基于CFD技術的立式水力碎漿機內流特性分析

朱勝遠，魏建軍，衛靈君,3，王倩茜，孫昊,3,4，吳志毅

自動化與智能化技術

基于CFD技術的立式水力碎漿機內流特性分析

朱勝遠1，魏建軍2，衛靈君1,3，王倩茜1，孫昊1,3,4，吳志毅1

（1.江南大學，江蘇 無錫 214000；2.杭州保億奧體置業有限公司，杭州 310000；3.江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，江蘇 無錫 214000；4.清華蘇州環境創新研究院，江蘇 蘇州 215000）

對立式水力碎漿機內部流場特性進行分析，為改善碎漿效果和改進碎漿機的設計生產提供一定的理論依據。利用Ansys Fluent軟件對水力碎漿機內部流場進行數值模擬分析，采用控制變量法研究葉片數量、轉子離底間隙、擾流板數量對流場特性的影響，流場的評價指標有速度場、壓力場、轉子功耗等。數值模擬分析結果表明，立式水力碎漿機內部流體流動為典型的軸向流動模式，葉片數量、轉子離底間隙及擾流板數量對流場靜壓和轉子功耗影響較大，對流場速度影響相對較??；當轉子葉片數量為2、轉子離底間隙為10 mm、擾流板數量為3時，碎漿機結構的功耗相較于原始結構的功耗降低了8.5%；內部流體流動速度也大于原始結構，碎漿效率有所提高。獲得了水力碎漿機的內流特性，為水力碎漿機升級改進提供了參考，從而助力紙模包裝行業的發展。

轉子；內流場；功耗；碎漿效率

隨著社會經濟的快速發展，各行業對包裝用紙和再生漿板的需求日益增加；但由于國內造紙用纖維資源匱乏，加之國家限制固廢進口禁令和禁塑令的頒布實施，同時倡導資源的可回收、低碳節能等，這使得廢紙回收再利用備受關注。以廢紙、再生漿板為主要原料的纖維模塑制品，作為一種無污染、可循環、可降解、性能良好的綠色產品，被廣泛應用于包裝行業。同時作為“以紙代塑”的最佳選擇，纖維模塑制品市場容量大，到2025年纖維模塑將占有塑料包裝市場30%的份額，市值約為2 388億元。因此纖維模塑制品是一種集經濟與環境效益于一體的綠色低碳包裝制品[1-6]。對廢紙或漿板進行碎解是制造纖維模塑制品的第一道工藝，而水力碎漿機是第一道工藝中的關鍵碎解設備，其作用是將交織成紙的纖維進行離解。目前，對廢紙或漿板的碎解一般采用的是立式水力碎漿機，主要結構有槽體和轉子等[7]，轉子的結構會極大地影響碎漿機內部流體的流動模式和流動狀態，進而影響碎漿機碎漿效率和功耗。

研究者通過研究不同結構的轉子對漿料碎解混合的影響，以期改善漿料碎解效果和降低設備功耗。美國Black Clawson公司發明了伏克斯轉子，但該轉子能耗較高，后又對其改進，改進后的P·S伏克斯轉子減少了漿料回流減弱的情況，同時動能消耗大為降低[8]。Cell wood公司研發了一種Type S型轉子，該轉子轉動時能夠使流體產生強烈的湍流，對漿料產生劇烈水力剪切作用，適用于破碎較難碎解的原料[9]。Andritz公司研發了一種FSW-3型轉子，該轉子渦流效果顯著，同時對原料產生較大機械作用，碎解效果顯著提高[10]。余章書[11]研究了一種帶有尖銳齒形刀刃的伏克斯轉子，該型轉子能夠促進流場的雙漩渦擴散碎解能力，有效地增強了漿料的循環流動，降低了碎漿功率消耗。樊磊嘉等[12]研究了一種節能型轉子，該轉子能使漿料順利進入空腔，進而到達葉片工作面，產生渦流流動，提升了碎漿效率。林廣學等[13]研究了一種多功能飛刀轉子，該轉子能快速地切碎漿料，同時在轉子背后形成劇烈渦流，有效地提高了碎漿效率。雖然研究者通過改變轉子的結構，進而改變碎漿機內部流體的湍流和渦流流動狀態以達到良好的碎漿目的，但碎漿機內部流場是復雜的三維流動，難以表征。近年來，計算流體力學（CFD）發展迅速，CFD能夠獲得復雜三維流場方面的特征參數，如速度、壓力等結果可視化，有助于研究分析復雜的三維流動。同時CFD經濟成本較低[14-16]，但目前將CFD技術應用于對螺旋葉片轉子結構的立式水力碎漿機內部流場特性的分析鮮有報道。

