窦　靖　张　放　沙九龙　张　辉

(南京林业大学江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室,江苏南京,210037)



立式水力碎浆机内部浆料流场数值模拟及其新型槽体结构的研究(一)

窦靖张放沙九龙张辉*

(南京林业大学江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室,江苏南京,210037)

以高效、节能、运行平衡安全为主要依据,在分析国内外现有专利和应用中的立式水力碎浆机槽体结构型式基础上,运用FLUENT软件对O形和D形2类槽体结构中浆浓5%的浆料流场数值模拟,得到两者内部流场的压力、流速和湍流强度的分布并进行对比分析。结果表明,传统O形和D形槽体结构内部流场均为垂直环流和水平旋流合成的漩涡流；传统O形内部流场对称、运行平衡稳定,但其高湍流强度区域局限于下部转子旋转区域附近,上部和下部流场湍流强度相差1159%,且顶部边缘处浆料圆周切向速度为0而缺乏碎解动力；D形槽体中心低湍流区域半径缩小到O形的13.0%,湍流强度明显增强,但浆料径向撞击槽壁致使比O形多造成22.7%的动能浪费,且内部流场不对称使设备运行缺乏平衡稳定性。

O形立式水力碎浆机；D形立式水力碎浆机；FLUENT软件；数值模拟；浆料流场分布

随着经济、科技和社会的不断发展,对包装用纸或纸板的需求不断增长；加之造纸用纤维资源缺乏,同时倡导节能、降本、少用化学品等,致使废纸回收再利用得到高度重视[1]。碎浆设备是废纸浆生产的第一道重要设备,其基本功能是将浆板或废纸等碎解成纤维浆料,即使原先交织成纸的纤维最大限度地离解成单根纤维，同时又尽可能地保持纤维的原有形态和强度[2]。

目前,废纸制浆或浆板碎解用碎浆设备大多采用立式水力碎浆机。其结构相对简单、占地面积不等,主要组成部分有槽体、转子、筛板、传动和支承机构等,其中，槽体和转子结构形式是影响碎浆效率和质量、能耗和机械运行稳定性的关键因素[3]。本研究主要涉及槽体结构形式,无论是何种形式的槽体,其内部的流场均是较复杂的漩涡流[4-5]。近10多年来,人们越来越多地利用CFD(Computational Fluid Dynamic)技术对漩涡流场进行数值模拟研究[6-12],但是用于立式水力碎浆机内部流场的数值模拟未见报道。

本研究基于国内外现有专利技术、应用中的立式水力碎浆机和碎浆原理分类槽体结构型式,然后选取最具代表性的O形和D形槽体结构为研究对象；基于CFD中的FLUENT软件对水力碎浆机中浆浓为5%的纸浆悬浮液流场进行了数值模拟与分析,并对获得的O形和D形槽体内部流场的压力、流速和湍流强度的分布进行对比分析,得出现有立式水力碎浆机的O形和D形槽体结构在碎浆过程中效率、能耗、安全稳定性等方面的差异。

1　国内外现有立式水力碎浆机槽体结构型式分析

1.1立式水力碎浆机槽体结构型式分类

现有的国内外立式水力碎浆机槽体结构型式大致分为以下4类：传统O形槽体；在槽体内壁设置垂直向△形挡板、助升推式导流板；D形、σ形、G形槽体；转子位于筒形槽的偏心位置。从内部流场特征的本质角度,将立式水力碎浆机上述4类槽体结构型式进一步简化归纳,将设有挡板和导流板的对称结构槽体缩归为O形槽体,将σ形、G形、偏心转子的非对称结构槽体缩归为D形槽体。所以,O形槽体和D形槽体为目前最具代表性的2类槽体结构型式。

1.2国内外主要立式水力碎浆机类型及其特征

1.2.1圆柱形槽体

(1)经典圆柱形槽体传统经典碎浆机槽体标准型为圆柱形,也称O形。其槽体结构具有较大的容积,内部物料的碎解主要依赖转子的转动,转子转动输入的能量主要传送给水,通过水流非常强烈的搅动、剪切,以及纸料之间、纸料与槽体或转子间相互摩擦、碰撞、撕拉和搓揉等机械作用,快速完成碎浆功能[13]。

