可視化技術在盤磨機磨漿機理研究中的應用

王佳輝　王　平

(天津科技大學機械工程學院,天津,300222)

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可視化技術在盤磨機磨漿機理研究中的應用

王佳輝王平

(天津科技大學機械工程學院,天津,300222)

摘要：盤磨機是目前廣泛使用的磨漿設備,但存在能耗大、容易堵塞等問題,從根本上完善和解決這些問題需要加強對磨漿機理的研究。可視化技術作為一種可以用于研究磨漿動態過程的高新技術，本文歸納總結了可視化技術原理、技術進展與趨勢以及在盤磨機磨漿機理研究中的應用,對改進現有的磨漿技術和促進可視化技術手段推廣應用具有一定意義。

關鍵詞：盤磨機；磨漿機理；可視化

磨漿是制漿造紙工藝中重要的環節,通過對紙漿懸浮液的機械處理,使纖維獲得一定的性能。至今,還沒有一個完全令人滿意的磨漿理論,這可能與磨漿過程復雜、相關變量多和無法直接觀測等原因有關。為了研究磨漿過程,觀察漿料的運動,獲得某些參數(如壓力、速度等)，借助某些技術或手段將流體運動變為“可見”,這就是流體可視化技術,借助可視化技術能直觀地了解磨漿區漿料的流動情況。

1流體可視化技術

早在1883年雷諾在水平圓管內水中注染料,證實了從層流向紊流遷移,這就是早期的流動可視化技術[1]。自從1932年采用可視化技術研究泵的內部流動以來,可視化技術在流體機械上已經取得了一定成果[2],進入2000年后,得益于實驗技術和計算機設備的高速發展,流動可視化技術得到了快速地發展,出現了很多將流體可視化的具體技術與手段。流體可視化的數據來源主要有兩個,一是計算流體動力學(CFD)的結果,二是實驗[3]。流體可視化技術作為一種研究流體運動的技術和手段,雖然大部分方法不能定量測量,但卻能幫助人們了解到流動全貌以及流動過程的細節[4]。

1.1實驗可視化技術

早期,人們所能采用的可視化技術只能借助于實驗的方法,將它統稱為實驗可視化技術。實驗可視化技術也被稱為流動顯示技術,由于流體一般很難直接用肉眼觀察到流動特點,為了能直觀、形象地觀測到流體的流動狀態,就需要利用某種實驗手段使流體流動特點變得明顯。早期的實驗可視化技術通常利用添加外部介質和能量的方法(如示蹤法、流絲法、表面流跡法等)使流場顯示流線或其他特征,但該方式對流場的干撓很大,后來出現了基于光學技術的高速攝影技術、全息照相和干涉技術等大大提高了實驗可視化的效率和準確性,大大促進了實驗可視化的發展。實驗可視化技術在流體研究中已逐漸發展為一種專門的技術,有時候也當作一種檢測手段來驗證某些實驗假設。

1.2數值計算可視化技術

與實驗可視化技術相對應,科學計算可視化技術應用計算機圖形學和圖像處理技術把數值模擬中涉及的大量數字信息轉變為對流場直觀分析和研究的可視化圖形或圖象,有效地加深對流場的流動現象及規律認識。數值計算可視化技術可以縮短研究周期,提高研究工作效率。

圖2　盤磨機透明磨室和定盤

1.3可視化研究的新發展

早期,流體可視化技術只限于穩定和低速的流體,而且一般只能進行定性的研究,隨著新型傳感器的出現,可視化方法研究有了新的進展,對于非穩定流和高速流動能定量的可視化研究已逐漸成為可能[5]。

(1)流動跟隨技術：通過記錄流動跟隨物在流場中的運動軌跡推測流型。流動跟隨物一般是能夠自然懸浮的染色顆粒,對于特殊的不透明流體,跟隨物可采用能發射一定頻率的無線電波的小顆?；蛐〈判泽w。

