水力式流浆箱内浆料流动的数值模拟和试验研究

摘要

流浆箱是造纸机的心脏，其功能是把合乎抄纸要求的浆料，均匀一致、稳定地沿造纸机横幅全宽流送上网，为纸页在造纸机网部的成形创造良好的前提。水力式流浆箱依靠合理的结构匀整浆料，因此，各组件结构设计要非常符合流体力学原理，其中匀整装置的设计是关键，直接决定了水力式流浆箱的工作性能。
　　 本文从浆料流动特性及纤维分散机理的研究出发，基于对水力式流浆箱作用机理的分析和结构设计的经验总结，对匀整装置及唇板等部位的流动进行数值模拟，预测水力式流浆箱内流场的流动特性，根据模拟结果对匀整装置及唇板结构和尺寸进行优化，设计制作了试验装置，通过对阶梯扩散器进行流场测试进行优化方案的验证，为设计提供可靠的依据，以指导水力式流浆箱的设计和优化。
　　 第一，浆料悬浮液是一种三相共存的复杂的分散体系，其流动特性随着浆料本身的性质、浓度和流速等因素的不同而不断变化。在较高浓度和较低流速条件下，纤维容易絮聚。浆流处于湍流状态时，浆流所具有的剪切力将使纤维的絮聚团束分散。通过分析纤维网络和絮聚的力学性能，得到分散纤维网络临界剪切应力和分散纤维絮聚临界剪切应力的计算式，归纳了浆料中纤维分散的必要条件。
　　 第二，针对水力式流浆箱的结构特点，探讨了水力式流浆箱内各组件的结构型式和作用机理，总结水力式流浆箱的设计要求，讨论了锥形总管的设计原理及生产中使用的计算公式，给出了孔板、管束及阶梯扩散器等布浆整流元件的设计要点，分析了唇板结构对喷射角及着网点的影响及浆流上网速度和唇口开度的控制。
　　 第三，通过分析流浆箱内浆流湍流状态，提出其衡量指标，采用计算流体动力学软件FLUENT6.2对水力式流浆箱内部流动进行三维数值模拟，针对匀整装置和唇板的不同结构形式，改变入口流速和几何形状，预测浆料在水力式流浆箱内的流动特性，以湍流强度分布和速度分布等作为衡量指标，评价各个因素对浆料匀整效果的影响，进一步指导水力式流浆箱的结构优化。
　　 第四，阶梯扩散器作为一种高效的布浆整流元件，对流浆箱内复杂流场的浆料流动状况起着至关重要的影响。搭建阶梯扩散器性能测试试验装置，采用粒子图像测速技术对阶梯扩散器进行流场测试，得到阶梯扩散器速度分布及阻力损失的变化情况等，对浆速和阶梯扩散器形状、尺寸参数对成纸质量的影响进行分析，指导阶梯扩散器的结构设计。
　　 第五，试验研究发现，在阶梯扩散器内出现低压区，由于空化现象产生的气泡，随浆料喷射到成形网上，直接影响纸张质量。因此，必须对阶梯扩散器和之后的唇板区的流动状况进行深入分析，了解低压区的分布，通过改进结构设计和合理地设置车速避免空化的发生。
　　 研究结果显示，方管出口阶梯扩散器更适用于高速纸机，只有适当高的浆速和合适的几何形状尺寸才能得到定量均匀、匀度好的纸张，在高浆速和不合理的结构设计的情况下，容易出现空化现象，浆流中空气量高会导致成纸结构疏松，应予以避免。
　　 通过流体动力学理论分析，结合计算机数值模拟和粒子图像测速技术，本文比较系统地研究了水力式流浆箱内匀整装置及唇板中的浆料流动特性，但仍需对水力式流浆箱其他类型的匀整装置进行数值模拟，并希望进一步对流浆箱整体进行试验测试验证数值模拟获得的结论。