图3　不同槽体结构的示意图

(2)在圆柱形槽体内增设△形挡板日本相川公司在槽体设计上采用底部两角结构,垂直设置△形挡板(见图1a)[14],使放入的纸料很快形成激烈的回流,并且在最短距离内回到转子上。G.E.Brown JR等又增设了2个挡板,即槽体内部共计3个挡板、两两呈120°焊在槽壁上[15]。维美德公司在此基础上进一步改进,在槽体内共设4个△形挡板[16],以改善纸料路径(见图1b)。在槽体内壁设置垂直向△形挡板,可以阻挠纸料的水平圆周向流动,进而缩短回流中心区的时间。

图1　设△形挡板圆柱形槽体结构示意图

(3)在圆柱形槽体内增设助升推式导流板在1970年Edward H.Cumpston等提出了在槽壁内设置流线形导流板(见图2)[17],该流线形导流板叶片置于槽体内壁工作液面以下。导流板呈45°顺着纸料的漩涡方向排布,帮助纸料提升,从而加速纸料的周期循环运动。导流板分布于不同的高度,以满足不同工作液面的需求。

图2　45°流线形助升推式导流板圆柱形 槽体结构示意图

1.2.2D形、σ形、G形槽体

Thermo-Black Clawson公司的D形连续式水力碎浆机是对圆形槽体的改进(见图3a)。D形可使物料水平向旋流为非稳定的D形湍流,一定程度上产生松散物料块,使得转子和纸料的接触更迅速、频率更高。对使用的圆形槽水力碎浆机,可用挡板将它改造成D形槽,以提高生产能力,但挡板的设置应根据转子尺寸大小、转速及动力配置等因素进行精心设计,以便达到最高生产能力。

原贝洛依特公司设计的碎浆机槽体为σ形(见图3b),目的是改变纸料路径。Helix碎浆机为G形槽体(见图3c),其转子回转形成平滑的水平回流,不仅提高了离解性能,还能降低动力消耗；而且,在垂直方向产生偏心的纵向回流(称为“G式回流”)；当废纸原料投入槽体后就会被迅速有力地吞进,加速了离解[18]。

1.2.3偏心转子

福伊特公司推出的Intensa碎浆机的转子位于圆柱形槽的偏心位置[19-20](见图4)。Intensa碎浆机具有以下特点：一个带有偏心转子的槽；双锥形槽底；经过优化的挡板排列,只有1个挡板；经过优化的转子,改进碎浆效果。该碎浆机效率高于常规碎浆机,槽内纸料流的湍流程度更强,可以更有效地实现纤维分离作用。

图4　Intensa碎浆机槽体内转际偏心示意图

2　O形和D形槽体结构内部流场数值模拟

2.1模型的建立

2.1.1数学模型

浆料流动假设为不可压缩黏性流动,流体被视为连续介质,可忽略纤维间的相互作用力。在以上假设的基础上,水力碎浆机中的流体流动过程可以用连续性方程和Navier-Stokes方程(以下简称“N-S方程”)来表述[21]。

连续性方程：

(1)

N-S方程：

(2)

根据流体流动理论,纸浆悬浮液在水力碎浆机中的流动是三维湍流问题,由于湍流的复杂性,通常需要借助合适的湍流模型。在工程中采用较多、较成熟的湍流模型是可实现性k-ε双方程模型,其是通过对标准k-ε模型修正而得。由于标准k-ε模型在回流、大曲率过流表面和强旋度等情况下不能很好地预测湍流特性,因此,在偏离最优工况计算时该模型常常失效。由此对标准k-ε模型进行修正,最后得到可实现性k-ε模型,方程如下。

湍流动能k方程：

(3)

湍流耗散率ε方程：

(4)

在上述方程中,Gk为平均速度梯度引起的湍动能,Gb为浮力引起的湍动能,YM代表可压速湍流脉动膨胀对总耗散率的影响。C2和C1ε是常数,分别为C2=1.9、C1ε=1.44；σk和σε分别是湍动能及其耗散率的湍流普特朗数,在FLUENT中,作为常数，分别为σk=1.0、σε=1.2[22-23]。

