需要設置較長的緩沖區,但是較長的緩沖區又會使已經分散了的纖維絮聚團重新絮聚,從而影響紙張勻度。特別是當布漿器中帶有稀釋水調節裝置時,定點稀釋水和主體漿流流過寬大的箱體時,經過勻漿輥的攪動產生較大的橫向流動,大大減弱稀釋水調節的效果。有研究表明在現有勻漿輥流漿箱中采用稀釋水調節的效果甚微[2]。

本文介紹了輥殼式流漿箱的結構原理，并對流漿箱流道寬度的流場進行了分析。輥殼式流漿箱設計時要求克服現有勻漿輥流漿箱湍流尺寸大、湍流強度小、橫向流動大、漿流不穩定、不能有效使用稀釋水調節紙張橫幅定量差等諸多弊端,可提高紙張勻度,減少紙張的橫幅定量差。

1 輥殼式流漿箱的結構原理

1.1 輥殼式流漿箱的結構

圖1所示為輥殼式流漿箱的結構圖。由圖1可以看出,輥殼式流漿箱有一個水平放置的圓筒形殼體,該圓筒形殼體內有一個可以繞自身軸線旋轉的圓柱形輥子。在圓筒形殼體的左下方(即靠近布漿器方向處)設有一個漿流入口,該漿流入口外設有一個尺寸較小的均衡室,該均衡室與兩排布漿支管相連。在圓筒形殼體的右側(即靠近網部方向處)有一個通往上漿裝置的漿流出口,該漿流出口與上漿裝置相連。在圓筒形殼體的上方設有一個溢流口,該溢流口與溢流室相連。圖2為勻漿輥橫截面及軸向截面圖。如圖2所示,輥子的輥體為空心結構,輥面均勻地分布著多個環形溝槽,環形溝槽的斷面形狀為矩形。輥子的軸線與圓筒形殼體的軸線重合,輥子的直徑小于圓筒形殼體的直徑,輥子外表面與圓筒形殼體內表面之間留有間隙。輥子沿圖1中箭頭所示的順時針方向旋轉。

圖1 輥殼式流漿箱結構圖

圖2 勻漿輥橫截面及軸向截面圖

1.2 輥殼式流漿箱的工作原理

漿料或纖維懸浮液從布漿錐管進入各布漿支管,上排布漿支管中的漿料與來自稀釋水支管里的稀釋水混合后進入均衡室,下排布漿支管中的漿料可以不用加入稀釋水而直接進入均衡室。在均衡室內,來自布漿支管的漿流速度被降低,并得以橫向均勻分布,分別來自上排布漿支管與下排布漿支管的漿流得以混合。然后漿料在輥面環形溝槽高速運動的摩擦作用下,跟隨輥面運動方向,進入到溝槽內和間隙內。圓筒形殼體的內表面是靜止的,溝槽表面是高速運動的,處于兩者之間的漿流受到一個強大的剪切力,可產生尺寸小而強度高的湍流,實現對纖維絮聚團的分散。當漿料流動到圓筒形殼體上方的溢流口時,大部分漿料繼續跟隨輥面運動,而少量漿料在壓力作用下會向上流動進入溢流室,溢流室維持恒定的液位與氣壓。當漿料流動到圓筒形殼體右側的漿流出口時,在壓差的作用下,大部分漿料會流向上漿裝置,最后流出流漿箱。少量漿料繼續隨輥面運動,一直流到漿流入口處,與來自均衡室的漿流匯合。

輥殼式流漿箱通過勻漿輥和位于表面的導流板共同旋轉，使之與流體產生摩擦形成湍流來分散紙漿纖維,由導流板分隔成的多個流道可減少稀釋水在流漿箱內的橫向流動,從而達到分散紙漿纖維、在紙機橫幅定點稀釋漿料的作用。

