棒条参数对浆料流场影响的研究

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

1l4机械 设 计 与制 造Machinery Design & Manufacture第 l0期2013年 lO月棒条参数对浆料流场影响的研究王绍清，孙钿科，于红娟，曲庆文(山东理工大学 机械工程学院，山东 淄博 255049)摘 要：采用流体动力学软件 FLUENT对浆料流经缝隙的过程进行了数值模拟，得到了浆料流经缝隙的压力分布图以及速度矢量局部放大图，显示了涡流的分布情况，计算了不同楔形角和缝宽下的流场分布。结果表明，涡流的大小位置要合适，太大和太小或者位置不当都不利于纸浆有效纤维的流入 ，浆料流速随楔形角的增大而增大，筛网上产生的压力降随缝宽的减小而增大。所以对于棒条结构参数要选择合适的标准以获得最大的生产能力同时又不影响筛选质量。流场分析为棒条参数的选择提供了理论支撑，对提高纸浆筛选设备的使用性能具有有重要的意义。

关键词：内流筛；筛鼓；转子；FLUENT；流场分析；CFD中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1001—3997(2013)10一Ol14—04Research on Efect of Parameters of Bars on Flow Field of SlurryWANG Shao-qing，SUN Tian—ke，YU Hong-juan，QU Qing-wen(School of Mechanical Engineering，Shandong University of Technology，Shandong Zibo 255049，China)Abstract：The process of the slurryflowing through the gap is numerically simulated by the fluid dynamics software FLUENT.

The pressure distribution diagram and the partialy enlarged view ofvelocity vector are obtained about slurry through the slit.

The distribution ofthe eddy is showe&The flowfield distribution under diferent slit width and wedge angle is calculated．Theresults are showed clearly．The size and position of eddy should be right．Too 6培，too small or improper location is notconducwe efectively to inflows ofpulp efectivefiber．TheflOW velocity ofslurry is increased with increase ofthe wedge angle.

The pressure drop on the screen is increased with decrease of seam width．Sofor the appropriate standard of bars structureshould be selected to obtain the maximum production capacity ofscreening without afecting quality．The theoretical support，0r select ofparameters of bars is provided by analysis offlow．field．It is s~ ant to improve the peVorm．,~e ofpulpscreening equipme nt.

Key W ords：InfluxSieve；ScreenBasket；Rotor；FLUENT；AnalysisofFlowField；CFD1引言压力筛是一种较为先进的纸浆筛选设备。筛鼓【 是压力筛的重要部件，在纸浆筛选过程中起着关键性的滤过除杂作用。在此过程中几何尺寸超过纤维悬浮体容许值的杂质被筛鼓缝隙所阻隔而从纤维悬浮液中分离出来，这样就可以得到含杂质量较少的良浆，达到纸浆筛选的目的。因此，研究筛鼓缝隙流场及其缝宽对流场的影响规律，对筛鼓的结构优化设计，筛鼓质量的提高具有十分积极的意义。cFD(computational Fluid Dvnamics)f2_3】是利用计算机对气体流动、液体流动和热力传递等物理现象的数值计算，并利用图像形象直观地显示结果，进而分析流动规律[41。目前，FLUENT软件是国内和美国使用最多的CFD软件之一，相比其他软件功能更全面，适用性更强，广泛运用于各种流体流动、传热、燃烧等问题目。采用 FLUEN 寸压力筛筛鼓缝隙流场进行了分析，利用湍流模型 叫莫拟浆料流经缝隙的过程，通过速度矢量图查看形成涡流的情况，通过改变楔形角和缝宽的大小，得到不同情形下纸浆的流场分布，从而进行分析对比，总结不同楔形角和缝宽对流场的影响，深化了筛选设备的理论研究，对纸浆筛选设备的优化设计有重要的指导意义。

2压力筛的工作原理及其基本结构纸浆切线进入筒体与筛鼓之间的腔体内，靠筛鼓两侧的压力差使纸浆中的合格纤维通过筛缝(或筛孔)流向筛鼓内，从下部的出浆口排出，留在筛鼓外侧的浆渣在纸浆压力和转子推动下经尾渣口排除。转子的高速旋转对筛鼓起 自清洗作用。压力筛为立式结构。主要有底座、筛体、筛盖、转子组件、筛鼓、传动装置等组成，其中筛鼓和转子组件是组成筛选系统的主要部分。与浆料接触部分均采用不锈钢材料。筛鼓有孔形筛鼓和棒条式缝形筛鼓两种形式。

