劉偉，冀曉輝

（廣東石油化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 茂名 525000）

流漿箱是現(xiàn)代高速紙機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其功能是保證漿料在湍流狀態(tài)下完成沿紙機(jī)幅寬方向均勻分布，并噴漿上網(wǎng)。

流漿箱的發(fā)展過程中，先后采用過擴(kuò)展流道式、多重對(duì)分式、中間進(jìn)漿多支管式、錯(cuò)流式等布漿方法，由于缺點(diǎn)突出，已不再使用[1-2]?，F(xiàn)在，隨著紙機(jī)幅寬的不斷增加，流漿箱的布漿方式以方錐總管單向進(jìn)漿為主。方錐總管的等壓要求使其后壁形狀復(fù)雜，工程上使用時(shí)多采用直線簡(jiǎn)化型或分段近似型的總管，漿料分布存在較大的橫向壓力差異，而且隨著幅寬的增加，將會(huì)更加明顯[3-4]。周向布漿方法依靠穩(wěn)定的液位采取周向布漿，保證布漿的均勻性，但適用的幅寬難以滿足日益提高的要求[5-6]?，F(xiàn)代高速紙機(jī)為了保證漿料分布均勻和紙頁的質(zhì)量，采用了復(fù)雜的稀釋水調(diào)節(jié)系統(tǒng)[7-8]。近年來，出現(xiàn)了一種新的漿料分布方法——互補(bǔ)式布漿方法，該方法是在方錐管布漿器布漿不均勻的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的[9]。最早的關(guān)于錐管布漿器的系統(tǒng)論述出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代初，為流漿箱的設(shè)計(jì)和應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)[10]。為了提高流漿箱的布漿性能，研究人員對(duì)流漿箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的改進(jìn)和優(yōu)化研究[11-16]。但是方錐布漿總管的缺陷并未得到有效解決。

本文針對(duì)新型布漿器，在互補(bǔ)式布漿方法的基礎(chǔ)上，為了得到更好的布漿性能，采用CFD方法對(duì)流漿箱混合室進(jìn)行了結(jié)構(gòu)研究，分析了不同結(jié)構(gòu)混合室對(duì)漿料流動(dòng)特性的影響及質(zhì)量流量分布性能，確定合理的混合室結(jié)構(gòu)，改善新型布漿器布漿性能。

1 混合室設(shè)計(jì)

混合室是新型流漿箱最關(guān)鍵的部件，其作用是將由兩個(gè)方錐總管支管束出來的不同質(zhì)量流量的漿流在混合室中進(jìn)行充分地互補(bǔ)混合和平均，保證混合室出口的流量均勻分布。

設(shè)計(jì)時(shí)，混合室橫截面積與布漿器橫截面積是相同的，因此混合室的長(zhǎng)度將決定混合性能。對(duì)于兩個(gè)方錐總管支管在混合室內(nèi)的順流射流行為，根據(jù)不可壓縮湍流射流的連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程可推導(dǎo)出單管射流的初始段長(zhǎng)度，但新型布漿器支管束射流為軸線平行的圓形噴嘴平行射流組，橫向或縱向支管間的射流會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈相互干涉和引射作用，致使射流初始段長(zhǎng)度僅為單管射流的70%[13]。

從新型布漿器支管束出來的漿流應(yīng)該在混合室內(nèi)完成充分的互補(bǔ)混合，從而保證漿流能夠均勻并且穩(wěn)定地進(jìn)入穩(wěn)漿室。因此，在設(shè)計(jì)混合室長(zhǎng)度時(shí)，既要保證漿料在混合室中充分混合，沿混合室出口橫截面是均勻的，又要使?jié){流保持一定的湍動(dòng)狀態(tài)，避免出現(xiàn)纖維絮聚現(xiàn)象。所以，混合室的長(zhǎng)度L應(yīng)滿足式（1）條件。

式中，b0為噴嘴寬度的一半；m0為噴嘴出口速度與混合室內(nèi)速度之比；C為常數(shù)。

2 混合室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

現(xiàn)有布漿器混合室的結(jié)構(gòu)是一個(gè)長(zhǎng)方形的腔體，從方錐總管支管束出來的漿流都在這里進(jìn)行混合。由于平行射流組各股射流間存在相互干涉作用，將使各股射流向混合室的中部收集，造成漿流無法充分混合，導(dǎo)致混合室出口漿料分布不均勻，影響布漿性能的均勻性[16]。因此，非常有必要對(duì)混合室結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，改善混合室出口的漿料分布性能?；旌鲜医Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其中圖1(a)為單腔式混合室，圖1(b)為以兩組支管為單位的多腔式混合室，圖1(c)為以單組支管為單位的多腔式混合室。

