基于CFD方法的稀释水新型添加装置

周文彬　胡庆喜　李萌

摘 要：针对造纸工业中流浆箱使用的稀释水圆管添加装置中浆料与稀释水混合不均匀的问题，本课题设计了一种基于流体动力学（CFD）方法的稀释水新型添加装置，并对这两种稀释水添加装置中浆料与稀释水的混合流动状态进行了数值模拟分析。结果表明，与稀释水圆管添加装置相比，稀释水新型添加装置使浆料与稀释水混合及出口速度更均匀，有更好的稀释调节效果。

关键词：流浆箱；稀释水新型添加装置；混合流动；数值模拟

中图分类号：TS733

文献标识码：A

DOI：10.11980/j.issn.0254.508X.2018.06.008

Abstract：A new type of dilution water adding device was designed for the situation that the slurry and the dilution water could not be uniformly mixed in dilution water adding device used in engineering dilution water headbox， the mixed flow state of stock and dilution water was numerically simulated by computational fluid dynamics. The results indicated that compared with circular tubedilution water adding device， the dilution water addition of new type device was more uniform than that of circular tube dilution water addition device and the new type device had better dilution adjustment effect.

Key words：headbox； new dilution water addition device； mixed flow； numerical simulation

稀釋水调节是将经稀释水阀控制的稀释水（通常为网下白水）注入到布浆器对应的各个支管中，通过改变浆料浓度来控制纸张定量，从而实现纸张横向定量的均匀分布[1]。与传统的唇板调节相比，用稀释水调节浆料浓度在控制纸张定量的同时，不会影响纸张水分的分布，实现了纸张横向定量与水分的分离控制[2.3]。另外，稀释水调节能更精准地自动控制纸张横幅定量分布，大大提高定量分布和纤维取向的均匀程度[4.6]。目前，造纸工业中稀释水的添加装置主要是圆管添加装置。本课题基于计算流体动力学（CFD）方法，对比两种稀释水添加装置中浆料与稀释水的混合程度以及出口速度大小，探究这两种稀释水添加装置对稀释水调节效果的影响。

1 稀释水添加装置的建模和网格划分

1.1 模型的建立

本课题采用UG软件建立三维几何模型，稀释水圆管添加装置的二维尺寸图和三维几何模型分别如图1和图2所示。稀释水新型添加装置的二维尺寸图和三维几何模型分别如图3和图4所示。由图2、图4可知，两种模型中都有浆料进口、稀释水进口以及浆料出口，浆料从进口处流入与稀释水混合后从出口处流出。

1.2 网格的划分

圆管添加装置和新型添加装置的模型都选用ICEM CFD软件进行网格划分，采用四面体为主的混合网格划分，把进出口平面以及壁面进行局部网格划化。图5和图6分别为稀释水圆管添加装置以及新型添加装置的网格划分图。

2 两种稀释水添加装置的CFD模拟分析

2.1 定义流体的性质

本课题主要研究稀释水添加装置对浆料稀释调节效果的影响，模拟上网浆料（纤维质量分数为0.8%）与稀释水（纤维质量分数为0.3%）的混合情况。由于浆料与白水的纤维质量分数都很低，在0.8%以下，其流动特性与水相似，因此对流浆箱内浆流的分析可按照水力学流体力学进行。由于上网浆料与稀释水中的纤维质量分数不同，本课题采用两种不同密度的流体来进行模拟分析，两种流体除密度不同，其他性质均一致。假设从支管进口处进入的浆料密度为998.2 kg/m3，从稀释水进口处流入的稀释水密度设置为950 kg/m3，黏度与水相同，为1.003 mPa·s，其他主要性质与水相同，比热容为4182 J/（kg·℃），传热系数为0.6 W/（m2·K）。通常情况下流浆箱中浆料温度为40℃，转化为开尔文温度为313.15 K。

2.2 计算模型的选择

由于浆流为不可压缩流体，且有两种不同密度的流体，所以选择Fluent中的Mixture多相流模型。本次模拟中浆料流动状态为湍流，湍流模型采用标准kε方程。

2.3 边界条件设定

从图2、图4中可以看出，模型有两个入口，分别为浆料入口和稀释水入口。因此将稀释水圆管添加装置中浆料入口速度设置为V1，速度为20 m/s；稀释水入口速度设置为V2，速度为13.89 m/s；稀释水新型添加装置中浆料入口速度设置为V1′，速度为20 m/s；稀释水入口速度设置为V2′，稀释水的添加量与圆管稀释水添加装置一样；出口边界条件设置为出口边界，质量出口权重为1；固体壁面采用无滑移壁面边界条件。

