（制漿造紙工程專業(yè)論文）中濃紙漿懸浮液流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究及cfd技術(shù)的應(yīng)用.pdf

摘要 摘要 中濃紙漿懸浮液是獨(dú)特的多相流體，由于其獨(dú)特的流變學(xué)特性及較高的氣體 含量，其流動(dòng)形態(tài)與其它多相體的流動(dòng)有所不同，在水平管道內(nèi)主要呈現(xiàn)塞流流 動(dòng)，在高剪切場內(nèi)會(huì)達(dá)到湍流狀態(tài)，其流動(dòng)特性與水的類似。本文從中濃紙漿的 多相流特性入手，采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)及虛擬儀器技術(shù)，對(duì)中濃紙漿在水平管 道內(nèi)的塞流流動(dòng)做了系統(tǒng)的研究，測定了中濃紙漿在不同外界作用條件下的流動(dòng) 速度，進(jìn)而確定了中濃紙漿在水平管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的剪切應(yīng)力與影響因素的關(guān)系，并 且從中濃紙漿的多孔介質(zhì)現(xiàn)象入手，論述了中濃紙漿在水平管內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定塞流狀 態(tài)時(shí)的流動(dòng)特性，并在f l u e n t 軟件平臺(tái)上對(duì)其塞流流動(dòng)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，數(shù) 值計(jì)算的結(jié)果證實(shí)了采用多相體流過多孔介質(zhì)的b l a k e - k o z e n y 數(shù)學(xué)模型可以較 好的描述中濃紙漿懸浮液塞流流動(dòng)中內(nèi)部的流速分布，在整個(gè)中濃紙漿懸浮液內(nèi) 部，液態(tài)水和氣體都會(huì)以一定的速度通過纖維網(wǎng)絡(luò)，而且氣體沿管壁內(nèi)側(cè)軸線方 向上的相對(duì)流動(dòng)速度要大于水的相對(duì)流速，紙漿中的氣體會(huì)沿絮聚團(tuán)周圍的空隙 尋找阻力最小的通道流動(dòng)，這些通道一旦形成，后續(xù)的氣體會(huì)延續(xù)這一流道，因 此中濃紙漿的塞流流動(dòng)極易造成流動(dòng)的不穩(wěn)定性。 其次本文對(duì)中濃紙漿在不同結(jié)構(gòu)類型湍流發(fā)生器作用下的三維湍流流動(dòng)進(jìn) 行了實(shí)驗(yàn)研究。中濃紙漿懸浮液的湍流流動(dòng)，其主體是尺度較小的絮聚團(tuán)的流動(dòng)， 中濃紙漿在高剪切作用力下，氣體被分離出來聚集在轉(zhuǎn)予的攪拌棒周圍，當(dāng)氣體 完全充滿轉(zhuǎn)子攪拌棒間的空間時(shí)，紙漿的漩流就會(huì)停止，此時(shí)轉(zhuǎn)子在氣相中旋轉(zhuǎn) 而不能再把動(dòng)力傳給紙漿懸浮液，造成所謂的“空化”現(xiàn)象?！叭畏? c u b i c ) ” 數(shù)學(xué)模型可以較好描述紙漿懸浮液所受剪切應(yīng)力與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速關(guān)系，而b p f b a c k p r o p a g a t i o n ) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型則可以很好的擬合紙漿懸浮液所受剪切應(yīng)力與轉(zhuǎn) 子轉(zhuǎn)速及濃度間的關(guān)系。本文同時(shí)根據(jù)多相流湍流流動(dòng)的r n g 一占模型模擬了 中濃紙漿懸浮液在剪切室內(nèi)的湍流流動(dòng)，計(jì)算了其流動(dòng)時(shí)的流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)，數(shù) 值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好的吻合，尤其是對(duì)湍動(dòng)動(dòng)能女及能量耗散率s 的預(yù)測 上，完全達(dá)到了工程設(shè)計(jì)所需要的精度要求。 與此同時(shí)，本文根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果顯示出的某種結(jié)構(gòu)湍流發(fā)生器對(duì)中濃紙 裝懸浮液產(chǎn)生的流場，對(duì)湍流發(fā)生器轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)根據(jù)中濃 紙漿懸浮液在流體化過程中能量耗散而使紙漿溫度快速升高的宏觀變化，根據(jù) 七一占湍流模型計(jì)算了中濃紙漿懸浮液湍流流動(dòng)的湍動(dòng)動(dòng)能、湍動(dòng)能耗散率等流動(dòng) 參數(shù)，并從能量耗散角度描述了中濃紙漿在絮聚物級(jí)水平上流體化的狀態(tài)點(diǎn)：當(dāng) 中濃紙漿懸浮液達(dá)到完全湍流狀態(tài)時(shí)，其湍動(dòng)動(dòng)能能量耗散率與外力作用時(shí)間在 數(shù)學(xué)上成線性函數(shù)，此時(shí)整個(gè)中濃紙漿流動(dòng)呈現(xiàn)一個(gè)均勻的、統(tǒng)一的流場。 華南理工大學(xué)博士學(xué)位論文 通過對(duì)中濃紙漿懸浮液流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)及c f d 模擬的研究，表明其在塞流流動(dòng)及 湍流流動(dòng)中分別可以用多孔介質(zhì)模型和r n g 膏一占的多相流模型來描述，采用實(shí) 驗(yàn)數(shù)據(jù)修正數(shù)學(xué)模型，模擬數(shù)值預(yù)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果的互相結(jié)合的研究手段是深入探討 中濃紙漿懸浮液流動(dòng)機(jī)理的較好的方法。 關(guān)鍵詞：中濃紙漿；塞流；湍流；c f d ；能量耗散 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h em e d i u m c o n s i s t e n c y ( m c ) p u l ps u s p e n s i o n si su n i q u em u l t i p h a s en o w ，t h e n o ws h a p ei sd i f b r e n tf r o mt h eo t h e rm u l t i p h a s ef l o wb e c a u s et h eu n i q u er h e o l o g i c b e h a v i o ra n dh i g hg a sc o i l t e n t s ，t h en o ws h 印ei st h ep l u gn o wi nt h ep i p e l i n ea n dt h e t u r b u l e n tn o wi nt h eh i g hs h e a rf i e l dw h i c hi ss i m i l a rw i t hw a t e r t h i st h e s i ss t u d i e d t h ep l u gn o wc h a r a c t e r i s t i co ft h em cp u l pi nt h ep i p e l i n eb a s e do nt h em u l t i p h a s e n o w t h e o r ya n ds e n s o ra n