(2)螢光法：用激光脈沖照射已經混有感光變色顏料的流場中的某個區域或特定截面,使該處的螢光物質變色發光,記錄螢光物質的運動,從而了解流場的流動情況。

(3)數字PIV技術：粒子圖像測速(PIV)比較兩相鄰時刻示蹤粒子的位置,直接記錄粒子圖像,用處理相繼兩禎數字圖像取得速度向量,計算出示蹤粒子處的二維平均速度。通過足夠多的示蹤粒子,就能獲得全流場的速度分布[6]。與熱線熱膜測速儀(接觸式測量,對流場有較大的干擾)和激光多普勒測速儀相比,圖像測速技術和粒子跟蹤測速技術不再是單點測量技術,己成為動態速度場測量的主要手段。

1.4可視化技術的特點及優勢

由以上介紹可知，可視化從宏觀上分實驗可視化和模擬可視化,與常用的計測儀器相比較,不只局限流體中特定一點的流動狀態,可以有效地掌握流動現象的整個情況,減小使用計測儀器插入流體帶來的干擾。一般來說可視化技術幾乎不需要特別訓練,方法使用簡便,多數情況靠肉眼觀察或者攝影等即可[7]。

2常用可視化技術在盤磨機磨漿機理研究中的具體應用

目前,一般用兩種方式來解釋磨漿過程,一是從能量的角度,將能量作為最終輸出量,輸入量是其他因素(如盤磨機的操作參數),然后研究輸入量與輸出量的關系。另一種是從盤片結構來考慮,研究磨漿前后纖維形態性能的變化,然后推斷磨片與磨漿性能之間的關系[8]?？梢暬夹g在上述兩種方式研究磨漿過程中對了解磨漿機理很大的輔助,如果說前兩種方式是從本質上探討磨漿作用機理的話,那么通過可視化技術觀察磨漿漿料運動則是從現象上來直觀獲得磨漿作用的基本規律。所以結合不同研究方法的技術特點,就能比較準確、全面地獲得對磨漿過程規律的了解。圖1為盤磨機磨漿可視化基本參考模型。

圖1　盤磨機磨漿可視化基本參考模型

2.1實驗可視化

2.1.1透明磨室和磨片的應用

哥倫比亞大學研制了實驗型盤磨機,采用透明材料制造了盤磨機定盤,并將磨室可開啟的一側改成透明視窗(如圖2所示),能觀察到75%左右的磨漿區域,可以直接通過實驗觀察漿料的流動情況并獲取某些流動參數[9]。實驗型盤磨機解決了一直以來磨漿的高溫高壓過程,一般很難直接用肉眼觀察磨室磨漿的情況。

2.1.2高速攝影裝置及技術

隨著CCD數字相機的發展,將圖像信號數字化,通過數字相機的跨幀技術(縮短兩幀圖像之間的曝光時間),實現了將PIV技術應用于高速流場。采用高速攝像技術對磨漿過程進行可視化研究,通過直觀的拍攝來獲得磨漿過程的實驗數據,經過分析和處理,進一步指導理論和實踐應用,對研究磨漿過程、磨漿理論有重大的指導意義[10]。

圖6　高速攝影拍攝槽內流動

國外早在1970年就已經開始了對磨漿過程進行可視化研究,加拿大制漿造紙研究所和芬蘭坦佩雷理工大學運用攝影技術和圖像處理分析手段研究高濃磨紙漿纖維的流動。D.Atack等人[11-12]運用高速攝影技術記錄單盤磨紙漿的流動情況,觀察到只有50%～85%的磨片齒面被紙漿覆蓋。國外運用可視化技術主要集中在對紙漿中纖維的流動速度和方向、纖維在齒面的覆蓋率及漿料進入磨區到出磨區停留時間的研究。

芬蘭坦佩雷大學的T.Alahautala等人[13]對磨漿進行定量可視化研究。采用多脈沖頻閃儀、內窺鏡光學系統、專業化的照明系統和CCD照相機，通過4個安裝在不同徑向位置(從破碎區到精磨區)的探頭獲取數據信息,如圖3和4所示。根據得到的圖像,從圖像中確定紙漿流速、流動方向、紙漿取向、百分比覆蓋面積與紙漿和纖維絮凝物的存在。

