基于CFD數(shù)值模擬的紙漿壓力篩篩鼓棒條形狀改進(jìn)分析

榮學(xué)青 史巖彬，* 張麗麗 苗海濱

(1.齊魯工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東濟(jì)南，250353；2.山東杰鋒機(jī)械制造有限公司，山東淄博，255200)

·壓力篩篩鼓棒條·

基于CFD數(shù)值模擬的紙漿壓力篩篩鼓棒條形狀改進(jìn)分析

榮學(xué)青1史巖彬1，*張麗麗1苗海濱2

(1.齊魯工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東濟(jì)南，250353；2.山東杰鋒機(jī)械制造有限公司，山東淄博，255200)

為了提高紙漿壓力篩的產(chǎn)量，采用CFD(Computational Fluid Dynamics)對(duì)壓力篩篩鼓棒條周圍的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。通過比較壓力篩篩鼓棒條形狀變化時(shí)的流場(chǎng)壓力、湍流動(dòng)能和速度云圖的變化，發(fā)現(xiàn)棒條形狀變化時(shí)，渦流的位置和大小也發(fā)生變化。在其他工作狀態(tài)及結(jié)構(gòu)條件不變的情況下，棒條形狀改變，還會(huì)引起出口流量的變化，即棒齒寬度AB值對(duì)篩漿口流場(chǎng)產(chǎn)生一定影響，該值存在一個(gè)最優(yōu)值。

壓力篩；篩鼓；棒條；紙漿流場(chǎng)；數(shù)值模擬；改進(jìn)分析

在造紙行業(yè)中，壓力篩的產(chǎn)量問題一直是造紙行業(yè)最關(guān)心的問題之一?，F(xiàn)今造紙行業(yè)正處于高速發(fā)展時(shí)期[1]，提高壓力篩產(chǎn)量的方法有很多種，其中改變篩縫處結(jié)構(gòu)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(xiàn)[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(dòng)，加快了紙漿纖維通過篩縫速度，與普通光滑內(nèi)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(zhuǎn)子和篩鼓的距離，改變內(nèi)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(zhuǎn)子旋翼結(jié)構(gòu)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(duì)流場(chǎng)的變化有很大影響。因此研究棒條形狀引起的流場(chǎng)變化，進(jìn)而優(yōu)化篩鼓棒條結(jié)構(gòu)，具有重要的實(shí)用價(jià)值。目前運(yùn)用CFD 數(shù)值模擬研究復(fù)雜流場(chǎng)及相關(guān)特性，成為開發(fā)裝備和優(yōu)化關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的一種有效手段。隨著計(jì)算機(jī)能力的發(fā)展[5]和提高，越來越多數(shù)值模擬技術(shù)被用于改進(jìn)壓力篩結(jié)構(gòu)工作當(dāng)中[6]，但關(guān)于壓力篩篩鼓棒條結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)壓力篩產(chǎn)量影響的研究較少。因此，本研究采用CFD技術(shù)，分析了篩鼓棒條周圍紙漿的流動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而分析其流場(chǎng)特性，為優(yōu)化和改進(jìn)篩鼓棒條結(jié)構(gòu)尺寸提供理論支持。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

根據(jù)非牛頓流體流動(dòng)特性，認(rèn)為壓力篩中紙漿流動(dòng)應(yīng)看做三維湍流問題。對(duì)于湍流的復(fù)雜性，要選擇合適的理論假設(shè)和計(jì)算模型。本研究有以下的假設(shè)和簡(jiǎn)化：

(1)由于壓力篩外部和內(nèi)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(zhì)。

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

(3)紙漿纖維看作長(zhǎng)圓柱體，用r表示紙漿纖維半徑，l表示紙漿纖維的長(zhǎng)度。

纖維表面積可表示為：

(1)

根據(jù)上述假設(shè)，采用應(yīng)用型k-ε湍流模型方程[7]推斷出紙漿流動(dòng)[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(gòu)建及網(wǎng)格劃分

以某企業(yè)提供的某型升流式壓力篩為研究對(duì)象，其篩鼓和棒條形狀如圖1所示。通過對(duì)圖1(a)局部結(jié)構(gòu)放大，可以清楚地觀察到篩鼓結(jié)構(gòu)。對(duì)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(nèi)部的流動(dòng)情況，任意截面出口流量乘以篩鼓高度都能計(jì)算出整體篩鼓流量。因此對(duì)于等截面流動(dòng)，可以簡(jiǎn)化為二維模型，這樣可降低計(jì)算量且能夠反映現(xiàn)實(shí)情況。本研究根據(jù)實(shí)際壓力篩模型尺寸，構(gòu)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(jìn)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(jì)算出出口1和出口2的流量。

圖2(b)為幾何模型網(wǎng)格圖，由于流場(chǎng)內(nèi)速度壓力變化明顯，在拐角處多漩渦，因此采用四邊形非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分網(wǎng)格，選用這種網(wǎng)格在獲得速度和壓力云圖時(shí)，能更明顯地觀察云圖的變化，也便于后期對(duì)云圖的分析得到相對(duì)準(zhǔn)確的結(jié)論。

圖1 壓力篩篩鼓和棒條形狀結(jié)構(gòu)圖

2.2模擬計(jì)算參數(shù)取值設(shè)置

由某廠提供的漂白針葉木漿，經(jīng)測(cè)得紙漿濃度3%，打漿度16°SR，密度ρ=1007 kg/m3，漿料動(dòng)力黏度v=0.02566 Pa·s=0.02566 N·s/m2?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量廠家實(shí)際生產(chǎn)時(shí)數(shù)據(jù)，相對(duì)壓強(qiáng)p=0.03 MPa，入口設(shè)置為速度入口s=18 m/s，設(shè)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(jìn)口湍流強(qiáng)度I=5%。