本研究在已有的設計理論基礎上[17-19]，基于Ansys Fluent軟件，采用控制變量法研究轉子葉片數量、轉子的離底間隙以及擾流板數量對立式水力碎漿機內部流場特性的影響規律，以期提高碎漿效率和降低功耗，為立式水力碎漿機的優化設計提供一定理論依據。

1 計算模型

1.1 水力碎漿機結構模型

圖1為碎漿機的結構簡化模型，在原始模型中，轉子葉片數量為3片；轉子離底間隙為5 mm；擾流板數量為4個，均布在槽體圓錐底部。圖1a為碎漿機的原始結構示意圖，碎漿機設計有效容積為30 L、槽體直徑為410 mm、槽體高度為285 mm、轉子高度為240 mm、轉子直徑為140 mm。圖1b為碎漿機網格模型，分為2個部分，內部旋轉域和外部靜止域。圖1c為3個擾流板的槽體結構，每個擾流板間隔120°，均布在槽體圓錐底部。

圖1 碎漿機結構簡化模型

1.2 水力碎漿機內部流質和流態

原始設計條件為未漂白木漿板與水的固-液兩相，低濃漿料可視為牛頓流體，其流動狀態與水流相似。為了更好地分析出各因素對流場的影響規律，在此簡化了流動模型，設置槽體內的流質為單水，黏度為0.001 003 Pa·s密度為1.0×103kg/m3。用雷諾數來判斷碎漿機內流體流動狀態，根據式（1），當轉子設計轉速為2 000 r/min時，雷諾數=653 333＞2 000，故碎漿機內流體為湍流狀態。

式中：為流體的密度，kg/m3；為轉子轉速，r/min；為轉子直徑，mm；為流體的黏度，Pa·s。

2 數學模型和計算方法

2.1 控制方程

水力碎漿機內的流體為單相水，其流動過程可以用連續性方程和動量方程來表述[16,20]。

由計算的雷諾數結果可知，碎漿機工作時，其內部流場處于湍流狀態，故對數值分析系統施加湍流輸送方程。本研究選用的是標準方程，該方程穩定性良好且計算精度合理[21-22]。

2.2 計算方法

壓力-速度耦合選擇SIMPLEC算法；壓力離散為Standard格式，動量離散為first order upwind scheme格式，松弛因子適當縮?。恢亓Ψ较驗檩S負方向；為防止結果偽收斂，需考慮殘差和轉子周圍點速度的變化。當殘差收斂且轉子周圍點的速度趨于穩定，可判斷計算收斂，流場穩定。

2.3 邊界條件

采用多重參考系法（MRF）將碎漿機內部流域劃分為2個部分：靜止域與旋轉域，兩者之間交界面用interface進行數據交換。旋轉域轉速為2 000 r/min，轉子相對于旋轉域的速度為0，轉子表面（blade）設置為旋轉無滑移壁面邊界條件；靜止域除上表面設置為對稱面（symmetry）外，其余外部邊界均設置為靜止無滑移壁面（wall），具體邊界如圖1b所示。

2.4 網格劃分及無關性驗證

將碎漿機三維模型導入到Ansys Mesh進行網格劃分，使用四面體網格對碎漿機模型進行網格劃分，同時對轉子表面和槽體壁面進行加密。采用網格收斂指數（Grid Convergence Index , GCI）對6套不同數量的網格進行無關性分析，6套網格數量為78萬、99萬、128萬、164萬、212萬、355萬，最大限度地保證了仿真結果的可靠性[20,23-25]。參照韓太柏等[20]的研究，根據GCI相關計算，判定128萬的網格計算結果已達到網格無關，故選用128萬網格進行后續仿真計算。

