錐形布漿器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

李 晨 ，劉豐恕，田 迪

（長安大學(xué)，陜西 西安710064）

錐形布漿器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

李 晨 ，劉豐恕，田 迪

（長安大學(xué)，陜西 西安710064）

流漿箱是紙機(jī)的關(guān)鍵部位，一個(gè)好的流漿箱要有一個(gè)效率高的布漿器。針對(duì)布漿器內(nèi)紙漿的流動(dòng)特性，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方法，利用ANSYS進(jìn)行仿真，通過改變回流量大小對(duì)布漿器進(jìn)行數(shù)值模擬和分析，并且進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化之后，布漿的均勻性提高。

錐形布漿器；回流量；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；ANSYS；數(shù)值模擬

流漿箱是現(xiàn)代紙機(jī)的關(guān)鍵部位，它是把適當(dāng)濃度的漿料通過布漿器、整流裝置、堰池、堰板噴口等部件均勻穩(wěn)定地送到網(wǎng)上的設(shè)備。漿料從流漿箱噴射到銅網(wǎng)上之后，在網(wǎng)部上形成濕紙頁并進(jìn)行脫水；然后通過用機(jī)械方法進(jìn)行壓榨，擠出濕紙頁的水分，提高紙頁的干度；最后進(jìn)入烘干部，將濕紙頁進(jìn)一步脫水來使紙頁收縮，達(dá)到增加紙的強(qiáng)度的效果。由此可知，流漿箱的作用就是為紙頁成形提供良好的前提條件。在高速高幅寬的紙機(jī)上，漿料從流漿箱噴出到定型的時(shí)間只有幾分之一秒，在這樣短暫的時(shí)間內(nèi)，要求紙頁的定量沿紙機(jī)橫幅全寬均勻一致，抄出勻度良好的紙頁單靠網(wǎng)部是難于實(shí)現(xiàn)的，這就要求流漿箱所噴出的漿料沿紙機(jī)全寬嚴(yán)格做到穩(wěn)定均勻全幅一致，有效地分散纖維，防止絮聚。

布漿器是流漿箱的第一個(gè)裝置，是流漿箱的重要部件。管道內(nèi)的漿流主要是通過布漿器來展開成為全幅寬的漿流，以此達(dá)到漿料在各支管內(nèi)均勻分布的效果。布漿器的效率高低直接決定了流漿箱的好壞。在紙的生產(chǎn)過程中，回流量是一個(gè)比較重要的工藝參數(shù)，通常要按照設(shè)計(jì)要求對(duì)回流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，使?jié){流能夠分布均勻。如果回流量設(shè)定不合理，就會(huì)導(dǎo)致紙幅的橫幅定量偏差過大，從而影響紙的最后質(zhì)量。因此研究總管回流量的大小對(duì)漿流均勻分布的影響關(guān)系，并對(duì)布漿器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，是很有必要的。針對(duì)這個(gè)問題，利用Proe、ANSYS等軟件對(duì)布漿器內(nèi)漿料進(jìn)行數(shù)值模擬，研究布漿總管回流量對(duì)漿流均勻分布的影響，并對(duì)布漿器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 研究?jī)?nèi)容與方法

本論文的研究對(duì)象為錐形布漿器，利用Proe建立錐形布漿器的簡(jiǎn)化模型（見圖1），然后利用ANSYS仿真軟件對(duì)布漿器內(nèi)漿料進(jìn)行數(shù)值模擬[1]，得出仿真結(jié)果，然后根據(jù)仿真結(jié)果，得出新的合理的優(yōu)化結(jié)果[2，3]。

圖1 錐形布漿器Proe建模模型（兩個(gè)視圖方向）

2 優(yōu)化過程

2.1 紙機(jī)及布漿器的選用

本次模擬采用實(shí)驗(yàn)紙機(jī)。錐形布漿器是目前被采用最廣泛的布漿器。由于不同幅寬的錐形布漿器內(nèi)漿料分布趨勢(shì)大致相同，因此，選定布漿總管全長為600 mm，進(jìn)口段總寬度為200 mm，流漿箱的設(shè)計(jì)車速為100～400 m/min，唇口流量為62.3 kg/s，回流量是進(jìn)口量的10%，布漿器入口端漿流流速選定為2 m/s，根據(jù)拜納斯方程，計(jì)算得到，入口端的截面積為31150 mm2，錐形總管入口的高度為155.75 mm，共90根支管，支管橫向間距為38 mm.回流量的期望值是3.738 kg/s.