2.1.2物理模型

根据O形槽体结构的通用尺寸规范,其体积大约为7～100 m3；选择大容积的80 m3槽体作为研究对象,其结构尺寸为槽体直径D1=4.6 m、槽体高度H1=4.6 m、转子直径d=1.65 m和转子厚度h=0.2 m(见图5a)；转子为应用广泛的伏克斯转子[24-25]。同理,D形槽体体积也为80 m3；其他结构尺寸为槽体最大直径D2=5 m、槽体高度H2=5 m、D形截面的直线部分长L2=4.4 m和转子中心距D形截面圆心X2=0.625 m(见图5b)；转子结构大小与O形相同。本研究模型均是间歇式敞口水力碎浆机,静止时浆料液面位于槽体高度的85%。利用Unigraphics NX(UG)软件分别对O形和D形槽体内部流场建立模型。

图5　不同槽体尺寸示意图

将建好的模型分别导入到ICEM CFD软件中,对三维实体模型进行非结构网格划分。由于后期数值模拟设置的需要,对槽体结构分块进行网格化,再把网格化好的部件组装起来(见图6)。由于立式水力碎浆机模型较大,整个计算域中除了转子旋转域使用了四面体网格,其余区域均采用六面体网格,以降低网格数量,顺利进行计算机数值模拟[26]。

图6　不同槽体网格模型示意图

2.1.3流体物性及边界条件的设置

在用FLUENT软件进行模拟计算之前,需要对浆料的密度、黏度以及顶层铺设的空气域性质等基本参数进行设置。

(1)浆料的密度和黏度本研究采用浆浓5%的OCC浆[27]。查阅文献[28]得到浆料密度ρ及其浓度Cm的关系满足以下关系式：

(5)

式中，ρf为绝干纤维密度,1520kg/m3；ρw为水的密度,1000kg/m3；Cm=5%。由式(5)可得浆浓5%OCC浆的密度约为1017kg/m3。

通过实验室RST-SST软固体测试仪测得的浆料黏度μ与剪切速率γ的关系曲线如图7所示。根据源数据曲线拟合可得方程μ=32.878γ-0.6193。查阅文献[29]可得立式水力碎浆机中转子剪切速率γ与转速N的关系为γ=KsN(Ks=10,γ的单位为1/s,N的单位为r/s)。综合上述公式,当选择转子转速N=208r/min[30]时,浆料黏度大约为3.658Pa·s。

(2)顶层铺设空气域由于设备是敞口型,因此,需对模型顶部设置空气域,空气的性质运用FLUENT自带数据库中空气的设置进行设定。

(3)其他参数纸浆悬浮液为不可压缩的非牛顿流体,求解器的类型设为基于压力；考虑到纸浆纤维与水完全混合,采用可实现性k-ε湍流模型,算法选择SIMPLE进行求解,时间设为稳态；考虑重力因素,重力大小近似取9.8N/kg；转子转速设置为22rad/s；设备顶部敞口,采用压力出口的边界条件,压力为0.1MPa。

图7　浆料黏度与剪切速率关系曲线图

2.2模拟结果与分析

在对立式水力碎浆机进行三维建模时,选取槽体底部转子中心为坐标原点、槽体高度方向为Z轴方向作为标准坐标系。通过FLUENT软件对网格化的槽体结构模型进行模拟计算后,为了更直观地体现其内部流场的特征,在槽体结构内部流场模型选取具有代表性的X-Z平面、Z=0平面和Z=0.50、Z=1.25、Z=2.25、Z=3.25、Z=4.00平面,其中，Z=0.50平面位于转子上方附近平面、Z=4.00平面位于浆料域液面下方附近,同时选取了X-Z平面与Z=0.50、Z=1.25、Z=2.25、Z=3.25、Z=4.00平面的交线,分别命名为Line-1、Line-2、Line-3、Line- 4、Line-5,通过这7个平面和5条交线来描述槽体结构内部流场的压力、速度和湍流强度等特征。