3筛鼓缝隙流场的简化以HB筛为研究对象，结合 HB筛的工况分析可知 ，浆料浓度为(0．4～l-2)％，转子的线速度(10～30)m／s，转子叶片旋翼距筛鼓表面的距离为 3．0mm棒条的楔形角是 12。，两棒条之间的缝隙来稿日期：2012—12—03基金项目：山东省自然科学基金项 目(ZR2011EEM010)作者简介：王绍清，(1985一)，男，山东人，在读硕士研究生，主要研究方向：机械结构分析优化与机械故障诊断；曲庆文，(1959一)，男，山东人，博士，硕士生导师，主要研究方向：摩擦学设计技术及摩擦材料 、流体润滑与轴承技术第 10期 王绍清等：棒条参数对浆料流场影响的研究 I 15宽度为 0．151／11，转子的线速度为 20m／s左右，所以浆料流入的速度设为 20m／s。该部分主要研究纸浆经过缝隙的流场，模拟纸浆流过筛鼓缝隙的过程。分析【{1取两个缝进行研究，建立简化几何模型，如图 1所示。

图 1简化几何模型Fig．1 Simplified Geometric Model4仿真模型的建立GAMBIT是软件包的前处理模块．J{{于建立几何结构和网络的生成。南于纸浆具有粘性，考虑到近壁面粘性效应，应该划分边界层网格。没置第一层的宽度为 0．001 i／in，增长凶子为 l-2，层数为 4、边界层网格后，划分 3个面的网格，采_}=fj Quad单元和Map方法，间隔选择 0．01 him。根据上述简化的缝隙流场，对模型进行网格划分，如图 2所示。

图 2产生的面网格Fig．2 Surface( ids- — l _ I
罔 3边界类型Fig．3 Boundary Types定义边界类型。将进口边定义为速度入口，名称为 in。l叶{口边和下面的两条边定义为自由f1j流，分别命名为 out，outl，out2，将棒条边设置为同体壁面设置的结果，如同 3所示。

5 FLUENT求解计算及结果分析启用 FLUENT的 2d(二维单精度 )版本。设置求解器，基于压力，采用隐式方程，2D空『H】，采用绝对速度。选用湍流模型，选择非平衡壁面函数的标准 k-e模型，采用分离求解器及压强和速度耦合算法中的 SIMPLE算法。由于浆料浓度很低，性能参数和水近似，所以将材料定义为水，FLUENT中默认材料为空气(air)。

定义操作条件，将操作压强定义为 12500Pa。由于研究的是水平进浆的流场，所以不考虑重 力(Gravity)的作用 定义进 口速度20m／s，垂直于边界，设置湍流强度为4％，液力直径为 0．003m(转子口1‘片与缝隙的间隔距离)。定义出口：考虑到缝隙很多，所以流经两个缝隙的占少量，故假定主要出口流量占90％，两个缝隙出口均为5％。对流场全区域进行初始化，并打开残差曲线图，设置参数的收敛精度为0．001。

查看浆料流经缝隙时产生的压力分布云图，如图4所示。

图4压力分布云图Fig．4 Contours of Static Pressure查看浆料流经缝隙时产生的速度分布云图，如图 5所示。

图 5速度分布云图Fig．5 Contours of Velocity Magnitude形成的速度矢量图，如图6所示。

图 6速度矢量局部放大图Fig．6 Velocity Vectors t Partial Enlargement通过查看压力分布，如图 4所示。可以估算筛网表面的压力降，压力降不能太高，太高会引起筛子的堵塞，影响生产能力。而在速度分布云图 5和速度矢量图 6中可以查看流动浆料由于棒条形状产成的涡流情况，好的筛选效果要求浆料流经缝隙时要尽量平滑和呈流线形。所以涡流的数量不能多，太多会引起筛网表面不必要的扰动，影响筛选质量，实际工况下产生的一个涡流，如图6所示。同时，涡流的大小位置也要合适，太大和太小或者位置不当都不利于纸浆有效纤维的流人。如图6所示，甫于棒条楔形形状形成的涡流基本上使浆料纤维运动方向更容易对准缝隙人口，提高了筛选能力和筛选效果。