3 結果與討論

3.1 葉片數量對碎漿機內部流場影響

葉片的數量會影響碎解效率、轉子制造難易及成本等。葉片數量多會帶來較好的碎漿效果，但相應導致加工制造成本和功耗的增大，在小規格立式水力碎漿機中葉片數量一般為2～3片。下面研究轉子的葉片數量對碎漿機內部流場特性的影響。

在碎漿機內部流場中取4個特征面，豎直方向特征平面=0，水平特征面=260、=150、=50；line1、line2、line3分別為豎直方向特征平面與3個水平方向特征平面的交線，如圖1a所示。用豎直方向特征平面及3條特征線來表征流場情況。

3.1.1 葉片數量對速度場的影響

1）流動模式。從圖2可以看出，葉片的數量并不會影響碎漿機內部的整體流態，二者均為典型的軸向循環流動模式。轉子旋轉時，轉子附近區域速度較大，流體由轉子頂部螺旋葉片被吸入，通過轉子中部傳輸到轉子底部，隨后以較大速度泵送至槽體壁面，與槽體下方壁面碰撞后，再經槽體壁面爬升至槽體上部區域，這樣形成圖2所示的整個軸向循環流動模式。兩葉片和三葉片都是轉子葉片邊緣區域的速度較高，槽壁附近區域速度較低，正是由于碎漿機內部各處流體流速的不同，不同流層之間存在速度梯度差，會對漿料產生剪切作用力，從而碎解漿料。從速度矢量圖上看，兩葉片轉子流場速度最大值為18.11 m/s，略微大于三葉片轉子的18.02 m/s，但兩者差異較小。

2）速度分布。圖3為不同高度處總速度沿徑向的分布情況。由圖3可知，在不同高度處的兩葉片與三葉片總速度分布趨勢基本一致，且都呈軸對稱分布。在水平方向上，碎漿機內部流體的速度從葉片邊緣處至轉柱中心呈下降趨勢；而在轉子葉片與槽壁之間，由于流體經轉子底部泵送后與槽壁發生激烈碰撞，流速先降低后升高。速度最小值出現在槽壁處，速度最大值出現在葉片邊緣處，這與圖2速度矢量圖速度趨勢相一致。在line1上，兩葉片和三葉片轉子的速度均在/=±0.25處出現最大值，三葉片轉子的最大速度約為3.45 m/s，兩葉片轉子的最大速度約為3.30 m/s；在line2上，三葉片轉子的速度在/=±0.22處出現最大值，約為6.20 m/s，兩葉片轉子的最大速度在/=±0.16處出現最大值，約為6.72 m/s；在line3上，兩葉片和三葉片轉子的速度在/=0.17處出現最大差值，約為0.90 m/s。綜合以上3條線上的數據可知，在總體上三葉片轉子與兩葉片轉子速度相差不大。

3.1.2 葉片數量對壓力場的影響。

碎漿機內部流體靜壓可間接表示流體間的相互作用力。靜壓值越大，流體間相互作用力越大，纖維間摩擦越大，漿料碎解效率越高。通過對比圖4相同截面的靜壓圖可以看出，兩葉片轉子的高壓區域范圍明顯大于三葉片的，因此兩葉片的轉子結構碎解效率較優。

3.1.3 葉片數量對功耗的影響

通過ANSYS軟件面積分方法得到轉子扭矩，并計算得出功率。當轉速一定，均為2 000 r/min時，三葉片轉子的扭矩為8.26 N·m，對應的功率為1.73 kW；兩葉片轉子的扭矩為7.52 N·m，對應的功率為1.57 kW。從功耗上看，兩葉片更加節能。

綜合以上速度場、流體靜壓、功耗等因素，以及考慮實際工程生產中的物料成本和加工成本，采取兩葉片轉子較合適。

3.2 轉子離底間隙對碎漿機內部流場影響

有資料表明[19]，轉子的離底間隙一般為2～3 mm，但在實際生產中，轉子與篩板之間常常會卡入較多的塑料等雜質，導致碎漿機啟動困難，甚至需要將轉子拆下，將雜質清理干凈后，設備才能啟動。解決的辦法一般是將轉子離底間隙適當放大，但不能大于16 mm，否則會造成碎漿能力顯著下降。下面研究不同的轉子離底間隙（5、10、15 mm）對碎漿機內部流場的影響。

