中浓纸浆泵气液分离的数值模拟研究

摘要

中浓技术是一种绿色节能高效的制浆技术,是造纸制浆技术发展趋势，而中浓纸浆泵是中浓输送技术的核心设备。由于中浓度纸浆悬浮液流动特性复杂，随着纸浆浓度增大，纸浆悬浮液的湍流化逐渐丧失；气体含量逐渐增加，对中浓度纸浆悬浮液输送带来很大影响。因此,中浓纸浆泵气液分离的研究具有重要的学术意义和工程意义。
　　本文在中浓纸浆流动特性理论和实验研究基础上，采用数值模拟方法确定适合纸浆流动的非牛顿流体模型;研究流体模型物性参数和中浓纸浆悬浮液含气率和气泡直径对中浓纸浆泵外特性及气液分离性能的影响规律；研究流量、转速、进口压力和真空度对中浓纸浆泵外特性及气液分离性能的影响规律，并与实验结果进行对比；研究中浓纸浆泵叶轮排气孔的大小、位置的改变对中浓纸浆泵外特性及气液分离性能的影响规律。主要研究工作可分为以下几个方面：
　　1.数值模拟中浓纸浆泵中两相流动情况，确定中浓纸浆悬浮液数学模型并分析泵内流场的变化。基于欧拉—欧拉两相流模型，选用不同非牛顿流体模型作为液相介质，通过气液两相流场计算，确立非牛顿流体数学模型。研究表明：采用赫巴流体数学模型计算结果与前章实验结果更为接近；通过比较赫巴流体、普通清水与空气混合的气液两相流场结果，结果发现普通清水气液两相流场相比赫巴流体气液两相流场，流体相对速度变化较大，湍动能耗散率较小，部分区域流线紊乱程度较大。
　　2.采用数值模拟方法研究中浓纸浆悬浮液特性对泵气液分离性能的影响。基于欧拉—欧拉两相流模型，采用赫巴流体模型，研究模型参数、中浓纸浆悬浮液含气率和气泡直径对泵气液分离性能的影响。研究发现：在中浓纸浆悬浮液含气率一定情况下，随着气泡直径增加，泵出口含液率和排气孔含气率增加，扬程和效率增加；在气泡直径一定情况下，随着中浓纸浆悬浮液含气率上升，泵出口含液率减小，排气孔含气率增大，扬程和效率减小。
　　3.基于实验数据，研究中浓纸浆泵在不同流量、转速、进口压力和真空度下，泵外特性变化以及气液分离性能的变化规律。基于欧拉—欧拉两相流模型，采用赫巴流体模型，建立三种浓度为7.52、9.3、12.1％的中浓纸浆悬浮液流体数学模型，采用数值模拟方法研究泵运行工况对泵运行性能的影响。研究表明：泵出口含液率随转速、进口压力和真空泵真空开度的增大而增大，随流量的增加而下降;排气口含气率随流量和转速的增大而增大，随泵进口压力和真空泵开度的增大而减小。在同样的真空度下，在输送不同浓度的纸浆时，扬程、效率随着纸浆浓度的增加而下降，与实验结果一致。
　　4.采用数值模拟方法，研究中浓纸浆泵叶轮排气孔对泵外特性及气液分离性能的影响规律。改变中浓纸浆泵叶轮排气孔的大小、位置，采用赫巴流体模型，进行定常两相流动数值计算。研究表明：在运行工况一定下，随着孔径增大，泵出口含液率和抽气孔含气率增大，扬程和效率先增加后减小；在排气孔的径向位置一定时，排气孔由叶轮背面向工作面移动，泵出口含液率和抽气孔含气率先增大后减小，扬程和效率减小；在排气孔的圆周位置一定时，抽气孔由轮毂向轮缘移动，出口含液率和抽气孔含气率先增大后减小，扬程和效率减小。