基于CFD的高浓漂白塔稀释区流场及卸料系统的研究

论文摘要

目前高浓纸浆降流漂白塔塔底卸料形式主要有两种:一种是直接对高浓纸浆卸料,另一种是将高浓纸浆在塔底稀释后再卸料。直接对高浓纸浆卸料会造成卸料能耗大、占用空间大,而高浓纸浆稀释后再卸料会由于稀释地点固定,纸浆不能均匀稀释,从而影响漂白效果,所以本论文通过研究一种旋转式稀释卸料系统的稀释区及其关键元件（包括喷水管和卸料器）的流场特点,优化关键元件的结构,从而达到卸料和漂白均匀的目的。现在该系统已经申请专利并公开。高浓漂白塔塔底稀释区的流场模拟按照不同角度的等压和连续稳定生产两种过程进行,其研究内容如下:1、通过对高浓纸浆的堆积密度研究,证明大多数纸浆的压实密度和松散密度之差（ρ-ρo）与高浓纸浆自重产生的压强P建立的回归曲线有临界点W,当压强P大于W时,（ρ-ρo）和P呈幂函数关系;当压强P小于W时,（ρ-ρo）和P呈线性关系;通过对工程塔的计算,知道高浓纸浆会对稀释区产生最大压强小于69000Pa,并确定了稀释区实验系统应该在湍流状态下进行流场研究。2、通过对PIV系统介绍及其实验结果,认为:掩模技巧结合阈值确定作为基本方法,可以将稀释区水的示踪粒子和纸浆纤维粒子实行图像分离,从而各自可以得到较准确的两相流流场信息。3、通过对直型、纺锤型、腰型三种喷水管在正、反转下进行速度分析和数值模拟,结果发现:纺锤型喷水管能更好地实现等浓度喷射;喷水管内充满着涡旋和回流等二次流;高速旋转会使喷水管的水流产生脱壁现象。4、纸浆纤维粒子作为圆柱状颗粒在流场中的运动主要受到Stokes力、附加质量力和Basset力的作用。按照欧拉粒子流模型结合滑移网格技巧对纸浆悬浮液进行两相流模拟,结果发现:在等压过程和连续生产稳定过程中, S型卸料器比直型卸料器卸料快、均匀,湍动能大,使纸浆更不容易絮聚;立椭圆截面形状的S型卸料器具有卸料快、均匀、湍动能和耗散率高的特点;颗粒直径、黏度、密度三者虽然对卸料效果有影响,从其卸出的对应纸浆体积百分数来看,影响较小,然而转速对卸料效果影响非常显著。对于以上研究内容,采用了PIV系统对水和浓度为0.01%的稀纸浆进行流场测量验证,同时对浓度为3-4%的低浓纸浆进行了卸料效果和流速大小的实验验证,结果表明:1)采用realizable k-ε模型和PISO算法以及二阶迎风离散格式来进行喷水管流场的数值计算是比较合适的;2)采用欧拉粒子流模型结合滑移网格、分散湍流模型对卸料器及其稀释区流场进行研究是可靠的;3)立椭圆截面的S型卸料器和纺锤型喷水管是这种旋转式稀释卸料系统的优化结构。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 我国造纸工业的技术装备现状
• 1.2 高浓纸浆漂白技术与装备
• 1.3 高浓漂白技术与清洁生产
• 1.4 高浓漂白塔稀释区的研究背景及意义
• 1.4.1 高浓纸浆漂白塔
• 1.4.2 高浓过氧化氢漂白塔的卸料器
• 1.5 数值计算
• 1.5.1 CFD数值模拟的优越性
• 1.5.2 湍流数值模拟的种类
• 1.5.3 数值模拟的软件包
• 1.6 纸浆悬浮液的模拟
• 1.6.1 纸浆悬浮液两相流
• 1.6.2 目前的两相流模型
• 1.7 模拟的验证
• 1.7.1 侵入式测试技术
• 1.7.2 非侵入式测试技术
• 1.7.3 纸浆悬浮液的瞬态流场的测量技术
• 1.7.4 PIV系统的组成
• 1.8 本文的研究方法和目的
• 1.9 本章小结
• 第二章 高浓纸浆在高浓降流漂白塔中的堆积密度
• 2.1 高浓纸浆降流漂白塔的工作原理
• 2.2 高浓纸浆的堆积密度
• 2.2.1 实验方法
• 2.2.2 实验材料和仪器
• 2.2.3 实验过程
• 2.2.4 实验结果及处理