3 數(shù)值分析方法

3.1 數(shù)學(xué)模型

（1）連續(xù)性方程 見式（2）。

（2）動(dòng)量方程 見式（3）。

（3）Realizable k-ε模型 Realizable k-ε模型是在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型基礎(chǔ)上發(fā)展出來的湍流模型，主要對(duì)湍流黏性的計(jì)算和耗散率的計(jì)算進(jìn)行了改進(jìn)[17]。因此，與標(biāo)準(zhǔn) k-ε模型相比，Realizable k-ε模型能夠更精確地預(yù)測(cè)圓柱射流的發(fā)散比率，計(jì)算結(jié)果精度更高[18]。具體方程見式（4）和式（5）。

圖1 新型布漿器混合室結(jié)構(gòu)

式（2）～式（5）中的符號(hào)含義見文獻(xiàn)[16]。

3.2 計(jì)算模型及邊界條件

為了獲得各種重要的流動(dòng)信息，研究混合室內(nèi)流動(dòng)特性和橫向及縱向漿流的互補(bǔ)、摻混狀態(tài)，采用三維計(jì)算模型，利用有限容積法對(duì)控制方程——雷諾時(shí)均N-S方程進(jìn)行計(jì)算。對(duì)混合室進(jìn)出口的支管束采用六面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其余部分均采用四面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以獲得較高的計(jì)算精度和可靠的結(jié)果。壓力速度耦合計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)SIMPLE方法，湍流模型采用Realizable k-ε模型。

進(jìn)入布漿器的漿料流量為 150m3/h，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為1%，處于湍動(dòng)狀態(tài)，其流動(dòng)特性近似于水[11]。計(jì)算時(shí)，在方錐總管入口采用質(zhì)量流量入口邊界條件，回流端采用質(zhì)量流量出口邊界條件，混合室出口支管束采用壓力出口邊界條件。采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)對(duì)近壁區(qū)進(jìn)行處理。

4 結(jié)果與討論

數(shù)值計(jì)算時(shí)，計(jì)算結(jié)果的收斂和精度受到計(jì)算域網(wǎng)格劃分質(zhì)量的直接影響，合理的計(jì)算結(jié)果應(yīng)該與網(wǎng)格劃分的粗細(xì)程度無關(guān)。因此，計(jì)算時(shí)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了無關(guān)性驗(yàn)證，3種情況的網(wǎng)格數(shù)分別取為540427、536671和533688，對(duì)近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理時(shí)，各支管壁面第一層網(wǎng)格的y+值取為43[9]。

4.1 速度分布

圖2所示為混合室Ⅰ內(nèi)速度云圖，其中圖2(a)為橫排支管間的混合速度圖，圖2(b)為上下方錐總管對(duì)應(yīng)支管間混合速度圖。

為了研究漿料經(jīng)由上下對(duì)稱放置的兩個(gè)方錐總管支管束進(jìn)入混合室后的流動(dòng)情況，在混合室內(nèi)選取兩個(gè)方錐總管支管束的中截面，即 z=0.02m和z=-0.022m處，如圖2(a)所示。根據(jù)兩個(gè)截面圖，可清楚地看到漿料由支管束進(jìn)入到混合室的射流流動(dòng)過程以及橫排支管漿流在混合室內(nèi)的混合過程。顯然，每個(gè)截面的平行排管射流組均為等直徑、異流量射流，任何相鄰兩股射流間均產(chǎn)生了強(qiáng)烈的卷吸和干涉作用，使相鄰兩股射流發(fā)生互相靠近的現(xiàn)象，導(dǎo)致整排射流產(chǎn)生了相互靠攏的流動(dòng)情況，這種相互靠攏現(xiàn)象對(duì)不同流量射流間的摻混作用是非常有利的。但伴隨各股射流摻混后向中間聚集，將使混合后的漿流在混合室中部更集中，因此會(huì)影響射流混合后漿料均勻分布的效果，使混合室出口支管間漿料流量有偏差。

兩個(gè)總管支管束上下對(duì)應(yīng)支管射流混合速度分布截面如圖2(b)所示。支管束對(duì)應(yīng)位置為x=0.032m和 x=0.242m處，由于中間位置射流的強(qiáng)烈干涉作用，發(fā)生了較強(qiáng)的偏轉(zhuǎn)，但仍可以有一定程度的混合和平均。處于中間的 4個(gè)位置 x=0.074m、x=0.116m、x=0.158m、x=0.2m處，上下對(duì)應(yīng)的支管射流都能進(jìn)行充分的互補(bǔ)混合和平均。由各位置的速度截面圖可見，在兩個(gè)質(zhì)量流量不同的對(duì)應(yīng)支管的射流間，同樣出現(xiàn)了期望的強(qiáng)烈卷吸和干涉作用，而且兩股射流沿著混合室長(zhǎng)度方向迅速摻混，融為一體。

