水力式流浆箱关键技术机理研究与CFD应用

论文摘要

造纸工业是与国民经济发展息息相关的重要产业,我国未来的造纸工业发展机遇巨大,同时对制浆造纸装备提出了新的要求,流浆箱是造纸机械中技术含量高、发展速度快的一个关键设备,从工作介质方面来说,流浆箱属于流体机械的一种,本文从流体力学的角度出发,深入研究水力式流浆箱各功能元件的作用机理,采用CFD技术以及实验研究等方法研究水力式流浆箱的关键功能元件的性能,为流浆箱的研发和使用提供科学的参考依据。纸浆悬浮液的流动既不同于水也不同于固液两相流体,它是固体、液体以及气体的三相共存体系,在一般情况下,纸浆悬浮液浓度都要高于临界浓度,纸浆悬浮液在流体动力以及纤维间相互作用力的作用下纤维交织成网络,纤维网络的强度决定于纤维的浓度,同时与纤维的其他物理性能有关。纤维网络的分散依赖于所受到的剪切力。高强度的微湍动可以有效的分散纤维网络,减少纤维絮聚。同时湍动又提供了纤维絮聚的动力,因此湍动具有二重性。对湍流运动的模拟有多种不同的理论和方法,根据计算机的条件和研究湍流的不同目的,湍流数值模拟的精细程度有不同的层次。目前对湍流运动的数值模拟主要有三种:直接数值模拟（DNS-Direct Numerical Simulation）、大涡数值模拟（LES-Large Eddy Simulation）和雷诺平均数值模拟（RANS-Reynolds Averaged Navier-Stokes equations）。根据本论文的研究目的以及对湍流数值模拟的精细程度的要求,采用雷诺平均数值模拟可以满足对水力式流浆箱内低浓浆流的流场模拟。系统地介绍了布浆总管内浆流的三种压头损失:摩擦损失、分岔压头损失和收缩压头损失及其对锥形总管内浆流压力的影响。利用数值模拟的方法研究了各种类型布浆总管的均匀布浆性能。利用数值模拟以及激光测速仪测量了实验流浆箱的唇口浆流速度横幅上不均匀性与布浆总管回流量之间的关系,实验以及数值模拟的结果显示:当总管的回流量偏小时,将导致靠近回流端的支管的流量增加,而当回流量过大时,则导致靠近回流端的支管流量减小。根据湍动射流理论得出射流基本段长度以及平行射流组的速度分布,利用统计学原理提出整流室内浆流速度均匀性的评价标准。通过数值模拟的方法,得到水力式流浆箱整流室内浆流速度分布特性以及湍流强度的衰减趋势,在整流室内浆流随着整流室长度的增加,浆流速度逐渐均匀,而湍流强度逐渐下降,对整流室的长度的确定应该综合考虑速度的均匀性和浆流的湍流强度。采用Realizable k ?ε两方程湍流模型研究了布浆管束的直径以及入口速度对整流室长度的影响。分析了整流室内湍动的发展趋势。利用数据拟合的方法,给出了整流室长度的设计方程。利用PIV技术对整流室内浆流速度分布进行测量,实验结果与数值模拟结果相符,证明可实现k-ε模型可以用于水力式流浆箱整流室内的淹没射流的流场计算。分析了纸页横幅定量偏差调节的机理,以及唇板局部开度调节法和稀释水局部浓度调节法的特点和性能。分析了T形混合器的原理,利用数值模拟的方法对稀释水与主浆流的混合进行了数值模拟,得出了稀释水与主浆流的混合趋势。采用可实现k-ε模型对整流室内射流扩散进行模拟,结果表明,在整流室内,射流逐渐向两边扩散,在射流中心附近,对定量的调节幅度最大,在射流中心两侧,射流呈线性关系扩散。稀释水对横幅定量偏差的实际调节效果与稀释水的浓度即留着率有关,通过添加稀释水,对纸页定量的调整最大可达8%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• CONTENTS
• 第一章 绪论
• 1.1 中国造纸工业及造纸装备现状
• 1.2 现代高速纸机的关键技术与装备