2.2.1计算残差

O形和D形立式水力碎浆机内部流场的残差监测曲线如图8所示。整个O形和D形水力碎浆机流场在分别经过2059次和4009次迭代计算后,各方程计算结果残差都小于所设置的1×10-3,此时,全局的质量、动量能量和标量达到了平衡,所有离散的守恒方程在所有单元中满足指定的误差,随计算不再改变,达到了收敛状态。另外,残差收敛也验证了网格划分和湍流模型设置是合理的。

图8　不同槽体的水力碎浆机内部流场残差监测曲线图

2.2.2O形立式水力碎浆机内部流场分析

(1)压力分布O形槽体结构内部流场X-Z平面上的压力分布如图9a所示。从图9a可以看出,从底部到顶端压力逐渐降低。底部转子叶片附近压力最大,其次是底部靠近壁面的区域。浆料在转子叶片处受到的最大压力为400 Pa左右。

Z=0平面上的压力分布如图9b所示。从图9b可以看出,从中心到壁面处压力先是小幅度逐渐降低,在靠近壁面处压力急剧升高。在压力最大的转子区域,转子前端压力最大,表明浆料在此处受到了最大程度的碎解。

图9　O形槽体内部流场压力分布

O形槽体结构内部流场中5条交线沿X轴方向的压力分布散点图如图10(位置为0时位于槽体中心轴上,沿着X轴的负半轴和正半轴依次向相反方向的壁面靠拢)所示。从图10可以很明显地得到5条交线上的压力分布情况：转子中心区域(X=0)压力接近0,沿着X轴方向压力逐渐降低且为负压,在转子叶片外沿处(X=±1)压力达到最低值,之后压力开始逐渐升高且由负压逐步转变为正压,在接近壁面处(X=±2)压力急剧上升,最终在壁面处(X=±2.3)压力达到最大值。另外,5条交线中从Line-1至Line-5的最大压力差逐渐降低,这表明从流场底部到顶部促使浆料在水平方向上沿径向流动的压力差呈逐渐降低的趋势。其中,浆料在靠近转子区域(Line-1)的壁面处受到的最大压力为120 Pa左右,最大压力差为140 Pa左右。

图10　O形槽体内部流场5条交线沿 X轴方向的压力分布散点图

(2)速度分布速度矢量图能够直观表征流体的运动方向、速度大小和总体趋势。O形槽体结构内部流场X-Z平面上的速度矢量图如图11a所示。由于槽体底部转子高速旋转,被转子接触的浆料由底部中心区甩向周边区,然后沿槽壁自下向上流动,再从上部的周边区流向中心区,自中心区下沉至转子,在垂直截面上形成循环流。底部转子旋转区域和壁面处浆料总体速度较快,同时在同一水平面上壁面处的速度要大于转子中心区域的速度,流场顶部速度较中下部而言相对较慢。底部中心转子区域速度最高达到15 m/s 左右。

图11b从左至右依次为Z=0.50、Z=1.25、Z=2.25、Z=3.25、Z=4.00 5个截面上的速度矢量图。由此可以看出,槽体内上中下各水平面的浆料形成水平向旋转流,旋流方向与转子旋转方向一致。

图11　O形槽体内部流场速度矢量图

图12　O形槽体流场5条交线不同方向的速度分布示意图

轴向速度是反映浆料垂直方向运动情况的一个重要依据。O形槽体结构内部流场中5条交线的轴向速度分布情况如图12a所示。从图12a可以看到,靠近壁面的浆料轴向速度为正,即在垂直方向上呈现爬升运动；靠近转子中心轴的浆料轴向速度为负,即在垂直方向上做下沉运动。这与图11的速度矢量图规律一致。

径向速度是反映浆料水平方向上径向运动情况的一个重要依据。5条交线的径向速度分布散点图如图12b所示。Line-3、Line- 4、Line-5与Line-1和Line-2的径向速度方向相反,即流场下部浆料由中心轴流至壁面,而流场上部浆料则由壁面流向中心轴。