圖2 混合室Ⅰ內(nèi)速度分布（單位：m/s）

圖3為混合室Ⅱ內(nèi)速度云圖。由于以兩組支管射流為單位來劃分混合室，對(duì)于每個(gè)方錐總管的平行排管射流組，不再出現(xiàn)顯著的多股射流向混合室中部靠攏和聚集的現(xiàn)象，只是兩個(gè)支管射流在橫向的相互干涉和混合，而且兩股射流能夠很快地混合在一起，如圖3(a)所示。從每個(gè)獨(dú)立小混合室來看，在對(duì)應(yīng)支管射流截面上，由于橫向的射流干涉作用，使對(duì)應(yīng)支管射流的干涉和混合受到了一定的影響，并不是單純的對(duì)應(yīng)支管射流間的干涉和混合，因此兩股射流間的互補(bǔ)效應(yīng)有所減弱，如圖3(b)。

圖4為混合室Ⅲ內(nèi)速度云圖。混合室Ⅲ以單組支管射流為單位來劃分混合室，在平行排管射流組方向已經(jīng)完全沒有射流向混合室中部靠攏和聚集的現(xiàn)象，只是單股射流流動(dòng)，如圖4(a)所示。從每個(gè)獨(dú)立混合室來看，對(duì)應(yīng)兩個(gè)支管射流存在強(qiáng)烈的相互干涉和混合，而且兩股射流能夠很快地?fù)交煸谝黄?，完成了很好的互補(bǔ)混合，如圖4(b)。

4.2 混合室出口支管質(zhì)量流量分布

圖3 混合室Ⅱ內(nèi)速度分布（單位：m/s）

新型布漿器的最大優(yōu)點(diǎn)是利用單向進(jìn)漿的方錐布漿總管布漿不均勻性，實(shí)施互補(bǔ)式布漿方式，達(dá)到漿料均勻分布的目的。實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)式布漿的關(guān)鍵是漿料在混合室內(nèi)的混合效果，根據(jù)互補(bǔ)式布漿機(jī)理，兩個(gè)方錐總管對(duì)應(yīng)支管內(nèi)漿料質(zhì)量流量互補(bǔ)后極其接近期望值[9]。圖5為兩個(gè)方錐總管支管束質(zhì)量流量分布及互補(bǔ)后的計(jì)算值。由圖5可見，互補(bǔ)后的計(jì)算值曲線很接近期望值2.955kg/s。

圖4 混合室Ⅲ內(nèi)速度分布（單位：m/s）

圖5 互補(bǔ)后質(zhì)量流量的計(jì)算值

圖6 混合室出口質(zhì)量流量分布

圖6為漿料在3種結(jié)構(gòu)混合室內(nèi)混合后的質(zhì)量流量分布。由于強(qiáng)烈的相互干涉，平行排管射流組在混合室Ⅰ內(nèi)產(chǎn)生了明顯的聚集，使得質(zhì)量流量分布曲線呈現(xiàn)中間大于期望值、兩邊小于期望值的狀態(tài)，最大值為2.971kg/s，最小值為2.9453kg/s。在混合室Ⅱ內(nèi)，在每個(gè)混合室內(nèi)僅有兩組射流相互混合，因此，從質(zhì)量流量分布曲線看，并未出現(xiàn)射流聚集現(xiàn)象，整個(gè)曲線形狀比混合室Ⅰ的更平緩，說明質(zhì)量流量分布更為均勻，最大值為 2.9635kg/s，最小值為 2.9463kg/s。由于混合室Ⅲ按照每組對(duì)應(yīng)支管將混合室分成若干腔體，使得每個(gè)混合室內(nèi)只有一組對(duì)應(yīng)支管射流，在每個(gè)混合室內(nèi)完成的純粹是對(duì)應(yīng)支管間的互補(bǔ)混合，其質(zhì)量流量分布曲線最為接近理論計(jì)算值和期望值，最大值為2.9599kg/s，最小值為2.9475kg/s。從3種結(jié)構(gòu)的混合室的質(zhì)量流量來看，最大值逐漸減小，而最小值逐漸增大，接近期望值，也說明漿料分布性能越來越好。

4.3 混合室出口質(zhì)量流量分布偏差

評(píng)價(jià)混合室混合效果的一個(gè)直接方法是漿料分布的質(zhì)量流量偏差曲線，這里所說的偏差用e表示，單位為%[9]。圖7所示為3種結(jié)構(gòu)混合室的質(zhì)量流量偏差曲線，圖中0值線即為理想偏差線。3種混合室出口漿料分布偏差曲線與漿料分布曲線形狀相似。經(jīng)混合室Ⅰ混合后，漿料由于聚集在中間，使中間部位的偏差最大，最大正偏差值達(dá)到0.538%，最大負(fù)偏差值達(dá)到-0.332%?；旌鲜尧蚧旌虾蟮男Ч然旌鲜尧衩黠@改善，偏差值有所降低，最大正偏差值降至0.288%，最大負(fù)偏差值降至-0.294%?；旌鲜尧蠡旌虾蟮男Ч惹皟煞N更好，偏差更低，最大正偏差值降到 0.166%，最大負(fù)偏差值降到-0.254%，整個(gè)偏差曲線趨勢(shì)與0值線最為接近。