2.2 模擬過程

利用Proe[4]建模，把幾何模型導(dǎo)出為step類型文件，然后將其導(dǎo)入ANSYS-Meshing-ICEM CFD 14.0中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入到ANSYSFLUENT 14.0中，進(jìn)行數(shù)值模擬。對(duì)于幾何模型中的15排縱管，依次命名為 out1、out2、……out15，流量入口為錐形布漿器的圓截面口，流量出口為矩形截面口（如圖1所示）。當(dāng)流漿箱內(nèi)紙漿懸浮液濃度低于1%時(shí)，漿料和水的流動(dòng)特性極其相似，所以可以按照水力學(xué)流體力學(xué)對(duì)流漿箱內(nèi)的漿流進(jìn)行分析。在模擬的過程中，用水代替紙漿懸浮液，對(duì)布漿器的進(jìn)口條件進(jìn)行定義：速度流量入口62.3 kg/s；對(duì)回流端出口條件定義：速度流量出口6.23 kg/s（回流量為10%），各支管壓力出口設(shè)為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，其壁面設(shè)為無滑移。通過調(diào)節(jié)總管的入口流量和回流端流量來調(diào)節(jié)回流量大小，在回流量分別為0%、2.5%、5%、7.5%、10%（見圖 2）和 10%、12.5%、15%、17.5%、20%（見圖3）下進(jìn)行數(shù)值模擬，得出不同的流量分布。在整個(gè)模擬過程中，各支管的總流量都為62.3 kg/s，各排支管的流量為4.153 3 kg/s.由模擬結(jié)果可知，無論是減小總管回流量或者是增大總管的回流量的情況下，各支管的流量分布形式大體都相同。從所得結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)回流量為15%的時(shí)候，最大誤差與最小誤差之間的差值最小（如圖4所示），因此，此時(shí)的布漿性能較為良好。但所建立錐形布漿器的模型為回流率10%，因此，需要優(yōu)化布漿器的結(jié)構(gòu)，建立新的模型。

圖2 回流量為0%～10%下各支管流量的分布

圖4 不同回流量下的回流量與期望值（3.738 kg/s）的最小誤差和最大誤差

2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

縱排支管在3排處，流量突然增大（見圖2，3），說明此處的壓力增大，在調(diào)節(jié)錐形布漿器的結(jié)構(gòu)時(shí)，可以將后壁形狀向里凹（見圖5，），以此來減小壓力，流量就會(huì)相應(yīng)減小；而在縱排支管12處，流量突然減小，說明此處的壓力減小，可以增大此處的后壁形狀，將布漿器的后壁做凸出處理，壓力會(huì)由此增大，模型發(fā)生微小的改變，流量也會(huì)發(fā)生很大的影響。可以得到，優(yōu)化之后，在縱排3和縱排12處不再出現(xiàn)突變的情況（見圖6），流量的走勢(shì)總體為上升平穩(wěn)趨勢(shì)，同時(shí)，各支管的流量與期望值（3.738 kg/s）的偏差由-2.17%～3.55%變?yōu)?1.82%～2.8473%，減小了流量的偏差范圍，布漿的均勻性能提高。

圖5 優(yōu)化后的模型

圖6 優(yōu)化前后各排支管的流量比較

3 總結(jié)

本論文利用Proe、ANSYS等軟件對(duì)錐形布漿器的進(jìn)行了建模，仿真分析，并且利用數(shù)值模擬的方法研究了錐形布漿器內(nèi)漿料的均勻性能。研究發(fā)現(xiàn)：布漿總管內(nèi)漿料的均勻性的好壞取決于回流量的大小。而改變布漿器的結(jié)構(gòu)，又可以影響回流量的大小。針對(duì)這一特性，對(duì)布漿器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化之后，布漿器的各支管流量接近于期望值，各支管的流量與期望值的偏差值由-2.17%～3.55%變?yōu)?1.82%～2.8473%，減小了流量的偏差范圍，布漿的均勻性能提高。

[1]劉 偉，陳克復(fù)，李 軍.方錐管布漿器內(nèi)流動(dòng)特性的數(shù)值模擬[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，39（3）：13-16，27.

[2]王道文，于 燕.基于Matlab的流漿箱錐形布漿總管的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國造紙，2006，25（9）：23-26.

[3]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(jì)算方法探討[J].中國造紙，2009，28（9）：1-4.

[4]陳克復(fù)，曾勁松，馮郁成，等.紙漿纖維懸浮液的流動(dòng)和模擬[J].華南理工大學(xué)，2012（10）：20-27.

Study On The Structural Optimization Of Diffuser Headbox

LI Chen，LIU Feng-shu，TIAN Di
（Chang’an University，Xi’an Shaanxi 710064，China）

Headbox is the key part of paper machine，a good headbox must have a high-efficiency filter diffuser headbox.Aiming at the flow characters inside the step diffuser headbox，using the way of computational fluid dynamics that varies the recirculation value to simulate and analysis these data.After optimizing the structure，the uniformity of the slurry is improved.

step diffuser headbox；recirculation value；Structure optimization；ANSYS；numerical simulation

TS734.5

A

1672-545X（2017）08-0046-02

2017-05-26

李 晨（1992－），男，山西忻州人，碩士在讀，主要研究“互聯(lián)網(wǎng)+”方向；劉豐恕（1990-），男，湖南益陽人，碩士在讀，主要研究CAD/CAE/CAM方向；田 迪（1993－），男，陜西西安人，碩士在讀，主要研究無線充電方向。