辊壳式流浆箱结构原理及初步分析

侯顺利 林晓林 王海琛

(陕西科技大学轻工与能源学院,陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室,陕西西安,710021)



·流浆箱·

辊壳式流浆箱结构原理及初步分析

侯顺利 林晓林*王海琛

介绍了辊壳式流浆箱的结构原理,并针对实验中模拟的流浆箱流道模型,采用计算流体动力学方法,通过对流浆箱不同流道宽度的流场进行了数值模拟和分析计算。模拟结果体现了新型流浆箱流道内流体湍流特性,同时研究分析表明,新型流浆箱流道宽度和匀浆辊转速在一定范围内时,流体湍流强度可较好地满足分散纸浆纤维的要求。

流浆箱；结构；流场；数值模拟

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流浆箱是纸机的一个关键装置,对抄造出质量良好的纸张起着关键性作用。流浆箱的一个基本任务是保证纤维悬浮液沿纸机横向均匀分布,以尽可能地减小纸张的横向定量差；另一个基本任务是保证纤维悬浮液中的纤维均匀分散在水体中,尽量减少纤维悬浮液中的絮聚团,尽可能提高纸张的匀度[1]。目前中低速纸机所用的流浆箱多为匀浆辊流浆箱。浆流通过匀浆辊时会产生较大的横向流动,虽然可以分散纤维团,但会造成浆流不稳定，为此在其下游需要设置较长的缓冲区,但是较长的缓冲区又会使已经分散了的纤维絮聚团重新絮聚,从而影响纸张匀度。特别是当布浆器中带有稀释水调节装置时,定点稀释水和主体浆流流过宽大的箱体时,经过匀浆辊的搅动产生较大的横向流动,大大减弱稀释水调节的效果。有研究表明在现有匀浆辊流浆箱中采用稀释水调节的效果甚微[2]。

本文介绍了辊壳式流浆箱的结构原理，并对流浆箱流道宽度的流场进行了分析。辊壳式流浆箱设计时要求克服现有匀浆辊流浆箱湍流尺寸大、湍流强度小、横向流动大、浆流不稳定、不能有效使用稀释水调节纸张横幅定量差等诸多弊端,可提高纸张匀度,减少纸张的横幅定量差。

1 辊壳式流浆箱的结构原理

1.1 辊壳式流浆箱的结构

图1所示为辊壳式流浆箱的结构图。由图1可以看出,辊壳式流浆箱有一个水平放置的圆筒形壳体,该圆筒形壳体内有一个可以绕自身轴线旋转的圆柱形辊子。在圆筒形壳体的左下方(即靠近布浆器方向处)设有一个浆流入口,该浆流入口外设有一个尺寸较小的均衡室,该均衡室与两排布浆支管相连。在圆筒形壳体的右侧(即靠近网部方向处)有一个通往上浆装置的浆流出口,该浆流出口与上浆装置相连。在圆筒形壳体的上方设有一个溢流口,该溢流口与溢流室相连。图2为匀浆辊横截面及轴向截面图。如图2所示,辊子的辊体为空心结构,辊面均匀地分布着多个环形沟槽,环形沟槽的断面形状为矩形。辊子的轴线与圆筒形壳体的轴线重合,辊子的直径小于圆筒形壳体的直径,辊子外表面与圆筒形壳体内表面之间留有间隙。辊子沿图1中箭头所示的顺时针方向旋转。

图1 辊壳式流浆箱结构图

图2 匀浆辊横截面及轴向截面图

1.2 辊壳式流浆箱的工作原理

浆料或纤维悬浮液从布浆锥管进入各布浆支管,上排布浆支管中的浆料与来自稀释水支管里的稀释水混合后进入均衡室,下排布浆支管中的浆料可以不用加入稀释水而直接进入均衡室。在均衡室内,来自布浆支管的浆流速度被降低,并得以横向均匀分布,分别来自上排布浆支管与下排布浆支管的浆流得以混合。然后浆料在辊面环形沟槽高速运动的摩擦作用下,跟随辊面运动方向,进入到沟槽内和间隙内。圆筒形壳体的内表面是静止的,沟槽表面是高速运动的,处于两者之间的浆流受到一个强大的剪切力,可产生尺寸小而强度高的湍流,实现对纤维絮聚团的分散。当浆料流动到圆筒形壳体上方的溢流口时,大部分浆料继续跟随辊面运动,而少量浆料在压力作用下会向上流动进入溢流室,溢流室维持恒定的液位与气压。当浆料流动到圆筒形壳体右侧的浆流出口时,在压差的作用下,大部分浆料会流向上浆装置,最后流出流浆箱。少量浆料继续随辊面运动,一直流到浆流入口处,与来自均衡室的浆流汇合。