6楔形角对流场的影响下面探讨不同的楔形角对流场影响。棒条主要采用的楔形角度为 l2。，l5。，20。和 25。，上面已经计算了 12。楔形角的流场情况，现分别计算楔形角为 15。、20。、25。时其他条件不变的流场情况I16 机械设计与制造NO．100ct．20l3(a)15~速度矢情局部放大图(b)20。速度矢量局部放大图( )25。速度矢最局部放大图罔7各楔形角缝隙形成速度矢 局部放大图Fig．7 Velocity Vectors of Partial Enlargementwith Different Wedge angles随楔形角的增大，涡流的中心位置逐渐远离缝隙开口处，涡流的半径变小，涡流相对缝隙开口的距离会增大，如图7所示。那么长纤维更容易流经缝隙进入良浆，所以筛选后长纤维的含量将会随楔形角的增大而增高。

从速度矢量冈中还可以得到缝隙开口处流人缝隙的浆料估算速度，将这一系列数据绘成曲线，如陶 8所示。

楔形角(o)网 8缝隙开口处浆流速度随楔形角的变化曲线Fig．8 Variation Curvc of Velocity with the Changeof Wedge Angle in the Opening of Slots从变化f}1线中可以看出浆料流速随楔形角的增大而增大，而缝隙的开口大小都是一样的，所以流速快 ，流量就大，形成良浆的世就多，故随楔形角的增大，筛的产量逐渐增大。

如图 7所示，形成的涡流随楔形角的增大，位置逐渐向上 ，接近捧条顶部．而且巾心更靠近棒条的壁面。涡流越靠近棒条对棒条的冲击就越大．rjI起筛鼓的振动就越大。

另外，随着楔形角增大，涡流靠近壁面，涡流的半径会减少，而且涡流远离缝的开口处，那么随涡流回流的浆料会减少，那么杂质存离心力作用下远离缝隙的机会就会降低， 此浆料筛选效率会变低7棒条相对位置对流场的影响为了进一步探讨筛鼓缝隙宽度对流场影响，保持棒条的楔形角(12。)不变，改变棒条之间的相对位置，分别计算缝隙宽度为0．1 mm、0．20mm、0．25mm时其他条件不变的流场，查看浆料的压力场、速度场和速度矢量。

(a)O．1Innl压力分布云图(b)0．15mm压力分布云图((·)0．20ram压力分布云图(d)O．25mm压力分布云I习图9各种缝宽压力分布云图Fig．9 Contours of Static Pressure under Different Slots各种缝宽下形成的压力场分布云图，如图9所示。通过比较可以得到压力随缝宽的变化规律 ，以最大压力为例做出变化曲线，如图 10所示。从变化曲线可以看出随缝宽的增加产生的压力逐渐减少，所以在筛框表面产生的压力降随缝宽的增大而降低。

缝宽(Film)同 10最大压力随缝宽的变化规律Fig 1 0 Variation Curve of Maximum Pressure withthe Changing of Slot WidthNO．10Oct．2O13 机械 设 计 与制 造 1 17(a)0．1mm速度矢量局部放大图(b)O．]5nlm速度矢量局部放大图(e)0。2mm速度矢量局部放大图(d)O．25mm速度矢量局部放大图图 1 I各种缝宽速度矢量局部放大罔Fig．1 l Velocity Vectors of Partial Enlargementundel-Different Slot Widtt~各种缝宽下形成的速度矢量局部放大罔，如图 1 1所示。通过对比发现随缝宽的增大流经缝隙的浆量显然是增加的，故筛的产量增加。但各种缝宽下开口上方产生的涡流情况(涡流的中心、涡流的半径)基本上一致。说明楔形角对产生涡流的影响程度要比缝宽对涡流的影响程度要大。

8 曲P2
．
t,结采用 FLUENT模拟了浆料流经缝隙的过程，查看了流场中涡流的情况。计算了不同楔形角和缝宽下的流场分布，得到了不同楔形角和缝宽下形成的压力分布图以及速度矢量局部放大图。