• 1.2.1 水力式流浆箱
• 1.2.2 夹网成形器
• 1.2.3 宽压区压榨
• 1.2.4 现代干燥技术
• 1.2.5 软压光技术
• 1.2.6 QCS、DCS 与MCC
• 1.3 流浆箱在造纸机上的重要作用
• 1.4 流浆箱的类型与特点
• 1.4.1 敞开式流浆箱
• 1.4.2 气垫式流浆箱
• 1.4.3 水力式流浆箱
• 1.4.4 满流气垫结合式流浆箱
• 1.5 论文的研究目的、内容和方法
• 1.5.1 研究目的及意义
• 1.5.2 研究内容
• 1.5.3 研究方法
• 1.6 本章小结
• 第二章 纸浆悬浮液流体力学特性与CFD 基本理论
• 2.1 纸浆悬浮液的流动特性
• 2.1.1 纸浆悬浮液的描述
• 2.1.2 纸浆悬浮液的流动状态
• 2.2 纸浆悬浮液的絮聚与分散机理
• 2.2.1 纸浆纤维网络絮聚
• 2.2.2 纤维网络强度
• 2.2.3 纤维絮聚的分散
• 2.3 湍流理论与模型
• 2.3.1 流体运动数值模拟的特点
• 2.3.2 湍流的流动特性与控制方程
• 2.3.3 湍流的数值模拟
• 2.4 本章小结
• 第三章 布浆器的机理研究与数值分析
• 3.1 锥形总管的设计
• 3.1.1 压头损失的计算
• 3.1.2 锥形布浆器的设计方程
• 3.1.3 锥形布浆器的制造
• 3.2 布浆器的数值模拟
• 3.2.1 CFD 软件-FLUENT 的介绍
• 3.2.2 布浆器几何模型与网格
• 3.2.3 布浆器流场计算采用的湍流模型
• 3.2.4 布浆器流场计算的近壁区处理
• 3.3 数值模拟结果分析
• 3.3.1 布浆总管内浆流速度分布
• 3.3.2 布浆总管内浆流轨迹
• 3.3.3 布浆总管内压力分布
• 3.3.4 各布浆总管布浆均匀性分析
• 3.3.5 回流量对均匀布浆的影响
• 3.4 布浆器的实验研究
• 3.4.1 实验目的
• 3.4.2 实验方法
• 3.4.3 实验流程
• 3.4.4 实验结果
• 3.5 本章小结
• 第四章 整流室的作用机理与数值研究
• 4.1 整流室的作用机理
• 4.1.1 匀浆辊的整流机理
• 4.1.2 湍动射流的特性
• 4.1.3 湍动射流的初始段长度
• 4.1.4 平行射流组的速度分布
• 4.1.5 整流室长度的探讨
• 4.2 整流室的数值研究
• 4.2.1 物理模型与网格划分
• 4.2.2 湍流模型
• 4.2.3 边界条件
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 速度均匀性评价
• 4.3.2 布浆管束入口流速对L 的影响
• 4.3.3 布浆管束直径对L 的影响
• 4.3.4 整流室长度L 的确定
• 4.3.5 整流室浆流湍动能的分析
• 4.4 PIV 测量验证
• 4.4.1 PIV 测量原理
• 4.4.2 实验流程
• 4.4.3 实验结果
• 4.5 本章小结
• 第五章 稀释水横幅定量调节机理与数值研究
• 5.1 纸页横幅均匀的重要性
• 5.2 纸页横幅定量调节的机理
• 5.2.1 唇板局部开度调节
• 5.2.2 稀释水局部浓度调节
• 5.3 稀释水与主浆流混合的数值模拟
• 5.3.1 湍流模型与验证
• 5.3.2 混合参数
• 5.3.3 结果与分析
• 5.4 稀释水调节横幅定量的数值模拟
• 5.4.1 稀释水在整流室内的扩散
• 5.4.2 稀释水在整流室内扩散的数值模拟
• 5.5 本章小结
• 总结
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的科研成果
• 致谢
• 附件