圖7 支管束質(zhì)量流量分布偏差

5 結(jié) 論

（1）新型布漿器采用了互補(bǔ)式布漿方法，布漿性能取決于混合室的混合效果，而混合室的混合效果又取決于其結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)了單腔式混合室（混合室Ⅰ）、以兩組支管為單位的多腔式混合室（混合室Ⅱ）及以單組支管為單位的多腔式混合室（混合室Ⅲ），采用CFD方法對(duì)混合式結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。

（2）從混合室內(nèi)速度分布圖來看，在混合室Ⅰ內(nèi)，射流間的激烈干涉導(dǎo)致射流股相互靠攏和聚集，不利于漿料均勻分布；在混合室Ⅱ內(nèi)，每個(gè)混合室中有兩組射流，橫向和縱向混合都較好，但橫向混合影響了縱向的互補(bǔ)混合；在混合室Ⅲ內(nèi)，每個(gè)混合室中僅有一組射流，混合不受橫向干涉的影響，能夠充分進(jìn)行縱向的互補(bǔ)混合，符合互補(bǔ)式布漿方法的要求。

（3）從混合室出口的質(zhì)量流量分布來看，混合室Ⅲ的分布最好，混合室Ⅱ的分布好于混合室Ⅰ的分布。混合室Ⅲ的分布曲線最接近于期望值曲線。3種混合室的漿料分布偏差的最大值分別為0.538%、-0.294%和-0.254%，以混合室Ⅲ的最小。

[1] 陳克復(fù).制漿造紙機(jī)械與設(shè)備[M].第2版.北京：中國輕工業(yè)出版社，2008：72-77.

[2] 劉偉.高速紙機(jī)流漿箱布漿器技術(shù)研究[J].紙和造紙，2011，30（5）：10-13.

[3] Sun Runcang，F(xiàn)u Shiyu.Research Progress in Paper Industry and Biorefinery[C]//Liu Wei，Chen Kefu，Li Jun.Study of the fluid flow through the rectangular tapered tube distributor based on CFD：4thISETPP.Guangzhou：South China University of Technology Press，2010：1260-1263.

[4] 劉偉，陳克復(fù)，李軍.方錐管布漿器內(nèi)流動(dòng)特性的數(shù)值模擬[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，39（3）：13-16.

[5] 楊福成.新型流漿箱布漿器[J].國際造紙，2005，24（3）：46-48.

[6] 崔健.B&H流漿箱的應(yīng)用[J].中國造紙，2008，27（8）：80-81.

[7] 任淑華，祝光.稀釋水流漿箱的類型及其對(duì)橫幅定量的控制[J].紙和造紙，2008，27（5）：8-11.

[8] 楊旭，陳克復(fù).流漿箱稀釋水調(diào)節(jié)原理及特點(diǎn)初探[J].中國造紙，2009，29（5）：17-20.

[9] 劉偉，陳克復(fù).新型布漿器布漿機(jī)理及流動(dòng)特性[J].化工學(xué)報(bào)，2012，63（2）：448-454.

[10] Traft D.Overview of design of tapered distributor[J].Tian Jin Pulp and Paper，1984（4）：36-45.

[11] H?m?l?inen J，M?kinen R A E，Tarvainen P.Optimal design of paper machine headbox[J].Int.J.Numer.Meth.Fluids，2000，34：685-700.

[12] Pougatch Konstantin，Salcudean Martha.A computational study of the fluid flow through a hydraulic headbox[J].Tappi.Journal，2005，4（10）：3-8.

[13] 劉建安，陳克復(fù).錐管布漿局限性分析[J].中國造紙學(xué)報(bào)，2005，20（1）：161-163.

[14] 王道文，于燕.基于Matlab的流漿箱錐管布漿器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國造紙，2006，25（9）：23-26.

[15] 楊旭，陳克復(fù)，文海平.高速寬幅流漿箱等壓布漿器原理及新的計(jì)算方法探討[J].中國造紙，2009，28（9）：1-4.

[16] 劉偉.基于CAD/CFD的方形錐管布漿器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，38（2）：332-338.

[17] Shih T H，Liou W W，Shabbir A，et al.A New k-ε eddy-viscosity model for high reynolds number turbulent flows-model development and validation[J].Computers Fluids，1995，24（3）：227-238.

[18] 劉偉.基于k-ε湍流模型的方錐管布漿器流動(dòng)特性[J].中華紙業(yè)，2013，34（8）：30-33.