圖2 不同葉片數量xy平面速度矢量

圖3 不同葉片數量碎漿機內部總速度

圖4 不同葉片數量碎漿機內部靜壓

3.2.1 轉子離底間隙對速度場的影響

1）流動模式。圖5是離底間隙為10 mm和15 mm時平面速度矢量圖。離底間隙為5 mm時的速度矢量圖見圖2a，三者對比可以看出，轉子的離底間隙不同時，碎漿機內部流態基本相似，均為典型的軸向流動模式，這表明轉子的離底間隙并不影響碎漿機內部的整體流態。在速度值上，當轉子離底間隙為5 mm時，流場內的最大速度為18.02 m/s；當轉子離底間隙為10 mm時，流場內的最大速度為17.96 m/s；當轉子離底間隙為15 mm時，流場內的最大速度為17.88 m/s。三者速度也無較大差異。

2）速度分布。圖6為轉子的離底間隙不同時碎漿機內部總速度。由圖6可知，在line1上，離底間隙不同時，速度均在/=±0.25處出現最大值；轉子離底間隙為5 mm時的最大速度約為3.45 m/s，轉子離底間隙為10 mm時的最大速度約為3.75 m/s，轉子離底間隙為15 mm時的最大速度約為4.20 m/s。故轉子離底間隙為15 mm時的速度最大，離底間隙為10 mm時的速度次之，離底間隙為5 mm時的速度最小。在line2、line3處，不同離底間隙的速度相差較小。

［1］譚莉莉，黃津芳，王虹，等.康復訓練對先天性心臟病患兒術后恢復的影響.中華護理雜志，1996，31(6):314-315.

3.2.2 轉子離底間隙對壓力場的影響

圖7是離底間隙為10 mm和15 mm時碎漿機內部靜壓，離底間隙5 mm的靜壓見圖4a。三者對比可得出，當離底間隙為5 mm時，碎漿機內流體靜壓多處于50 000 Pa到75 000 Pa之間；而當離底間隙為10 mm時，碎漿機內流體靜壓值多處于40 000 Pa到55 000 Pa之間；當離底間隙為15 mm時，碎漿機內流體靜壓值多處于10 000 Pa到35 000 Pa之間。故離底間隙為5 mm時碎解效率最好，離底間隙為10 mm時次之，離底間隙為15 mm時碎解效率最低。

圖5 不同離底間隙xy平面速度矢量

圖6 離底間隙不同時碎漿機內部總速度

圖7 不同離底間隙時碎漿機內部靜壓

3.3.3 轉子離底間隙對功耗的影響

轉速均為2 000 r/min、離底間隙為5 mm時，轉子功耗為1.73 kW；離底間隙為10 mm時的功耗與離底間隙為15 mm時功耗相近，兩者分別為1.711 kW和1.709 kW。

通過實驗室碎漿機實際使用情況，在槽體底部會有難以碎解的廢紙。為解決這一現實問題，選擇在轉子底部安裝飛刀，飛刀厚度約為3 mm。在后期生產加工裝配時，考慮到轉子是通過螺栓安裝在底部轉盤上，為便于留有裝配空間以及避免篩孔堵塞，需要求轉子與篩板之間有適當大的離底間隙?？紤]實際情況，轉子離底間隙為5 mm時難以滿足相關要求；但當離底間隙為15 mm時，碎漿機內部流體靜壓下降明顯，碎漿效率顯著降低。綜合考慮，轉子離底間隙取10 mm較為合適。

3.3 擾流板數量對碎漿機內部流場影響

擾流板又稱擋板，其作用是將碎漿機內流體的旋轉運動改變為垂直翻轉和消除漩渦。擾流板的存在抑制了流體的切向速度，提高了流體的軸向和徑向速度分量，促進整體軸向循環流動[26]。恰當數量的擾流板能夠促進槽體內物料運動，有利于物料混合；過多的擾流板即槽體過擋板化，不僅會造成混合性能下降，還會增加設備動力消耗。通過調研，目前市面上銷售的碎漿機內擾流板一般為3～4塊。下面研究擾流板數量對碎漿機內部流場特性的影響。