2 輥殼式流漿箱流場的初步研究

2.1 輥殼式流漿箱流場的數學模型

流漿箱的主要功能是分散紙漿纖維以滿足上網要求[3],所以選擇模擬流漿箱內流體的湍流特性作為研究對象。前期的仿真結果表明，流漿箱內由導流板分隔的多個流道內的流體流動特性基本相同,故對流漿箱流場進行簡化。選取流漿箱內相鄰兩個導流板之間一個流道，建立從均衡室至唇口的流場模型，且忽略溢流室部分的流體域。建立的流漿箱流場模型如圖3所示。參考勻漿輥流漿箱部分尺寸參數[4],確定本課題流場模型物理參數為：均衡室長度200 mm,寬度20 mm,高度200 mm；輥子直徑480 mm；溝槽寬度10～20 mm,深度30 mm；殼體直徑540 mm,出口高度105 mm；唇板開口高度12 mm。

圖3 簡化后的流漿箱流場模型

2.2 流場網格劃分

針對簡化后的流場模型,計算均采用固定的三維直角坐標系統,選用ICEM CFD軟件進行網格劃分。采用四面體網格劃分方法,即對于流場整體采用四面體網格結構。另外,網格的數量也很重要,網格數量過大時,迭代對計算機內存要求會很高；數量過小時又會影響計算精度。經反復嘗試,確定最大網格尺寸為4 mm,網格總數約100萬。流場網格劃分結果如圖4 所示。由于勻漿輥轉動,在ICEM CFD軟件內設置勻漿輥表面和導流板面名稱為wall-move,類型為WALL(壁面)；設置均衡室入口名稱inlet,類型為VELOCITY-INLET(速度入口)；唇口出口名稱outlet,類型為PRESSURE-OUT(壓力出口)；其余面為wall-other,類型均為WALL(壁面)。

圖4 流漿箱流場網格劃分圖

圖5 不同寬度流道在不同勻漿輥轉速下的湍流強度云圖

2.3 流漿箱流場模擬計算

2.3.1 流體參數及邊界條件

采用水和根據紙漿特性新建的流體材料混合的兩相流來模擬紙漿的流動狀態,其物理參數為：水的密度997 kg/m3,黏度0.8899 g/(m·s)；紙漿特性流體的密度980 kg/m3,黏度0.897 g/(m·s),無熱量傳輸。計算采用Fluent湍流計算模型高雷諾數k-ε模型中的RNG模型(此模型考慮了低雷諾數流動黏性和湍流漩渦)來求解流漿箱的內部流場,其中k為湍動能,指速度波動的變化量,單位為m2/s2；ε為湍動能耗散,指速度波動耗散的速率,單位為m2/s3。該模型可靠且數據穩定,對湍流渦旋形狀尺寸的預測也有較好的效果[5]。

在Fluent軟件內設均衡室入口速度為0.6 m/s,入口湍流強度設置為10%,計算水力直徑36.4 mm。設唇口出口壓力為0,出口湍流強度為10%,計算水力直徑為15 mm。wall-move設置為moving wall,轉軸Y為-1,即Y軸為負方向。壁面粗糙度設為0.0016 mm。其余面均指定為無滑移、絕熱的壁面邊界,壁面粗糙度為0.0016 mm，并對整個流場施加重力作用。模擬選用高階求解模式(high resolution ),最大迭代步數設為1500步,求解精度為10-4,以保證求解質量。

2.3.2 模擬計算的實施

建立不同流道寬度尺寸的模型,在相同的入口速度下,改變wall-move的轉速,進行計算模擬。研究不同流道寬度在不同轉速、相同入口流速以及相同初始化條件下,流漿箱上半部分流道沿流場豎直方向切面處的湍流分布情況,得出較優尺寸。

2.4 流場的模擬結果及分析

2.4.1 流場的模擬結果

通過參考水力式流漿箱湍流發生器直徑在20 mm左右[6],選取流道寬度為10、16、20 mm進行流場湍流強度仿真,仿真結果如圖5所示。

因在流道中心處湍流作用影響較小[7],影響纖維分散效果,所以研究流道中心處湍流強度,分別在流漿箱不同寬度流道豎直面的中心線處，即流道豎直中心線處輸出此位置的湍流強度,中心線位置如圖6所示,不同寬度流道湍流強度數值如圖7所示。