• 2.3 本章结论
• 第三章 高浓漂白塔稀释区实验系统
• 3.1 回归方程在漂白塔中的工程应用
• 3.2 高浓纸浆的堆积对稀释区产生的压强
• 3.3 工程中高浓漂白塔稀释区的湍流计算
• 3.4 稀释区实验系统的设计
• 3.4.1 实验系统的结构和原理
• 3.4.2 实验系统的主要元件的计算
• 3.4.3 按照临界转速校核搅拌轴（直立管）的直径
• 3.5 实验系统关键元件-卸料器的研究内容确定
• 3.6 本章小结
• 第四章 高浓漂白塔塔底稀释区喷水管流场的数值模拟
• 4.1 几何建模软件和划分网格软件的介绍
• 4.1.1 UG软件
• 4.1.2 ICEM CFD软件
• 4.1.3 ICEM CFD软件与其他软件的比较
• 4.1.4 网格的选择
• 4.2 湍流模型和数值计算方法
• 4.2.1 数值模拟的κ-ε模型
• 4.2.2 流场的数值计算方法
• 4.2.3 流场的控制方程离散形式
• 4.3 喷水管的数值模拟
• 4.3.1 速度分析
• 4.3.2 等浓度喷射的特点
• 4.3.3 喷水管的进口大小的确定
• 4.3.4 建模和网格划分
• 4.3.5 数值计算方程和边界条件
• 4.3.6 三种喷水管的出口速度分布
• 4.3.7 喷水管的水流脱壁现象
• 4.3.8 喷水管内的二次流
• 4.4 喷水管流场的测量
• 4.4.1 试验PIV系统的组成
• 4.4.2 示踪粒子的布撒技术
• 4.4.3 喷水管流场的测量结果
• 4.5 本章小结
• 第五章 稀释区的纸浆悬浮液流场研究
• 5.1 纸浆悬浮液的描述
• 5.2 纸浆纤维粒子在流场中的作用力
• 5.3 纸浆悬浮液的欧拉-欧拉双流体模型方程及其相关算法
• 5.3.1 欧拉-欧拉多相流模型的选择
• 5.3.2 纸浆悬浮液的欧拉-欧拉两相流方程
• 5.3.3 纸浆悬浮液欧拉模型的湍流模型
• 5.3.4 纸浆悬浮液欧拉模型的求解方法
• 5.4 纸浆纤维粒子的当量直径和纤维密度
• 5.4.1 纸浆纤维的当量直径和纤维密度的定义
• 5.4.2 纸浆纤维粒子的形状系数和动力修正系数
• 5.5 本章小结
• 第六章 卸料器的结构优化
• 6.1 卸料器的几何模型和滑移网格
• 6.2 直型卸料器和S型卸料器的流场特点
• 6.3 在PIV系统中测量纸浆悬浮液两相流
• 6.3.1 二维PIV系统的标定
• 6.3.2 纸浆悬浮液在PIV系统中的图像处理方法
• 6.3.3 卸料器流场的测量
• 6.4 等压过程
• 6.4.1 等压过程中直型卸料器和S型卸料器的卸料演化过程
• 6.4.2 等压过程的PIV 验证
• 6.4.3 等压过程的卸料情况
• 6.5 连续稳定过程
• 6.5.1 连续稳定过程中模拟的边界条件
• 6.5.2 生产连续过程中的PIV验证
• 6.5.3 连续稳定过程中的卸料情况
• 6.5.4 Ⅰ型结构S型卸料器对稀释区流场的影响
• 6.6 本章小结
• 第七章 卸料器流场模拟结果的实验验证
• 7.1 卸料效果的验证
• 7.1.1 直型卸料器和S型卸料器的卸料快慢比较
• 7.1.2 直型卸料器和S型卸料器对不同的纸浆浓度的卸料情况
• 7.1.3 不同截面形状的S型卸料器的卸料情况
• 7.1.4 不同转速下的S型卸料器的卸料情况
• 7.2 卸料器出口低浓纸浆流速比较
• 7.2.1 等压过程的流速验证
• 7.2.2 生产连续稳定过程的流速验证
• 7.3 本章小结
• 结论
• 本课题研究的创新点
• 对本研究方向今后工作的设想
• 参考文献
• 附录1 Matlab程序
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件