圖3　可視化系統的示意圖

圖4　探頭安裝位置示意圖

華南理工大學在高速攝像技術方面做得十分突出,2009年朱小林等人[14]自主設計了一套可用于研究磨漿過程的裝置(見圖5),采用了透明有機玻璃作為磨片,通過高速攝像機清楚地觀察到漿料的運動,經過圖片處理技術得到更為清晰清楚的數據[15]。

圖5　華南理工大學磨漿可視化裝置和實驗圖

劉嘉等人[16]通過高速攝像技術對中濃磨片內纖維變化情況進行了完整的拍攝,得出不同轉速及磨片不同區域纖維團運動狀況。D.Atack等人[17]通過高速攝像技術觀察了低濃磨漿時紙漿的分布狀態。Kwei-Nam Law等人[18]通過高速攝像技術對中高濃磨漿纖維的運動進行了觀測。劉士亮等人[19]通過快速攝影技術研究低、中濃磨漿過程中磨漿作用規律及纖維形態變化的作用,進而推斷不同濃度的磨漿作用機理及成漿性能。

2.1.3化學元素示蹤法

一些研究者結合示蹤粒子和高速攝影技術,拍攝到磨室內磨片槽內的漿料流動情況。圖6是利用高速攝影記錄漿料中示蹤粒子的運動軌跡,觀察的顆粒(不同的顏色代表不同的顆粒)流動方向[16,20]。

2.2數值計算可視化

2.2.1磨漿過程可視化理論

自1987年科學可視化提出以來,在計算機領域得到了廣泛的應用和發展,也稱為數值模擬領域的新方法[21]。關于流體方面的科學可視化技術主要基于CFD模擬軟件,可歸納為4個階段：①物理建模階段；②算法設計階段；③映射階段；④可視化階段。所以說科學可視化實質上是計算機輔助后處理部分,輸出過程表現為可視的圖形或圖像信息,主要涉及流場數據的處理,其目的是為研究人員提供一種可視的分析手段[22]。

圖7　盤磨機磨片槽內流動的模擬結果[22]

隨著計算機技術的發展,可視化技術不但從工具上,而且從算法上也有巨大進步,已經能夠形象、逼真地將漿料流動過程顯示出來。陳克復等人[23-24]將紙漿懸浮液流動問題作為研究對象,研究紙漿懸浮液的特點,以紙漿流動過程可視化為出發點,結合MATLAB程序設計語言,討論了矢量場顯示技術。應龍等人[25]在分析非牛頓流體物理特性的基礎上提出了一種完整的可視化算法,將流體的外形、流動的軌跡以及流體間的相互碰撞都用合理的數學形式進行表述,既模擬出逼真的運動效果又控制了算法的復雜度。

2.2.2磨漿過程CFD模擬可視化應用

2009年,Kondora等人在FLUENT中模擬了磨漿過程漿料的流動(見圖7),并將結果和Fox與Lumianen等人提出的理論分析模型進行了對比,結果表明模擬結果和理論分析十分接近。通過模擬能夠更直觀地了解漿料在齒槽內的流動特性,為設計磨片提供理論依據[26]。

2011年,G M Khokhar等人[27]在FLUENT中利用簡化的單槽模型來分析槽內漿料的流動,假設漿料為恒黏度的牛頓流體,模擬了不同壓力和磨盤轉速對盤磨機磨漿的影響。模擬結果表明,磨漿過程流量取決于壓力差和轉速,其中壓力差的影響較大,經過實驗驗證得出與模擬結果相同的趨勢。模擬得到的定盤齒槽槽內表面的流線顯示形成的兩個渦流,左邊為矢量圖,右邊為流線圖(見圖8)。

圖8　定盤(在半徑62.5 mm處)齒槽內漿料流動的矢量和流線圖[6]