3.3.1 擾流板數量對速度場的影響

1）流動模式。圖8為3個擾流板的平面速度矢量圖，4個擾流板的速度矢量圖見圖2a。兩者對比可以得出，擾流板的數量并不影響碎漿機內部的整體流態，均為典型的軸向流動模式。圖8右上方流場紊亂，而左上方流場軸向流動清晰，這是因為在槽體豎直特征平面右下方無擾流板，左下方存在擾流板，也說明了擾流板的存在促進了槽體內流體的軸向循環流動。3個擾流板的安裝方式見圖1c。3個擾流板和4個擾流板的流場整體速度上相接近。

圖8 3個擾流板的xy平面速度矢量圖

2）速度分布。圖9為不同高度處總速度沿徑向分布。由圖9可知，在line1上，4個擾流板的速度在/=±0.25處出現最大值，約為3.45 m/s；3個擾流板的速度約在/=±0.27處出現最大值，約為4.05 m/s。在line1上3個擾流板的速度整體上大于4個擾流板的速度。在line2、line3處，不同數量擾流板的速度相差較小，但整體上3個擾流板的速度大于4個擾流板的速度。綜合3條線上的數據得出，總體上3個擾流板的速度高于4個擾流板的速度。

3.3.2 擾流板數量對壓力場的影響

圖10為3個擾流板碎漿機的內部靜壓，4個擾流板碎漿機的內部靜壓見圖4a。兩者對比可看出，3個擾流板的高壓區域明顯大于4個擾流板的，得出3個擾流板的碎漿機的碎漿效率優于4個擾流板的碎漿機的碎漿效率。

圖9 不同數量擾流板碎漿機內部總速度

圖10 3個擾流板碎漿機內部靜壓

3.3.3 擾流板數量對功耗的影響

轉速均為2 000 r/min、擾流板數量為4個時，轉子功率為1.73 kW；擾流板數量為3個時，轉子功率為1.70 kW。從功耗上看，3個擾流板的碎漿機結構更加節能。

綜上，4個擾流板會出現過擋板化，會減少總體流動，導致不良的混合性能。綜合速度場、壓力場、功耗等因素以及物料成本和加工成本，采取3個擾流板較合適。

3.4 流場優化后驗證

通過以上分析，綜合考慮各種因素，選取轉子葉片為兩葉片、離底間隙為10 mm、擾流板數量為3作為優化結構。下面對優化結構進行模擬仿真，與原始結構進行對比分析。

3.4.1 優化前后速度場對比

1）流動模式。圖11為優化后平面速度矢量圖，優化前見圖2a，兩者對比可以得出，優化前后碎漿機內部的整體流態相似，二者均為典型的軸向流動模式，優化前后速度差異較小。

圖11 優化后xy平面速度矢量圖

2）速度分布。圖12為不同高度處總速度沿徑向分布，由圖12可知，在line1、line2特征直線上優化后的總速度整體上大于優化前的速度。在line1上，優化前和優化后的速度均在/=±0.25處出現最大值，優化前的最大速度約為3.45 m/s，優化后的最大速度約為4.20 m/s。在line2上，在/＜0側，優化前的速度約在/=?0.23處出現最大值，約為6.04 m/s，優化后的速度約在/=?0.20處出現最大值，約為6.20 m/s；在/＞0側，優化前后的速度均約在/=?0.23處出現最大值，優化前約為6.25 m/s，優化后約6.28 m/s。在line3上，優化前后的速度互有優勢。綜合3條線上的數據可知，總體上優化后的速度優于優化前的速度，優化后漿料運動速度大，有利于提高漿料的碎解效率。

3.4.2 優化前后的功耗

當轉速均為2 000 r/min時，優化前轉子功率為1.73 kW，優化后的轉子功率為1.583 kW，優化后功耗較優化前降低了8.50%。

圖12 優化前后碎漿機內部總速度

4 結語

針對立式水力碎漿機內部復雜三維流場，本文基于CFD技術，利用Fluent軟件，采用控制變量法對立式水力碎漿機內部流場特性進行了分析，得到碎漿機內部流體的速度場和壓力場分布以及轉子功耗，得出以下結論：

