基于CFD的新型布漿器混合室結構

劉偉，冀曉輝

（廣東石油化工學院機電工程學院，廣東 茂名 525000）

流漿箱是現代高速紙機的關鍵部件之一，其功能是保證漿料在湍流狀態下完成沿紙機幅寬方向均勻分布，并噴漿上網。

流漿箱的發展過程中，先后采用過擴展流道式、多重對分式、中間進漿多支管式、錯流式等布漿方法，由于缺點突出，已不再使用[1-2]。現在，隨著紙機幅寬的不斷增加，流漿箱的布漿方式以方錐總管單向進漿為主。方錐總管的等壓要求使其后壁形狀復雜，工程上使用時多采用直線簡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，將會更加明顯[3-4]。周向布漿方法依靠穩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]。現代高速紙機為了保證漿料分布均勻和紙頁的質量，采用了復雜的稀釋水調節系統[7-8]。近年來，出現了一種新的漿料分布方法——互補式布漿方法，該方法是在方錐管布漿器布漿不均勻的基礎上設計的[9]。最早的關于錐管布漿器的系統論述出現在20世紀80年代初，為流漿箱的設計和應用奠定了理論基礎[10]。為了提高流漿箱的布漿性能，研究人員對流漿箱的結構進行了大量的改進和優化研究[11-16]。但是方錐布漿總管的缺陷并未得到有效解決。

本文針對新型布漿器，在互補式布漿方法的基礎上，為了得到更好的布漿性能，采用CFD方法對流漿箱混合室進行了結構研究，分析了不同結構混合室對漿料流動特性的影響及質量流量分布性能，確定合理的混合室結構，改善新型布漿器布漿性能。

1 混合室設計

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

設計時，混合室橫截面積與布漿器橫截面積是相同的，因此混合室的長度將決定混合性能。對于兩個方錐總管支管在混合室內的順流射流行為，根據不可壓縮湍流射流的連續性方程和運動方程可推導出單管射流的初始段長度，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產生強烈相互干涉和引射作用，致使射流初始段長度僅為單管射流的70%[13]。

從新型布漿器支管束出來的漿流應該在混合室內完成充分的互補混合，從而保證漿流能夠均勻并且穩定地進入穩漿室。因此，在設計混合室長度時，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，又要使漿流保持一定的湍動狀態，避免出現纖維絮聚現象。所以，混合室的長度L應滿足式（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速度之比；C為常數。

2 混合室結構設計方案

現有布漿器混合室的結構是一個長方形的腔體，從方錐總管支管束出來的漿流都在這里進行混合。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，非常有必要對混合室結構進行深入研究，改善混合室出口的漿料分布性能。混合室結構如圖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 數值分析方法

3.1 數學模型

（1）連續性方程 見式（2）。

（2）動量方程 見式（3）。

（3）Realizable k-ε模型 Realizable k-ε模型是在標準k-ε模型基礎上發展出來的湍流模型，主要對湍流黏性的計算和耗散率的計算進行了改進[17]。因此，與標準 k-ε模型相比，Realizable k-ε模型能夠更精確地預測圓柱射流的發散比率，計算結果精度更高[18]。具體方程見式（4）和式（5）。

圖1 新型布漿器混合室結構

式（2）～式（5）中的符號含義見文獻[16]。

3.2 計算模型及邊界條件

為了獲得各種重要的流動信息，研究混合室內流動特性和橫向及縱向漿流的互補、摻混狀態，采用三維計算模型，利用有限容積法對控制方程——雷諾時均N-S方程進行計算。對混合室進出口的支管束采用六面體進行網格劃分，其余部分均采用四面體進行網格劃分，以獲得較高的計算精度和可靠的結果。壓力速度耦合計算采用標準SIMPLE方法，湍流模型采用Realizable k-ε模型。

進入布漿器的漿料流量為 150m3/h，質量分數約為1%，處于湍動狀態，其流動特性近似于水[11]。計算時，在方錐總管入口采用質量流量入口邊界條件，回流端采用質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。采用標準壁面函數對近壁區進行處理。

4 結果與討論

數值計算時，計算結果的收斂和精度受到計算域網格劃分質量的直接影響，合理的計算結果應該與網格劃分的粗細程度無關。因此，計算時對計算結果進行了無關性驗證，3種情況的網格數分別取為540427、536671和533688，對近壁區采用標準壁面函數處理時，各支管壁面第一層網格的y+值取為43[9]。

4.1 速度分布

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

為了研究漿料經由上下對稱放置的兩個方錐總管支管束進入混合室后的流動情況，在混合室內選取兩個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。根據兩個截面圖，可清楚地看到漿料由支管束進入到混合室的射流流動過程以及橫排支管漿流在混合室內的混合過程。顯然，每個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生了強烈的卷吸和干涉作用，使相鄰兩股射流發生互相靠近的現象，導致整排射流產生了相互靠攏的流動情況，這種相互靠攏現象對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。