G.Kondora等人在文獻[28]利用流體軟件在FLUENT中對磨片進行計算機模擬,假設漿料流動為層流,模擬了磨漿過程漿料的流動,圖9為模擬的漿料在槽內的流動情況,三維立體畫面能夠更直觀地了解漿料在齒槽內的流動特性。

圖9　CFD處理后得到的磨片齒槽內漿料的流動圖像

2.3可視化技術應用趨勢

早期,對磨漿機理的認識不足,所以進行實驗研究居多,數值計算可視化是建立在對磨漿原理有一定掌握的基礎上發展起來的,相對實驗可視化的快速發展,模擬技術還是顯得比較緩慢。先進的可視化設備大多集中在歐洲的一些高校和工廠,部分工廠將理論研究項目委托一些高校協助進行,產學研結合較好[25],國內要加大對先進設備的引進力度,相關的處理技術(例如圖像處理)也需要進一步研究。目前可視化技術在中低濃度磨漿中運用較多,主要是因為在這種濃度下纖維的運動在現有技術下容易進行相關的圖形處理,根據已有的可視化技術設備,需要研發一種適用于研究高濃度磨漿機理的可視化設備及裝置。

3展望

目前關于磨漿過程可視化研究較少,還有很大的研究空間。隨著實驗設備和條件的改善,實驗可視化技術一定會日趨完善,從而為研究磨漿機理作出應有的貢獻。有許多工作還有待于深入研究,才能不斷完善盤磨機磨漿機理的研究,具體有以下幾個方面。

3.1合理選擇模擬模型、完善有關后處理算法

目前,模擬時一般假定漿料為恒黏度的牛頓流體。實際上,磨漿過程是一個動態變化的過程,如何假設漿料的流動特性使其更好的符合實際,還有待進一步研究。在數值計算可視化的研究中,流線的生成算法與實現起著重要作用,需要研究適用于紙漿流動的特定算法,既要逼真的模擬出磨漿過程漿料的流動，還要控制算法的復雜度。

3.2綜合運用數值計算可視化和實驗可視化技術

實驗可視化對設備的要求較高、周期長；而數值計算可視化需要對模型和流體進行必要的假設。模擬分析可以減少實驗工作量,但是不能完全取代磨漿實驗。數值模擬可以改變各種流動參數,后處理圖像也更加直觀,實驗可視化貼近實際,二者各有特點需要有機的結合。

3.3加大對可視化設備及相關軟件的研發

盤磨機磨漿時紙漿流體的可視化研究作為一個全新又復雜的領域,可為改進和提高盤磨機的性能提供很多寶貴的資料,需要不斷研究完善。相對于國外的研究水平,國內還處在較初級的水平,雖然也仿造和研發了部分可視化裝置,但是由于后處理的水平及對裝置本身特點的了解不足,應用效果也一般。

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(責任編輯：董鳳霞)

Application of Visualization Techniques in Refining Mechanism Study of the Disc Refiner

WANG Jia-hui*WANG Ping

(CollegeofMechanicalEngineering,TianjinUniversityofScience&Technology,Tianjin, 300222)

(*E-mail: wjhjjjok@126.com)

Abstract：Disc refiner is widely used in pulp refining at present, but there are still problems such as higher energy consumption and easy to be plugged in refining, improve and solve these problems need to strengthen research on refining mechanism. Visualization techniques can be used as a high-tech to study the dynamic process of refining. This paper summarized the principle of visualization technology, its technological advance and trend as well as application in the research of refining mechanism of disc refiner, it was significance for improvement of existing refining technologies and promotion of visualization techniques application.

Key words：disc refiner; refining mechanism; visualization

收稿日期：2014- 12- 18(修改稿)

中圖分類號：TS734+.1

文獻標識碼：A

文章編號：0254- 508X(2015)03- 0064- 06

作者簡介：王佳輝先生，在讀碩士研究生；研究方向：造紙機械的研究。