结果表明，涡流的大小位置要合适，太大和太小或者位置不当都不利于纸浆有效纤维的流入。棒条楔形形状形成的涡流须使浆料纤维运动方向对准缝隙入口，这样才能保证较好的筛选效果。随楔形角的增大，长纤维的含量也随着增多，同时浆料流速也随楔形角的增大而增大。通过对比发现随缝宽的增大流经缝隙的浆量显然是增加的，故筛的产量增加，而缝宽太大将产生影响筛选质量的回流涡旋，缝宽太小会在筛网上产生较高的压力降，形成过大的阻力影响生产能力。所以在实际应用中，对于缝宽要选择合适的标准以获得最大的生产能力同时义不影响筛选质量。流场分析为纸浆筛选设备的优化设计提供了有效手段和理论指导，埘提高纸浆筛选设备的使用性能具有有重要的意义。

参考文献[1]陈缵修．创新技术与J 品加快我同筛选技术装备的发展 [JJ．r}l华纸,Jk，2006，27(8)：36—39.

(Chen Zuan—xiu．To innovate technology and product tbr speeding up thedevelopment of China’s screening equipment，China Pulp & PaperIndustry，2006，27(8)：36-39．)[2]师奇威．CFD技术及其应用[J1l制冷与空调，2005(6).

(Shi Qi—wei．CFD Technique and its application．Refrigeration and Air—Conditinning，2005(6)．)[3]李俊妮，栗秀萍．基于 Fluent的高速旋转圆盘表面的数值模拟[Jl_机械没计 制造，2013(2)：7一l1.

(Li Jun-ni，Li Xiu—ping．High—speed rotating disk SUlfa(‘e numeri(·alsimulation based on Fluent lJ J．Machinery Design＆Manufacture，2013(2)：7—1 1．)[4]孙存楼 CFD在船舶喷水推进器设计与性能分析中的应用 [JJ_喻尔滨]：程大学学报 2008，29(5)：444_H448.

(Sun Cun—lou．Computational fluid dynamics for marine water-jet designand performance analysis．Journal of Harbin Engineering University，2008，29(5)：444--448．)[5]周寒秋．潘慈．CFD技术在板翅式换热器设计开发中的应用 [Jj．深冷技术，201O(5)：28—32.

(Zhou Han—qiu，Pan Ci．Application of CFD technology in design anddevelopment offin-plate heat exchanger[Jj．Cryogenic Technology，2010(5)：28—32．)[6]黄首峰，郭红．基于F1 UENT的径向滑动轴承油膜压力仿真 [JJ_机械设计与制造，2012(10)：248—250.

(Huang Shou-~ng，Guo Hong．Radial sliding bearing oil film pressuresimulation based on FLUENT lJ J．Machinery Design&Manufa(qure，20】2(10)：248—250．)[7]王福军，张玲，黎耀军．轴流泵水泵非定常湍流数值模拟的若干关键问题【J]．机械工程学报．2008，4(8)：73—77.

(Wang Fu~un．Zhang Ling，『Ji Yao-jun．Some key issues of unsteadyturbulent numerical simulation in axial—flow pump J J．Chinese Journal ofMechanical Engineering，2008，44(8)：73-77．)[8]陈奇峰，陈克复，杨 党．基于CFD方法优化离心式中浓浆泵湍流发生器结构的研究[JJ_巾国造纸，2006，25(10)：25—27.

((；hen Qi-feng，Chen Ke-fu，Yang Ren—tang．Study on the structure ofturbulent generatorofMC centrifugal pump based on CFD[J]．China Pulp&Paper．2006．25(10)：25—27．)[9 J赵斌娟，袁寿其。刘厚林．基 l-．Mixture多相流模型计算双流道泵全流道内固液两相湍流[J]．农业 】：程学报，2008，24(1)：7-1.

(Zhao Bin-juan，Yuan Shou-qi，1,iu Hou—lin．Simulation of solid—liquidtwo-phase turlmlent flow in double—channel pump based on Mixturemodel[J]．Transaction oftheCSAE，2008．24(1)：7一1．)[10]姜海龙，刘梅城，孙垂宅新型筛选设备外流式中浓压力筛【J]．中刚造纸，2008．27(5)：4l-44.

(Jiang Hal—long，Liu Mei-bin，Sun Chui—bao．A new type of screeningequipment：outfluw medium—eonsisteney presure~ereenIJ J．China Pulp&Paper．2008．27(5)：41—44．)