圖6 流道中心線位置

圖7 流道豎直中心線處湍流強度

2.4.2 模擬結果分析

從以上仿真結果可知,相同轉速時隨流道寬度尺寸增大,流道內的湍流強度不斷降低,其湍流分布效果也逐漸變差。這是因為靠近壁面的流體由于自身的黏性部分附著在壁面上,并隨壁面轉動與相鄰的流體產生速度差,由流體相互之間的內摩擦帶動相鄰流體使其速度加快,由附著在壁面的流體依次向流道中心流體傳遞。離壁面越遠,壁面轉動對流體的影響越小,靠近壁面的湍流強度高,遠離壁面的湍流強度低且湍流分布不均勻。從而流道寬度越大、勻漿輥轉速越小,流體湍流強度越小,在流道內分布越不均勻,從以上數據得出流道寬度為20 mm、勻漿輥轉速為10 r/s時流道中心線處湍流強度最大值不到20%。流道寬度越小、勻漿輥轉速越大,流體湍流強度越大,在流道內分布較為均勻,從以上數據得出流道寬度為10 mm、勻漿輥轉速為100 r/s時流道中心線處湍流強度最大值達到60%以上,湍流強度最小值達到24%。通過比較水力式流漿箱湍流管沿紙機方向的湍流強度曲線[8]可知,新型流漿箱流道寬度為10～16 mm、勻漿輥轉速為50～100 r/s范圍時流道內流體湍流強度可以較好地滿足分散紙漿纖維的要求。水力式流漿箱湍流管模型和湍流強度圖分別如圖8和圖9所示。

圖8 水力式流漿箱湍流管模型

圖9 水力式流漿箱湍流管不同入口速度湍流強度圖

3 結 論

3.1 主要介紹了輥殼式流漿箱的結構原理。輥殼式流漿箱的主要功能為分散紙漿纖維，并通過導流板分隔成的多個流道減少稀釋水的橫向流動,從而有利于在紙機橫向定點加入稀釋水。

3.2 利用數值模擬的方法研究了流漿箱上部流道的湍流強度,通過分析比較在相同入口速度、不同勻漿輥轉速下不同寬度流道的湍流特性。結果表明，流道寬度尺寸越小,壁面轉動帶動流體的效果越好。流道寬度尺寸較大時,要得到較好的湍流分布,需要將輥子轉速提高到很高的水平才會使得流道內流體湍流分布達到較好的效果。因此得出新型流漿箱流道寬度為10～16 mm、勻漿輥轉速為50～100 r/s范圍時流體湍流強度可以較好地滿足分散紙漿纖維的要求。

4 展 望

通過研究分析確定了流道的寬度和勻漿輥轉速范圍,今后將對流道兩側導流板的形狀進行優化改造,以增大流體湍流強度并控制湍流渦旋在2～4 mm,在保證流體湍流強度的基礎上,擴大流道寬度以減少導流板數量,從而減輕勻漿輥負重、減少生產成本,以便更好地滿足分散紙漿纖維和實際生產制造的要求。

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Structure Principle and Analysis of a New Headbox with Roller and Shell

HOU Shun-li LIN Xiao-lin*WANG Hai-chen

(CollegeofLightIndustryandEnergy,ShaanxiProvinceKeyLabofPapermakingTechnologyandSpecialtyPaper,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021)

The structure principle of a new headbox with roller and shell was introduced. Aiming at the model of flow channel of the simulated headbox, using computational fluid dynamics method to make numerical simulation and analysis of the flow filed of the channels with different width. The simulation results showed that the turbulence characteristics of flow in the flow channel headbox, and analysis also showed that turbulence intensity could satisfy the fiber dispersion requirement when the width of flow channel and speed of roller were in a certain range.

headbox; structure; flow field; numerical simulation

侯順利先生,副教授；主要從事制漿造紙設備方面的教學與研究。

(陜西科技大學輕工與能源學院,陜西省造紙技術及特種紙品開發重點實驗室,陜西西安,710021)

TS734+.2

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.01.011

2015- 09-11(修改稿)

陜西省科技廳省級重點實驗室科研項目(2011HB-SZS014)。

*通信作者：林曉林先生,E-mail：840052290@qq.com。