1）葉片數量對流場特性的影響主要體現在流體靜壓方面，兩葉片流場高壓區大于三葉片流場高壓區；對速度場方面影響較小，同時兩葉片轉子較三葉片轉子更加節能。

2）轉子的離底間隙對流場靜壓和功耗的影響較大，當離底間隙為15 mm時，槽體內流體靜壓過低，不利于漿料碎解；離底間隙為5 mm時，較難滿足實際加工裝配。考慮實際生產加工情況、碎漿效率和功耗等，轉子離底間隙取10 mm較為合適。

3）當槽體內部加裝4個擾流板時會出現過擋板化的情況，會消耗更多的功耗且不利于漿料的碎解，故取3個擾流板更適合。

4）改進后的結構較原始結構功耗降低了8.50%，流體流動速度也大于原始結構，有利于促進漿料的循環流動，提高了碎漿效率，為碎漿機優化改進提供思路；同時在原材料成本及加工制造成本也有一定的降低，進一步降低紙漿模塑制品的成本，助力紙模包裝行業的發展。

[1] 中國造紙雜志社產業研究中心. 紙漿模塑行業發展現狀及趨勢分析(一)[J]. 中國造紙, 2022, 41(5): 108-116.

China Paper Journal Industry Research Center. Development Status and Trend Analysis of Molded Fiber Products Industry[J]. China Pulp & Paper, 2022, 41(5): 108-116.

[2] 中國造紙雜志社產業研究中心. 紙漿模塑行業發展現狀及趨勢(二)[J]. 中國造紙, 2022, 41(6): 80-88.

China Paper Journal Industry Research Center. Industry Research Center. Development Status and Trend Analysis of Molded Fiber Products Industry[J]. China Pulp & Paper, 2022, 41(6): 80-88.

[3] 李昊津, 衛靈君, 孫昊, 等. 低碳循環纖維模塑包裝產業的發展趨勢探討[J]. 綠色包裝, 2022(1): 14-19.

LI Hao-jin, WEI Ling-jun, SUN Hao, et al. Discussion on Development Trend of Low Carbon Recycling Pulp Molding Packaging Industry[J]. Green Packaging, 2022(1): 14-19.

[4] 陸新宗, 肖生苓, 王全亮, 等. 漆酶介體體系對紙模材料強度與疏水性的影響[J]. 包裝工程, 2018, 39(11): 81-87.

LU Xin-zong, XIAO Sheng-ling, WANG Quan-liang, et al. Effects of Laccase Mediator System on the Strength and Hydrophobicity of Pulp Molded Materials[J]. Packaging Engineering, 2018, 39(11): 81-87.

[5] 張洪波, 趙子怡, 孫昊, 等. 改性分散松香膠對紙模制品表觀性能的影響[J]. 包裝工程, 2016, 37(15): 78-83.

ZHANG Hong-bo, ZHAO Zi-yi, SUN Hao, et al. Effect of Modified Dispersed Rosin on Apparent Performance of Molded Pulp Products[J]. Packaging Engineering, 2016, 37(15): 78-83.

[6] 邊兵兵, 李偉平, 沈新, 等. 紙漿模塑包裝制品分體式吸濾成形模具設計[J]. 包裝工程, 2015, 36(13): 86-89.

BIAN Bing-bing, LI Wei-ping, SHEN Xin, et al. Split Type Suck-Filtration Mold for Molded Pulp Packaging Products[J]. Packaging Engineering, 2015, 36(13): 86-89.

[7] 黃俊彥. 紙漿模塑生產實用技術[M]. 2版. 北京: 文化發展出版社, 2021.

HUANG Jun-yan. Practical Technology for Pulp Molding Production[M]. 2nd ed. Beijing: Cultural Development Press, 2021.

[8] 康宇軒. 水力碎漿機的固液兩相流場數值計算及碎漿效率影響研究[D]. 武漢: 華中科技大學, 2019.

KANG Yu-xuan. Numerical Calculation of Solid-Liquid Two-Phase Flow Field of Hydraulic Pulper and Study on the Influence of Pulping Efficiency[D].Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2019.