辊壳式流浆箱通过匀浆辊和位于表面的导流板共同旋转，使之与流体产生摩擦形成湍流来分散纸浆纤维,由导流板分隔成的多个流道可减少稀释水在流浆箱内的横向流动,从而达到分散纸浆纤维、在纸机横幅定点稀释浆料的作用。

2 辊壳式流浆箱流场的初步研究

2.1 辊壳式流浆箱流场的数学模型

流浆箱的主要功能是分散纸浆纤维以满足上网要求[3],所以选择模拟流浆箱内流体的湍流特性作为研究对象。前期的仿真结果表明，流浆箱内由导流板分隔的多个流道内的流体流动特性基本相同,故对流浆箱流场进行简化。选取流浆箱内相邻两个导流板之间一个流道，建立从均衡室至唇口的流场模型，且忽略溢流室部分的流体域。建立的流浆箱流场模型如图3所示。参考匀浆辊流浆箱部分尺寸参数[4],确定本课题流场模型物理参数为：均衡室长度200 mm,宽度20 mm,高度200 mm；辊子直径480 mm；沟槽宽度10～20 mm,深度30 mm；壳体直径540 mm,出口高度105 mm；唇板开口高度12 mm。

图3 简化后的流浆箱流场模型

2.2 流场网格划分

针对简化后的流场模型,计算均采用固定的三维直角坐标系统,选用ICEM CFD软件进行网格划分。采用四面体网格划分方法,即对于流场整体采用四面体网格结构。另外,网格的数量也很重要,网格数量过大时,迭代对计算机内存要求会很高；数量过小时又会影响计算精度。经反复尝试,确定最大网格尺寸为4 mm,网格总数约100万。流场网格划分结果如图4 所示。由于匀浆辊转动,在ICEM CFD软件内设置匀浆辊表面和导流板面名称为wall-move,类型为WALL(壁面)；设置均衡室入口名称inlet,类型为VELOCITY-INLET(速度入口)；唇口出口名称outlet,类型为PRESSURE-OUT(压力出口)；其余面为wall-other,类型均为WALL(壁面)。

图4 流浆箱流场网格划分图

图5 不同宽度流道在不同匀浆辊转速下的湍流强度云图

2.3 流浆箱流场模拟计算

2.3.1 流体参数及边界条件

采用水和根据纸浆特性新建的流体材料混合的两相流来模拟纸浆的流动状态,其物理参数为：水的密度997 kg/m3,黏度0.8899 g/(m·s)；纸浆特性流体的密度980 kg/m3,黏度0.897 g/(m·s),无热量传输。计算采用Fluent湍流计算模型高雷诺数k-ε模型中的RNG模型(此模型考虑了低雷诺数流动黏性和湍流漩涡)来求解流浆箱的内部流场,其中k为湍动能,指速度波动的变化量,单位为m2/s2；ε为湍动能耗散,指速度波动耗散的速率,单位为m2/s3。该模型可靠且数据稳定,对湍流涡旋形状尺寸的预测也有较好的效果[5]。

在Fluent软件内设均衡室入口速度为0.6 m/s,入口湍流强度设置为10%,计算水力直径36.4 mm。设唇口出口压力为0,出口湍流强度为10%,计算水力直径为15 mm。wall-move设置为moving wall,转轴Y为-1,即Y轴为负方向。壁面粗糙度设为0.0016 mm。其余面均指定为无滑移、绝热的壁面边界,壁面粗糙度为0.0016 mm，并对整个流场施加重力作用。模拟选用高阶求解模式(high resolution ),最大迭代步数设为1500步,求解精度为10-4,以保证求解质量。