2.3模型求解

運(yùn)用CFD方法對(duì)壓力篩篩鼓棒條幾何模型進(jìn)行求解。面向紙漿在篩內(nèi)流動(dòng)，考慮到漩渦對(duì)流量的作用，本研究采用應(yīng)用型k-ε湍流模型方程[6]，該方程是目前應(yīng)用最廣泛的湍流模型，并且大量的工程實(shí)踐表明，在模擬強(qiáng)流線彎曲、漩渦和旋轉(zhuǎn)等流場(chǎng)有更好地表現(xiàn)。同時(shí)為了降低速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)之間的相互影響，選用SIMPLE算法計(jì)算，該算法假設(shè)速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)各自獨(dú)立運(yùn)行，大大減少計(jì)算周期，同時(shí)在做速度修正時(shí)，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(wǎng)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(jié)果與分析

3.1流量與速度場(chǎng)的分析

對(duì)圖2(a)H=4.0 mm的模型進(jìn)行數(shù)值模擬，在幾何模型中改變AB距離，分別進(jìn)行了6次數(shù)值模擬，根據(jù)AB距離變化時(shí)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(shí)，出口總流量最大為12.2343 kg/s，通過對(duì)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(shì)，隨著AB距離逐漸增大，出口流量的變化趨勢(shì)為先增大后減小。

不同改進(jìn)方案模擬的紙漿流場(chǎng)速度云圖見圖4。從圖4中觀察A點(diǎn)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(diǎn)附近速度小的區(qū)域逐漸減小。當(dāng)AB=2.5 mm時(shí)，紙漿進(jìn)入篩縫處的速度過渡更平穩(wěn)，速度變化更小。AB>2.5 mm時(shí)，隨著A點(diǎn)位置繼續(xù)右移，A點(diǎn)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(shí)，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(diǎn)逐漸靠近篩縫，可能會(huì)導(dǎo)致漿料或者雜質(zhì)在篩縫附近堆積，篩縫更容易堵塞，結(jié)合圖4速度云圖的分析以及表1中出口總流量對(duì)比，由此可以得出當(dāng)AB=2.5 mm時(shí)，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(huì)影響篩縫進(jìn)口處的流場(chǎng)變化，將圖2(a)中H的距離增加到5.0 mm，進(jìn)行數(shù)值模擬，得到圖5。對(duì)比圖4和圖5，觀察到紙漿在流入篩縫和流出篩縫時(shí)，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(yīng)地減少流過篩縫的紙漿，反而流過出口3的紙漿所占總質(zhì)量比例會(huì)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(shí)，AB不同取值時(shí)通過 篩縫出口總流量的變化

圖4 H=4.0 mm時(shí)，AB不同取值的速度云圖

圖5 H=5.0 mm時(shí)，AB不同取值的速度云圖

3.2湍流動(dòng)能和總壓力分析

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

篩鼓棒條模型的湍流動(dòng)能見圖6。從云圖6中看出，在AB=1.0 mm時(shí)，A點(diǎn)上方位置的湍流動(dòng)能很明顯，而且A點(diǎn)周圍的湍流動(dòng)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(shí)，A點(diǎn)上方位置湍流動(dòng)能變化不明顯，可看出，當(dāng)AB=2.5 mm時(shí)，A點(diǎn)到篩縫處湍流動(dòng)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(diǎn)處的低壓區(qū)域減小，低壓區(qū)域的存在容易產(chǎn)生漩渦，漩渦不利于紙漿纖維通過篩縫，而在AB=2.5 mm時(shí)，A點(diǎn)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(yùn)動(dòng)情況

為了檢驗(yàn)不同漿料在最優(yōu)尺寸模型中的運(yùn)動(dòng)情況，本研究另外選用兩種典型紙漿在AB=2.5 mm時(shí)，進(jìn)行數(shù)值模擬，使獲得的結(jié)論更具有實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)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(dòng)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(dòng)力黏度v=0.011 Pa·s=0.011N·s/m2)，經(jīng)過模擬計(jì)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(duì)應(yīng)的速度云圖、總壓云圖和湍流動(dòng)能云圖。

圖6 篩鼓棒條模型的湍流動(dòng)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(dòng)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(diǎn)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(chǎn)生漩渦等。在圖10中，未漂針葉木漿篩縫周圍湍流強(qiáng)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(shí)際設(shè)備制造過程中，由于篩鼓棒條尺寸較小，往往會(huì)忽視它對(duì)整體產(chǎn)量的影響，而本研究通過數(shù)值模擬分析，認(rèn)為棒條對(duì)流量的影響很明顯，且具有一定規(guī)律。

4 結(jié) 論

(1)渦流對(duì)漿料通過篩縫時(shí)的速度、壓力和湍流動(dòng)能產(chǎn)生影響，通過改變A點(diǎn)的位置可以使渦流減小并遠(yuǎn)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(duì)比各種方案的壓力、湍流動(dòng)能和速度云圖，可以得出漿料在篩縫處的流動(dòng)速度的變化快慢，為篩鼓棒條形狀優(yōu)化提供了依據(jù)。

(3)在模擬條件下，篩鼓棒條形狀改變影響了漿料流動(dòng)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(shí)，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(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生影響，且具有一個(gè)最優(yōu)值。

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

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(責(zé)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(xué)青先生，在讀碩士研究生；研究方向?yàn)檫^程檢測(cè)與控制技術(shù)。

TS733+.3；TQ018

A

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

2017- 06- 06(修改稿)

山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(NO.2015GGX103022);濟(jì)南市高校院所自主創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(NO.201401227)。

*通信作者:史巖彬，博士，教授；研究方向?yàn)榛み^程機(jī)械、多相流數(shù)值模擬與仿真。

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