切向速度是反映浆料水平方向上圆周运动情况的一个重要依据。5条交线的切向速度分布散点图如图13所示。从中心轴向壁面处,切向速度先逐渐增大再迅速减小。远离转子的浆料(Line-5)在壁面处的切向速度最小值甚至达到0。因此,流场顶部靠近壁面处的浆料由于动能损失形成的旋流运动相对动力不足,向心力显著降低,但可以通过对槽体结构进行优化设计来增强流场顶部壁面附近浆料的动力。

图13　O形槽体流场5条交线沿X轴的 切向速度分布情况示意图

(3)湍流强度分布立式水力碎浆机的工作原理是通过水力、转子的直接作用以及纸料之间摩擦作用增强浆料的湍动,从而快速地完成碎浆功能。因此,湍流强度可以作为衡量立式水力碎浆机碎解效果的直观指标。

图14　O形槽体内部流场湍流强度分布图

O形立式水力碎浆机内部流场X-Z特征平面的湍流强度分布如图14a所示。图14b为5个截面上的湍流强度分布图。由这2个图可以得到,流场底部转子叶片处湍流强度最高,大约为1180%；流场顶部中心区域湍流强度最低,大约为21%；同一水平面上壁面处的湍流强度高于中心轴区域；流场顶部壁面处湍流强度很低,80%左右,低于邻近区域的湍流强度,这与上述速度分布情况一致。

2.2.3D形立式水力碎浆机内部流场分析

图15　D形槽体内部流场压力分布图

(1)压力分布D形槽体结构内部流场X-Z平面和Z=0平面上的压力分布如图15所示。由图15可以得到,浆料在转子叶片处受到的最大压力为350 kPa左右,整个流场中压力最小值为3.5 kPa左右,流场各处压力均大于O形立式水力碎浆机内部流场各处压力。

D形槽体结构内部流场中5条交线沿X轴方向的压力分布散点图如图16(X轴负半轴是靠近D形槽体垂直壁面端)所示。与O形槽体相似的是,D形槽体在壁面处压力达到最大值；不同的是,D形槽体结构内部流场压力分布并不以转子中心轴为对称。

图16　D形槽体内部流场5条交线沿 X轴方向的压力分布散点图

图17　D形槽体内部流场速度矢量图

(2)速度分布D形槽体结构内部流场X-Z平面上的速度矢量图如图17a所示；图17b为Z=4.00平面上的速度矢量图,代表水平面上的速度分布。与O形内部流场相比,相同的是,D形内部流场垂直面上是循环流、水平面上是旋流；不同的是,D形槽体结构内部流场水平面上的旋流中心不是圆形,而是与槽体相似的D形；由Z=4.00平面上可以较明显地看出,其旋流中心类似双旋流,D形内部垂直截面上浆料速度矢量方向指向中心轴,向中心轴附近聚拢。

图18　D形槽体内部流场5条交线 沿X轴方向速度分布散点图

D形槽体结构内部流场中5条交线的速度分布散点图如图18(X轴负半轴是靠近D形槽体垂直壁面端)所示。同样,与O形槽体相比,D形槽体内部流场速度分布并不以转子中心轴为对称。另外,Line-1、Line-2和Line-3垂直壁面附近的速度要小于弧形壁面附近的速度。通过分别计算浆料在转子附近最大动能与其在靠近垂直壁面和弧形壁面处动能的差值,可得垂直壁面平均动能损失比弧形壁面平均动能损失高22.7%左右,这是由于浆料撞击垂直壁面造成能量损失所致。弧形壁面顶端Line- 4和Line-5表现出速度下降的趋势,而垂直壁面顶端Line- 4和Line-5则没有明显速度下降现象,这是由于弧形壁面顶端浆料动能损失、向心力降低致使其形成的旋流运动相对动力不足,同前述O形槽体。

图19　D形槽体内部流场X-Z平面湍流强度分布图

(3)湍流强度分布D形槽体结构内部流场X-Z特征平面的湍流强度分布如图19(X轴负半轴是靠近D形槽体垂直壁面端)所示。从图19可见,垂直壁面顶部边缘湍流强度减弱的现象较弧形壁面显著减少,湍流增强。