[9] 譚龍莉. 小型水力碎漿機結構設計與性能分析[D]. 北京: 北方工業大學, 2015.

TAN Long-li. Structural Design and Performance Analysis Of Small Hydraulic Pulper[D].Beijing: North China University of Technology, 2015.

[10] 陳曉楚, 羅志新, 梁根權. 水力碎漿機新型轉子用于廢紙的碎解[J]. 中國造紙, 2009, 28(10): 50-52.

CHEN Xiao-chu, LUO Zhi-xin, LIANG Gen-quan. The Application of the New Type Pulper Rotor-FSW-3 in Waste Paper Pulping[J]. China Pulp & Paper, 2009, 28(10): 50-52.

[11] 余章書. 水力碎漿機葉輪刀刃的技術創新[J]. 中華紙業, 2014, 35(24): 47-48.

YU Zhang-shu. The Technical Innovation on Rotor Blades of Hydropulper[J]. China Pulp & Paper Industry, 2014, 35(24): 47-48.

[12] 樊磊嘉, 徐國華, 李瑞瑞, 等. 節能水力碎漿機改進型轉子[J]. 輕工機械, 2018, 36(2): 88-90.

FAN Lei-jia, XU Guo-hua, LI Rui-rui, et al. Improved Energy-Saving Hydropulper's Rotor[J]. Light Industry Machinery, 2018, 36(2): 88-90.

[13] 林廣學, 高懷智. 多功能飛刀轉子的研制與水力碎漿機處理能力升級的研究[J]. 華東紙業, 2011, 42(5): 31-34.

LIN Guang-xue, GAO Huai-zhi. Research on Multi-Function Knife Rotor and Upgrading the Processing Capacity of Hydrapulper[J]. East China Pulp & Paper Industry, 2011, 42(5): 31-34.

[14] 王志杰, 趙彥琳, 姚軍. Rushton渦輪攪拌槽內流場特性及顆粒運動行為數值模擬[J]. 化工進展, 2021, 40(12): 6479-6489.

WANG Zhi-jie, ZHAO Yan-lin, YAO Jun. Numerical Simulation of Flow Field Characteristics and Particle Motion Behavior in Rushton Turbine Stirred Tank[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2021, 40(12): 6479-6489.

[15] 張悅刊, 葛江波, 劉培坤, 等. 多進口旋流器流場特征及分離性能[J]. 化工進展, 2022, 41(1): 86-94.

ZHANG Yue-kan, GE Jiang-bo, LIU Pei-kun, et al. Flow Field Characteristics and Separation Performance of Multi-Inlet Hydrocyclone[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2022, 41(1): 86-94.

[16] 竇靖, 張放, 沙九龍, 等. 立式水力碎漿機內部漿料流場數值模擬及其新型槽體結構的研究(一)[J]. 中國造紙學報, 2016, 31(2): 34-42.

DOU Jing, ZHANG Fang, SHA Jiu-long, et al. Numerical Simulation of Fiber Slurry Flow Field Inside the Vertical Hydraulic Pulper and Research on New Type of Its Tank Structure(Ⅰ)[J]. Transactions of China Pulp and Paper, 2016, 31(2): 34-42.

[17] 陳克復. 制漿造紙機械與設備-下[M]. 3版. 北京: 中國輕工業出版社, 2011.

CHEN Ke-fu. Pulp and Paper Machinery and Equipment[M]. 3rd ed. Beijing: China Light Industry Press, 2011.

[18] 陸渝民. 立式水力碎漿機的原理和設計探討[J]. 上海造紙, 1989, 20(S1): 154-160.

LU Yu-min. Discussion on the Principle and Design of Vertical Hydraulic Pulper[J]. East China Pulp & Paper Industry, 1989, 20(S1): 154-160.

[19] 皋蒙. 怎樣用好水力碎漿機[J]. 紙和造紙, 1998, 17(5): 24.

MENG gao. How to Use Hydraulic Pulper[J]. Paper and Paper Making, 1998, 17(5): 24.

[20] 韓太柏, 金光遠, 鄒鵬程, 等. 一種連續流反應器內射流耦合攪拌流的混合特性[J]. 化學工業與工程, 2023, 40(2): 133-142.