2.3.2 模拟计算的实施

建立不同流道宽度尺寸的模型,在相同的入口速度下,改变wall-move的转速,进行计算模拟。研究不同流道宽度在不同转速、相同入口流速以及相同初始化条件下,流浆箱上半部分流道沿流场竖直方向切面处的湍流分布情况,得出较优尺寸。

2.4 流场的模拟结果及分析

2.4.1 流场的模拟结果

通过参考水力式流浆箱湍流发生器直径在20 mm左右[6],选取流道宽度为10、16、20 mm进行流场湍流强度仿真,仿真结果如图5所示。

因在流道中心处湍流作用影响较小[7],影响纤维分散效果,所以研究流道中心处湍流强度,分别在流浆箱不同宽度流道竖直面的中心线处，即流道竖直中心线处输出此位置的湍流强度,中心线位置如图6所示,不同宽度流道湍流强度数值如图7所示。

图6 流道中心线位置

图7 流道竖直中心线处湍流强度

2.4.2 模拟结果分析

从以上仿真结果可知,相同转速时随流道宽度尺寸增大,流道内的湍流强度不断降低,其湍流分布效果也逐渐变差。这是因为靠近壁面的流体由于自身的黏性部分附着在壁面上,并随壁面转动与相邻的流体产生速度差,由流体相互之间的内摩擦带动相邻流体使其速度加快,由附着在壁面的流体依次向流道中心流体传递。离壁面越远,壁面转动对流体的影响越小,靠近壁面的湍流强度高,远离壁面的湍流强度低且湍流分布不均匀。从而流道宽度越大、匀浆辊转速越小,流体湍流强度越小,在流道内分布越不均匀,从以上数据得出流道宽度为20 mm、匀浆辊转速为10 r/s时流道中心线处湍流强度最大值不到20%。流道宽度越小、匀浆辊转速越大,流体湍流强度越大,在流道内分布较为均匀,从以上数据得出流道宽度为10 mm、匀浆辊转速为100 r/s时流道中心线处湍流强度最大值达到60%以上,湍流强度最小值达到24%。通过比较水力式流浆箱湍流管沿纸机方向的湍流强度曲线[8]可知,新型流浆箱流道宽度为10～16 mm、匀浆辊转速为50～100 r/s范围时流道内流体湍流强度可以较好地满足分散纸浆纤维的要求。水力式流浆箱湍流管模型和湍流强度图分别如图8和图9所示。

图8 水力式流浆箱湍流管模型

图9 水力式流浆箱湍流管不同入口速度湍流强度图

3 结 论

3.1 主要介绍了辊壳式流浆箱的结构原理。辊壳式流浆箱的主要功能为分散纸浆纤维，并通过导流板分隔成的多个流道减少稀释水的横向流动,从而有利于在纸机横向定点加入稀释水。

3.2 利用数值模拟的方法研究了流浆箱上部流道的湍流强度,通过分析比较在相同入口速度、不同匀浆辊转速下不同宽度流道的湍流特性。结果表明，流道宽度尺寸越小,壁面转动带动流体的效果越好。流道宽度尺寸较大时,要得到较好的湍流分布,需要将辊子转速提高到很高的水平才会使得流道内流体湍流分布达到较好的效果。因此得出新型流浆箱流道宽度为10～16 mm、匀浆辊转速为50～100 r/s范围时流体湍流强度可以较好地满足分散纸浆纤维的要求。

4 展 望

通过研究分析确定了流道的宽度和匀浆辊转速范围,今后将对流道两侧导流板的形状进行优化改造,以增大流体湍流强度并控制湍流涡旋在2～4 mm,在保证流体湍流强度的基础上,扩大流道宽度以减少导流板数量,从而减轻匀浆辊负重、减少生产成本,以便更好地满足分散纸浆纤维和实际生产制造的要求。

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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

侯顺利先生,副教授；主要从事制浆造纸设备方面的教学与研究。

(陕西科技大学轻工与能源学院,陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室,陕西西安,710021)

TS734+.2

A

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

2015- 09-11(修改稿)

陕西省科技厅省级重点实验室科研项目(2011HB-SZS014)。

*通信作者：林晓林先生,E-mail：840052290@qq.com。