纤维悬浮液内流复杂运动研究及其在纸浆研制中的应用

摘要

纤维悬浮流在化工、纺织、复合材料及造纸等领域具有广泛的应用。纤维在悬浮流中的运动规律以及纤维的取向分布状态造成的流变特征,是纤维悬浮流研究的两个主要方面。从微观结构上观察,纸浆悬浮液也是一种典型的纤维悬浮流。由纤维悬浮流的微观结构研究悬浮流的宏观属性通常涉及到诸如多相流、非牛顿流体力学、统计力学、多体动力学等多个方面。
　　 以往纸浆泵的研究者为避开悬浮流微观上的复杂性,而直接将其视为一般的固液两相流。很明显,这类模型不能反映出纤维悬浮流的物理特征,即它忽略了纤维具有取向及取向分布的特征。而纸浆泵设计中通常采用加大流量设计法,使用中需要结合设计经验和试验资料。可见,目前纸浆泵的设计中缺乏物理意义明确的设计准则。
　　 国内造纸行业长期以来采用低浓打浆技术,而低浓纸浆泵的性能普遍偏低。为推进设计革新,本文采取内流研究的方法,以纤维悬浮流为物理模型,进行了一系列的理论和数值模拟的研究。主要内容包括:
　　 (一)旋转直扩张通道内悬浮流中的纤维取向演变及稳态取向分布的数值模拟,结果显示:(1)进口速度越小,纤维旋转速度减慢,纤维取向转到流向的时间变长;(2)纤维所处的初始位置对后续的取向变化有重要影响,纤维越靠近流道中心线,其取向趋于流向的速度越慢;(3)纤维长径比存在一临界值,长径比大于5时,纤维取向分布对长径比不敏感,而当长径比小于5时,长径比越小,纤维旋转的速度越快,并且取向围绕流动方向振荡的情况越频繁;(4)当考虑半稀态时纤维间的相互作用,纤维的稳态取向总体朝着流线方向,在壁面附近这一现象更为明显。
　　 (二)弯曲扩张通道内纤维取向的演变及稳态取向分布的模拟,结论与直扩张通道的类似,只是此时的临界长径比为3。
　　 (三)旋转弯曲扩张通道内悬浮流中纤维的三维取向演变的计算,结果显示:(1)纤维在进口附近偏转最快;(2)旋转速度和进口流速对取向演变的影响不明显;(3)长径比对取向演变的影响最显著。在靠近壁面区域,纤维的平面内取向趋向于流动方向。而沿中间流线,纤维平面内取向则与流向有明显的偏离。随着长径比的减小,纤维取向的振荡特征变得频繁;(4)纤维的初始取向明显影响其在进口及中间段的取向演变过程。而在下游区域,纤维的取向演变几乎与初始取向无关。
　　 (四)纤维取向概率分布函数Fokker-Planck方程的直接数值解法研究。
　　 (五)纤维一流动耦合的计算方法研究,并模拟了弯曲扩张通道内纤维悬浮流流变特征,结果表明:(1)附加剪应力从进口向出口逐渐降低;(2)沿跨通道方向的附加剪应力在进口区域非常不平坦,而随着远离进口,附加剪应力分布趋于平均;(3)法向应力差沿进口至出口方向逐步减小。随着距离进口越远,法向应力差的分布变得越均匀。
　　 (六)在上述研究的基础上,对叶轮通道内悬浮流流变特征进行模拟,主要的结论为:(1)在流道进口段,由于速度较快,纤维尚未充分偏转便进入中间段;(2)在中间段,流场的剪切有充分时间完成对纤维偏转及取向分布的作用;(3)在下游区域,纤维取向分布趋于稳定;(4)纤维取向不均匀程度在流道进口靠近凹壁面区域最显著,在流道中间段较明显,在下游区域取向分布趋于平均。由叶轮通道内部流动的流变特征归纳出纸浆泵叶轮设计的四个准则,即叶片前1/3长度上的大曲率半径准则、流道扩张角准则,大包角准则和叶片出口角准则。
　　 最后,采用准则法设计了一个纸浆泵叶轮。采用原有的纸浆泵蜗壳,通过试验该样机效率达到72.49％(工厂原设计为67%,纸浆泵行业标准为70%),验证了理论模型和设计准则。