HAN Tai-bai, JIN Guang-yuan, ZOU Peng-cheng, et al. Mixing Characteristics of Continuous Flow Reactor Coupled with Jet and Mechanical Stirring[J]. Chemical Industry and Engineering, 2023, 40(2): 133-142.

[21] VELISKOVA Y, CHARA Z, SCHUGERL R, et al. CFD Simulation of Flow Behind Overflooded Obstacle[J]. Journal of Hydrology And Hydromechanics, 2018, 66(4): 448-456.

[22] BELHANAFI A, BOUZIT M. Numerical Investigation of Hydrodynamics Induced by a Pitched Blade Turbine: Effect of the Shape of Vessel Base[J]. Mechanika, 2019, 25(5): 370-376.

[23] ROACHE P. Error Bars for CFD[C]// 41st Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Nevada: AIAA, 2003: 1-21.

[24] CRAIG K J, NIEUWOUDT M N, NIEMAND L J. CFD Simulation of Anaerobic Digester with Variable Sewage Sludge Rheology[J]. Water Research, 2013, 47(13): 4485-4497.

[25] RASOULI M, MOUSAVI S M, AZARGOSHASB H, et al. CFD Simulation of Fluid Flow in a Novel Prototype Radial Mixed Plug-Flow Reactor[J]. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 2018, 64: 124-133.

[26] 沈春銀, 陳劍佩, 張家庭, 等. 機械攪拌反應器中擋板的結構設計[J]. 高?；瘜W工程學報, 2005, 19(2): 162-168.

SHEN Chun-yin, CHEN Jian-pei, ZHANG Jia-ting, et al. Performance and Design of Baffles in Mechanically Agitated Gas-Liquid Reactor[J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 2005, 19(2): 162-168.

Internal Flow Characteristics of Vertical Hydraulic Pulpers Based on CFD Technology

ZHU Sheng-yuan1, WEI Jian-jun2, WEI Ling-jun1,3, WANG Qian-qian1, SUN Hao1,3,4, WU Zhi-yi1

(1. Jiangnan University, Jiangsu Wuxi 214000, China; 2. Boee Group Limited Company, Hangzhou 310000, China; 3. Jiangsu Key Laboratory of Advanced Food Manufacturing Equipment and Technology (Jiangnan University), Jiangsu Wuxi 214000, China; 4. Tsinghua Suzhou Environmental Innovation Research Institute, Jiangsu Suzhou 215000, China)

The work aims to analyze the internal flow field characteristics of vertical hydraulic pulpers to provide a theoretical basis for improving the pulping effect and the design and production of pulpers. A numerical simulation analysis of the internal flow field of a hydraulic pulper was carried out with Ansys Fluent software. The control variable method was used to study the impact of the number of blades, the rotor clearance from the bottom, and the number of spoiler plates on the flow field characteristics. The characteristics of the flow field were evaluated by the velocity field, pressure field and rotor power consumption. The numerical simulation results showed that the fluid flow in the vertical hydraulic pulper was a typical axial flow mode. The number of blades, the rotor clearance from the bottom and the number of spoiler plates had a greater impact on the static pressure of the flow field and the power consumption of the rotor, while the impact on the velocity of the flow field was relatively small. When the number of rotor blades was 2, the rotor clearance from the bottom was 10 mm, and the number of spoilers was 3, the power consumption of the pulper structure was reduced by 8.5% compared with the original structure. The internal fluid flow velocity was also faster than that of the original structure, while the pulping efficiency was improved. The internal flow characteristics of the hydraulic pulper were obtained. The research results provide a theoretical basis and reference for upgrading of vertical hydraulic pulpers and promote the development of the paper packaging industry.

rotor; internal flow field; power consumption; pulping efficiency

TB486；TS733

A

1001-3563(2023)15-0122-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.15.016

2022?12?07

江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室自主研究課題資助項目（FMZ201905）

朱勝遠（1995—），男，碩士生，主攻制漿造紙設備與工藝。

孫昊（1981—），女，博士，副教授，主要研究方向為生物質資源綜合利用。

責任編輯：曾鈺嬋