3 稀释水添加装置的仿真结果及分析

3.1 密度分析

按照以上设定参数用FLUENT 14.0软件进行模拟仿真，图7为稀释水圆管添加装置浆料密度流线图，为了更好地观察浆料与稀释水的混合情况，以浆料进口管轴线以及稀释水进口管轴线形成的平面作为截面A1，该截面A1密度的流线图如图8所示。从图7和图8中可以看出，稀释水圆管添加装置是稀释水单点注入浆料，在注入点附近，浆料密度低；远离注入点，浆料密度高。换言之，只有在稀释水注入点周围的浆料被稀释了，而远离稀释水注入点的浆料并没有被稀释。因此在浆料管束中，虽然浆料平均浓度达到了调节要求，但浆料分布很不均匀，导致生产的纸张局部匀度不好。

图9为稀释水新型添加装置密度流线图，为了更好地观察稀释水与浆料的混合情况，以浆料进口管轴线以及稀释水进口管轴线形成的平面作为截面A2，图10为截面A2密度流线图。从图9和图10中发现，稀释水新型添加装置从稀释水单点注入浆料管束变为以圆周方式注入浆料管束，稀释水能均匀地添加到浆料中，使浆料分布更加均匀，大大提高了浆料的横幅定量调节效果。

3.2 浆料出口平面直径密度分析

由于浆料出口形状为圆形，假设出口平面圆心为原点，稀释水进口的反方向为+Z轴，浆料进口的方向为+Y轴，根据右手坐标系确定+X轴。在浆料出口平面内选取与+Z轴的夹角为0°、45°、90°、135°的4条直径1、2、3、4，如图11所示。由图1可知，浆料出口直径为20 mm，将其20等分后，以出口直径上的点到圆管出口平面原点的距离作为X轴，在X轴上面的点到原点的距离设置为正值，而X轴下面的点到原点的距离设为负值，Y轴为这些点的密度。图12为这些点的混合流体的密度图，从图12中可以看出，远离稀释水进口处的浆料密度没有变化，即这些浆料并没有被稀释水稀释；而靠近稀释水进口的浆料密度大大减小，其密度最低值是在靠近稀释水进口不远处，而不是在稀释水进口处。另外，与稀释水进口速度方向垂直的直径3其两端密度没有变化，只有中间部分浆料密度减小。从出口平面浆料密度变化趋势可以看出，密度变化最大的直径为与+Z轴夹角为0°的直径1。因此，稀释水圆管添加装置对浆料的稀释效果并不好，只使靠近稀释水进口处的浆料被大大稀释，而远离稀释水进口处的浆料并没有被稀释，导致浆料浓度不均匀。

在稀释水新型添加装置中，由于浆料出口形状为圆形，假设以出口平面圆心为原点，稀释水进口的反方向为+Z轴，在浆料出口平面内与+Z轴夹角为90°且过出口平面圆心的直径为X轴。在浆料出口平

面内选取与+Z轴的夹角为0°、45°、90°、135°的4条直径5、6、7、8，如图13所示。由图3可知，浆料出口直径为20 mm，将其20等分，以出口直径上的点到圆管出口平面原点的距离为X轴，在X轴上面的点到原点的距离设置为正值，而X轴下面的点到原点的距离设为负值，Y轴为这些点的密度。图14为这些点的混合流体的密度图，由图14可知，整个直径的密度都减小，说明浆料全都被稀释水稀释了，并且直径两端的密度比中间的密度要小，说明出口平面外围圆环部分的浆料被稀释水稀释的效果大于出口平面中间的浆料。另外，稀释水新型添加装置中直径密度的变化范围仅在992～995 kg/m3 之间，而圆管添加装置直径密度的变化范围在977～998 kg/m3之间，即稀释水新型添加装置的密度范围相比稀释水圆管添加装置大大减少，表明稀释水新型添加装置中稀释水的调节作用比稀释水圆管添加装置更加平缓，横幅定量分布情况大为改善，定量分布更加均匀。

3.3 速度分析

图15和图16分别是稀释水圆管添加装置以及其截面A1的速度矢量图。从图15和图16中可以看出，稀释水的添加导致管束中浆料速度大小出现差异，浆料出口平面中靠近稀释水注入点附近区域的浆料速度明显变低，远离稀释水注入点的浆料速度明显变高，而速度不同会造成流量不同，在流浆箱中會产生横流，降低稀释水定量调节的效果。

图17和图18分别是稀释水新型添加装置以及其截面A2的速度矢量图。从图17和图18中可见，稀释水注入点的速度相对浆料进口速度较低，并且对浆料流动的影响较小；另外，浆料出口速度大小相对均匀，大大避免了流浆箱发生横流的可能，提升了稀释水定量调节的效果。

