锥形布浆器的结构优化

李 晨 ，刘丰恕，田 迪

（长安大学，陕西 西安710064）

锥形布浆器的结构优化

李 晨 ，刘丰恕，田 迪

（长安大学，陕西 西安710064）

流浆箱是纸机的关键部位，一个好的流浆箱要有一个效率高的布浆器。针对布浆器内纸浆的流动特性，采用计算流体动力学的方法，利用ANSYS进行仿真，通过改变回流量大小对布浆器进行数值模拟和分析，并且进行优化。优化之后，布浆的均匀性提高。

锥形布浆器；回流量；结构优化；ANSYS；数值模拟

流浆箱是现代纸机的关键部位，它是把适当浓度的浆料通过布浆器、整流装置、堰池、堰板喷口等部件均匀稳定地送到网上的设备。浆料从流浆箱喷射到铜网上之后，在网部上形成湿纸页并进行脱水；然后通过用机械方法进行压榨，挤出湿纸页的水分，提高纸页的干度；最后进入烘干部，将湿纸页进一步脱水来使纸页收缩，达到增加纸的强度的效果。由此可知，流浆箱的作用就是为纸页成形提供良好的前提条件。在高速高幅宽的纸机上，浆料从流浆箱喷出到定型的时间只有几分之一秒，在这样短暂的时间内，要求纸页的定量沿纸机横幅全宽均匀一致，抄出匀度良好的纸页单靠网部是难于实现的，这就要求流浆箱所喷出的浆料沿纸机全宽严格做到稳定均匀全幅一致，有效地分散纤维，防止絮聚。

布浆器是流浆箱的第一个装置，是流浆箱的重要部件。管道内的浆流主要是通过布浆器来展开成为全幅宽的浆流，以此达到浆料在各支管内均匀分布的效果。布浆器的效率高低直接决定了流浆箱的好坏。在纸的生产过程中，回流量是一个比较重要的工艺参数，通常要按照设计要求对回流量进行调节，使浆流能够分布均匀。如果回流量设定不合理，就会导致纸幅的横幅定量偏差过大，从而影响纸的最后质量。因此研究总管回流量的大小对浆流均匀分布的影响关系，并对布浆器进行结构优化，是很有必要的。针对这个问题，利用Proe、ANSYS等软件对布浆器内浆料进行数值模拟，研究布浆总管回流量对浆流均匀分布的影响，并对布浆器进行结构优化。

1 研究内容与方法

本论文的研究对象为锥形布浆器，利用Proe建立锥形布浆器的简化模型（见图1），然后利用ANSYS仿真软件对布浆器内浆料进行数值模拟[1]，得出仿真结果，然后根据仿真结果，得出新的合理的优化结果[2，3]。

图1 锥形布浆器Proe建模模型（两个视图方向）

2 优化过程

2.1 纸机及布浆器的选用

本次模拟采用实验纸机。锥形布浆器是目前被采用最广泛的布浆器。由于不同幅宽的锥形布浆器内浆料分布趋势大致相同，因此，选定布浆总管全长为600 mm，进口段总宽度为200 mm，流浆箱的设计车速为100～400 m/min，唇口流量为62.3 kg/s，回流量是进口量的10%，布浆器入口端浆流流速选定为2 m/s，根据拜纳斯方程，计算得到，入口端的截面积为31150 mm2，锥形总管入口的高度为155.75 mm，共90根支管，支管横向间距为38 mm.回流量的期望值是3.738 kg/s.

2.2 模拟过程

利用Proe[4]建模，把几何模型导出为step类型文件，然后将其导入ANSYS-Meshing-ICEM CFD 14.0中，进行网格划分。将划分好的网格导入到ANSYSFLUENT 14.0中，进行数值模拟。对于几何模型中的15排纵管，依次命名为 out1、out2、……out15，流量入口为锥形布浆器的圆截面口，流量出口为矩形截面口（如图1所示）。当流浆箱内纸浆悬浮液浓度低于1%时，浆料和水的流动特性极其相似，所以可以按照水力学流体力学对流浆箱内的浆流进行分析。在模拟的过程中，用水代替纸浆悬浮液，对布浆器的进口条件进行定义：速度流量入口62.3 kg/s；对回流端出口条件定义：速度流量出口6.23 kg/s（回流量为10%），各支管压力出口设为1个标准大气压，其壁面设为无滑移。通过调节总管的入口流量和回流端流量来调节回流量大小，在回流量分别为0%、2.5%、5%、7.5%、10%（见图 2）和 10%、12.5%、15%、17.5%、20%（见图3）下进行数值模拟，得出不同的流量分布。在整个模拟过程中，各支管的总流量都为62.3 kg/s，各排支管的流量为4.153 3 kg/s.由模拟结果可知，无论是减小总管回流量或者是增大总管的回流量的情况下，各支管的流量分布形式大体都相同。从所得结果发现，当回流量为15%的时候，最大误差与最小误差之间的差值最小（如图4所示），因此，此时的布浆性能较为良好。但所建立锥形布浆器的模型为回流率10%，因此，需要优化布浆器的结构，建立新的模型。

图2 回流量为0%～10%下各支管流量的分布

图4 不同回流量下的回流量与期望值（3.738 kg/s）的最小误差和最大误差

2.3 结构优化

纵排支管在3排处，流量突然增大（见图2，3），说明此处的压力增大，在调节锥形布浆器的结构时，可以将后壁形状向里凹（见图5，），以此来减小压力，流量就会相应减小；而在纵排支管12处，流量突然减小，说明此处的压力减小，可以增大此处的后壁形状，将布浆器的后壁做凸出处理，压力会由此增大，模型发生微小的改变，流量也会发生很大的影响。可以得到，优化之后，在纵排3和纵排12处不再出现突变的情况（见图6），流量的走势总体为上升平稳趋势，同时，各支管的流量与期望值（3.738 kg/s）的偏差由-2.17%～3.55%变为-1.82%～2.8473%，减小了流量的偏差范围，布浆的均匀性能提高。

图5 优化后的模型

图6 优化前后各排支管的流量比较

3 总结

本论文利用Proe、ANSYS等软件对锥形布浆器的进行了建模，仿真分析，并且利用数值模拟的方法研究了锥形布浆器内浆料的均匀性能。研究发现：布浆总管内浆料的均匀性的好坏取决于回流量的大小。而改变布浆器的结构，又可以影响回流量的大小。针对这一特性，对布浆器的结构进行了优化，优化之后，布浆器的各支管流量接近于期望值，各支管的流量与期望值的偏差值由-2.17%～3.55%变为-1.82%～2.8473%，减小了流量的偏差范围，布浆的均匀性能提高。

[1]刘 伟，陈克复，李 军.方锥管布浆器内流动特性的数值模拟[J].华南理工大学学报，2011，39（3）：13-16，27.

[2]王道文，于 燕.基于Matlab的流浆箱锥形布浆总管的优化设计[J].中国造纸，2006，25（9）：23-26.

[3]杨 旭，陈克复，文海平.高速宽幅流浆箱等压布浆器原理及新的计算方法探讨[J].中国造纸，2009，28（9）：1-4.

[4]陈克复，曾劲松，冯郁成，等.纸浆纤维悬浮液的流动和模拟[J].华南理工大学，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，硕士在读，主要研究“互联网+”方向；刘丰恕（1990-），男，湖南益阳人，硕士在读，主要研究CAD/CAE/CAM方向；田 迪（1993－），男，陕西西安人，硕士在读，主要研究无线充电方向。