D形槽体结构是在O形槽体结构的基础上演变而来的。图20对比了D形和O形槽体结构内部流场中5条交线上的湍流强度沿X轴的分布情况。从图20可以很明显地观察到，D形结构较O形结构中心低湍流区域半径显著缩小,平均缩小到O形的13.0%左右；这可以有效增强整个流场的平均湍流强度,从而提高碎解效率。

图20　不同槽体内部流场5条交线的湍流强度对比图

3　结　论

3.1立式水力碎浆机槽体内部流场是由垂直面和水平面上的流动合成的复合流。在垂直面上呈现下部由转子到壁面、上部由壁面流向中心轴的环流；在水平面上则是与转子旋转方向一致的旋流,进而使总体流场呈现旋涡流。

3.2O形槽体内部形成对称的漩涡流流场,设备运行平稳且相对安全稳定；但是浆料的碎解基本在转子旋转区域内完成,下部区域最大湍流强度在1180%左右,而上部流场为21%,与上部流场相差1159%,流场上部基本没有湍动发生。同时,位于流场顶部边缘的浆料由于动能损失形成的旋流运动相对动力不足,切向速度接近0。

3.3与O形槽体内部流场相比,D形槽体内部流场湍流强度明显增强,中心低湍流区域半径缩小到O形的13%左右,这是D形改变浆料运行路径致使转子和纸料的接触更迅速、频率更高。同时,D形槽体非稳定的D形湍流,一定程度上产生松散纤维,浆料湍流的发生不完全依赖于转子旋转。但与O形槽体相比,D形槽体存在容积小的缺点,更为不足的是，D形槽体中有一部分浆料在撞击槽壁时造成能量浪费,浆料撞击垂直壁面较弧形壁面相比动能损失在22.7%左右。同时，从机械角度来看，D形流使槽体产生的较大振动以及转子受力的不对称性会影响机械部件的寿命。

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(*E-mail: zhnjfu@163.com)

(责任编辑：关颖)

Numerical Simulation of Fiber Slurry Flow Field inside the Vertical Hydraulic Pulper and Research on New Type of Its Tank Structure(Ι)

DOU JingZHANG FangSHA Jiu-longZHANG Hui*

(JiangsuProvincialKeyLabofPulpandPaperScienceandTechnology,NanjingForestryUniversity,Nanjing,JiangsuProvince, 210037)

According to the assessment principles for pulpers including high efficiency, low energy consumption and running balance, based on the analysis of the structures of patented and applied vertical hydraulic pulpers domestically and abroad, using Fluent software to simulate the flow field of flow slurry at 5% consistency inside the O-shaped and D-shaped tanks, the distribution of pressure, velocity and turbulence intensity of both flow fields were obtained and analyzed. The results showed that the flow fields inside the O-shaped and D-shaped were vortex-like including a facade circulation and a horizontal swirling；the flow field inside the O-shaped was symmetrical and balanced, but the high-turbulence intensity area was limited to the rotor spinning region, and the turbulence intensity of the upper part was 1159% lower than that of the bottom part, the tangential velocity at the edge of the top of the flow field was zero and it was short of impact power；the flow field inside the D-shaped was with obviously increased turbulence intensity, and at the center of the D-shaped tank, the radius of low-turbulence intensity area was only 13.0% of the O-shaped tank； however, energy consumption inside the D-shaped tank was 22.7% higher caused by radially hitting the wall, and the D-shaped tank was with unbalanced running because of its unsymmetrical flow field.

O-shaped vertical hydraulic pulper； D-shaped vertical hydraulic pulper； Fluent； numerical simulation； distribution of fiber slurry flow

2015- 08-10

南京林业大学江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室开放基金(201409)；江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)。

窦靖，女，1990年生；在读硕士研究生；主要从事制浆造纸节能减排技术与装备方面的研究。

*通信联系人:张辉，E-mail:zhnjfu@163.com。

TS734+.1

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1000- 6842(2016)02- 0034- 09