3.4 浆料出口平面直径速度分析

当流体流过物体时，由于流体本身的黏性，靠近物体表面的流体速度为零，而离开物体表面一定距离的流体速度则不受黏性影响[7]。而浆料具有黏性，因此去掉直径中最靠近物体的两个点。在图19和图20中，以出口直径上的点到圆管出口平面原点的距离d为X轴，在X轴上面的点到原点的距离设置为正值，而X轴下面的点到原点的距离设为负值，Y轴为这些点的出口速度大小。图19为出口平面直径1、2、3、4的速度分布图，从图19中可以看出，除了直径3的速度大小变化相对均匀，其余直径中远离稀释水进口处的浆料速度比靠近稀释水进口的浆料速度高，并且越靠近稀释水进口处的浆料速度越低。从出口平面浆料密度变化趋势可以看出，速度大小变化最大的直径为与+Z轴夹角为0°的直径1。因此，这种稀释水圆管添加装置出口平面速度大小分布不均匀，容易在流浆箱中产生横流，降低了稀释水的调节效果。

图20为浆料出口平面内选取4条直径5、6、7、8的速度图。由图20可知，直径中间的浆料速度比两端的速度相比较大，并且越靠近直径两端，速度越低。由于在稀释水新型添加装置中，稀释水从进浆孔的周围注入，因此，越靠近稀释水注入点的速度越低。对比图19和图20可以发现，稀释水新型添加装置的速度大小分布相对均匀，能极大地降低发生横流的可能。

3.5 均匀混合所需的长度

由于浆料出口形状为圆形，以出口平面圆心为原点，稀释水进口的反方向为+Z轴，浆料进口的方向为+Y轴，根据右手坐标系确定+X轴。稀释水添加到浆料中要经过一段距离后才能混合均匀，因此选取其中密度变化最大的直线作为浆料与稀释水是否混合均匀的标准。从图12中可以发现，圆管添加装置中出口平面密度变化最大的直线为z=4 mm，x=y=0，以该点做一条平行于y轴的直线z=4 mm，x=0，将该直线定义为直线9；图14中可以看出，新型添加装置中密度变化最大的为z=8 mm，x=y=0，以该点做一条平行于y轴的直线z=8，x=0，将该直线定义为直线10。图21分别为直线9、直线10的浆料密度图。X轴为直线上的点到浆料进口平面的距离d，Y轴为这些点的密度。从图21可以看出，稀释水圆管添加装置在d=160 mm，即在稀释水加入点后110 mm处时密度不再发生变化，即稀释水与浆料混合均匀；而稀释水新型添加装置在d=115 mm，即在稀释水加入点65 mm处稀释水与浆料混合均匀。因此，稀释水新型添加装置的浆料总管长可以设计的比稀释水圆管添加装置要短一些。

4 结 论

4.1 稀释水圆管添加装置只使稀释水入口附近的浆料被稀释，而远离稀释水入口处的浆料并没有被稀释，导致浆料分布不均匀。而稀释水新型添加装置能有效克服稀释水圆管添加装置导致的局部浆料分布不均匀的不足，实现纸张横向的全局和局部定量分布的全面控制，使横向定量分布更均匀。

4.2 稀释水圆管添加装置中稀释水的添加改变了浆料的出口流量，使出口流量分布不均，在流浆箱中产生横流，降低了稀释水横向调节的效果。而稀释水新型添加装置能大大减少出口流量的变化，使出口流量相对均匀，能有效地避免横流的发生。

4.3 稀释水圆管添加装置中在稀释水加入点后110 mm处，稀释水与浆料混合均匀，均匀混合所需的长度较长；稀释水新型添加装置在稀释水加入点后65 mm处，稀释水与浆料混合均匀，均匀混合所需的长度较短。

参 考 文 献

[1] YANG Xu， CHEN Kefu. Influence Principle and Characteristics of Headbox Dilution Water[J]. China Pulp & Paper， 2010， 29（5）： 17.

杨 旭， 陈克复. 流浆箱稀释水调节原理及特点初探[J]. 中国造纸， 2010， 29（5）： 17.

[2] FAN Huiming， LIU Jianan， ZHANG Cheng. Effect of Dilution Flow Velocity and Adding Angle on Headbox Adjustment[J]. Transactions of China Pulp and Paper， 2013， 32（5）： 26.

樊慧明， 劉建安， 张 成. 稀释水流速及加入角度对流浆箱调节效果的影响[J]. 中国造纸学报， 2013， 32（5）： 26.

[3] LIN Meichan. Development of Key Technology of MC Dilution Hydraulic Headbox[J]. China Pulp & Paper， 2010， 29（3）： 56.

林美禅. MC稀释水型水力式流浆箱关键技术的开发[J]. 中国造纸， 2010， 29（3）： 56.

[4] Pantaleo S B. A new headbox design featuring consistency profiling decoupled from fiber orientation response[J]. Tappi Journal， 1995， 78（11）： 89.

[5] Kenny J. Dilution headbox is a sweet success[J]. Pulp & Paper International， 1996， 38（6）： 66.

[6] Wu Yuebin. Engineering Fluid Mechanics（Hydraulics）[M]. Beijing： China Architecture and Building Press， 2006.

伍悦滨. 工程流体力学（水力学）[M]. 北京： 中国建筑工业出版社， 2006. CPP

（责任编辑：吴博士）