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

圖2 混合室Ⅰ內速度分布（單位：m/s）

圖3為混合室Ⅱ內速度云圖。由于以兩組支管射流為單位來劃分混合室，對于每個方錐總管的平行排管射流組，不再出現顯著的多股射流向混合室中部靠攏和聚集的現象，只是兩個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。從每個獨立小混合室來看，在對應支管射流截面上，由于橫向的射流干涉作用，使對應支管射流的干涉和混合受到了一定的影響，并不是單純的對應支管射流間的干涉和混合，因此兩股射流間的互補效應有所減弱，如圖3(b)。

圖4為混合室Ⅲ內速度云圖。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完全沒有射流向混合室中部靠攏和聚集的現象，只是單股射流流動，如圖4(a)所示。從每個獨立混合室來看，對應兩個支管射流存在強烈的相互干涉和混合，而且兩股射流能夠很快地摻混在一起，完成了很好的互補混合，如圖4(b)。

4.2 混合室出口支管質量流量分布

圖3 混合室Ⅱ內速度分布（單位：m/s）

新型布漿器的最大優點是利用單向進漿的方錐布漿總管布漿不均勻性，實施互補式布漿方式，達到漿料均勻分布的目的。實現互補式布漿的關鍵是漿料在混合室內的混合效果，根據互補式布漿機理，兩個方錐總管對應支管內漿料質量流量互補后極其接近期望值[9]。圖5為兩個方錐總管支管束質量流量分布及互補后的計算值。由圖5可見，互補后的計算值曲線很接近期望值2.955kg/s。

圖4 混合室Ⅲ內速度分布（單位：m/s）

圖5 互補后質量流量的計算值

圖6 混合室出口質量流量分布

圖6為漿料在3種結構混合室內混合后的質量流量分布。由于強烈的相互干涉，平行排管射流組在混合室Ⅰ內產生了明顯的聚集，使得質量流量分布曲線呈現中間大于期望值、兩邊小于期望值的狀態，最大值為2.971kg/s，最小值為2.9453kg/s。在混合室Ⅱ內，在每個混合室內僅有兩組射流相互混合，因此，從質量流量分布曲線看，并未出現射流聚集現象，整個曲線形狀比混合室Ⅰ的更平緩，說明質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按照每組對應支管將混合室分成若干腔體，使得每個混合室內只有一組對應支管射流，在每個混合室內完成的純粹是對應支管間的互補混合，其質量流量分布曲線最為接近理論計算值和期望值，最大值為2.9599kg/s，最小值為2.9475kg/s。從3種結構的混合室的質量流量來看，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 混合室出口質量流量分布偏差

評價混合室混合效果的一個直接方法是漿料分布的質量流量偏差曲線，這里所說的偏差用e表示，單位為%[9]。圖7所示為3種結構混合室的質量流量偏差曲線，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，最大正偏差值達到0.538%，最大負偏差值達到-0.332%。混合室Ⅱ混合后的效果比混合室Ⅰ明顯改善，偏差值有所降低，最大正偏差值降至0.288%，最大負偏差值降至-0.294%。混合室Ⅲ混合后的效果比前兩種更好，偏差更低，最大正偏差值降到 0.166%，最大負偏差值降到-0.254%，整個偏差曲線趨勢與0值線最為接近。

圖7 支管束質量流量分布偏差

5 結 論

（1）新型布漿器采用了互補式布漿方法，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構。設計了單腔式混合室（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方法對混合式結構進行了研究。

（2）從混合室內速度分布圖來看，在混合室Ⅰ內，射流間的激烈干涉導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，每個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混合；在混合室Ⅲ內，每個混合室中僅有一組射流，混合不受橫向干涉的影響，能夠充分進行縱向的互補混合，符合互補式布漿方法的要求。

（3）從混合室出口的質量流量分布來看，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.制漿造紙機械與設備[M].第2版.北京：中國輕工業出版社，2008：72-77.

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

[3] Sun Runcang，Fu 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，李軍.方錐管布漿器內流動特性的數值模擬[J].華南理工大學學報：自然科學版，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橫幅定量的控制[J].紙和造紙，2008，27（5）：8-11.

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

[9] 劉偉，陳克復.新型布漿器布漿機理及流動特性[J].化工學報，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.錐管布漿局限性分析[J].中國造紙學報，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化設計[J].中國造紙，2006，25（9）：23-26.

[15] 楊旭，陳克復，文海平.高速寬幅流漿箱等壓布漿器原理及新的計算方法探討[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構優化設計[J].廣西大學學報：自然科學版，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特性[J].中華紙業，2013，34（8）：30-33.