dv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y ，m e a s u r e dt h en o wv e l o c i t y o fm cp u l pu n d e rt h ed i f 托r e n te x t e r n a lc o n d i t i o n s t h er e l a t i o n s h i p so ft h es h e a r i n g s t r e s sa n di n n u e n c i n gf a c t o rw e r ed e t e r m i n e di nt h i st h e s i s a tt h es a i i l et i m e ，t h i s t h e s i sd i s c u s s e dt h en o wc h a r a c t e r i s t i co fm cp u l pi nt h es t a b l ep l u gn o wf r o mt h e p o i n to fv i e wo fp o r o u sm e d i u mp h e n o m e n o na n ds i m u l a t e dt h en o w c h a r a c t e “s t i cb y t h ef l u e n ts o f t w a t e t h er e s u l t so ft h en u m e r i c a ic o m p u t a t i o np r o v e dt h a tt h e b l a k e k o z e n ym a t h e m a t i cm o d e lc o u i dd e s c r i b et h ep i u gf l o wo ft h em cp u i p s u s p e n s i o n s t h ew a t e ra n dg a sc o u l dn o wt h r o u g ht h ep u l ps u s p e n s i o n s ，f h r t h e r m o r e ， t h ea x i a lv e l o c i t yo ft h eg a sw a sb i g g e rt h a nw a t e r s t h eg a sn o w e dt h r o u g ht h eg a p i nt h ep u l p ，i ft h eg a pc h a n n e lf b r m e d ，t h eg a ss h o u l dn o wt h r o u g hi t ，a n ds ot h ep l u g f i o wo fm c p u i ps u s p e n s i o n sc o u i dc a u s et h eu n s t a b i ef l o we a s i i y o nt h eo t h e rh a n d ，t h i st h e s i ss t u d i e dt h et u r b u l e n tn o wc h a r a c t e r i s t i co ft h em c p u l pe f i e c t e db yd i f f b r e n ts t r u c t u r et u r b u l e n tg e n e r a t o r t h em a i nb o d yo ft h em c p u l pt u r b u l e n tf l o ww a st h en o wo fs m a l l e rn o c ，t h eg a si nt h em cp u l ps e p a r a t e d f o mt h ep u l pu n d e rh i g hs h e a rs t r e s s ，t h eg a sa c c u m u l a t e da r o u dt h er o t or w h 訂et h e s h e a rh o u s ew a sf h l lo ft h eg a s ，t h et u r b u i e tf l o wo ft h em cp u l ps h o u l ds t o p ，i t c a l l e d “c a v i t a t i o n ”p h e n o m e n o n t h ec u b i cm o d e lc o u l dd e s c r i b et h er e l a t i o n s h i p so f t h es h e a rs t r e s sa n dt h er o t a t i o n a ls p e e do fr o t o r ，a n db pa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s c o u l df i tt h er e l a t i o n s h i p so fs h e a rs t r e s s ，t h er o t a t i o n a ls p e e do fr o t o ra n dt h e c o n s i s t e n d yo ft h em cp u i p m o r e o v e r ，t h i st h e s i ss i m u l a t e dt h et u r b u l e n tn o wo ft h e m cp u l pa c c o r d i n gt ot h em u l t i p h a s en o wr n g盂一gt u r b u l e n tm o d e l t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t sw e r ea n a s t o m o t i ca n d s i m u l a t i n gr e s u l t s ，e s p e c i a “y t h e s i m u l a t i n g r e s u l t sc o u l df b r e c a s tt h et u r b u l e n tk i n e t i c e n e r g y a n dt h e e n e r g y d i s s i p a t i o nr a t e t h i st h e s i sa l s oo p t i m i z e dt h es t r u c t u r eo ft h et u r b u l e n tg e n e r a t o rb a s e do nt h e s i m u l a t i n g r e s u l t s f u r t h e r m o r e ， t h et u r b u l e n tk i n e t i c e n e r g y a n dt h e e n e r g y i i i 華南理工大學(xué)博士學(xué)位論文 d i s s j p a t i o nr a t ew e r ec o m p u t e di nt h i st h e s i sb a s e do nt h ec h a n g eo ft h et e m p e r a t u r e d u r i n gt h en u i d i z a t i o nf o rm cp u l ps u s p e n s i o n sa n d 后一占t l l r b u l e n tm o d e l ，a n dt h e n u i d i z a t i o np o i n to fm cp u l pc o u l db ed e s c r i b e da sf b l l o w s ：w h e nt h em cp u l pw a s n u i d i z e d ，t h er e l a t i o n s h i p so fe n e r g yd i s s i p a t i o nr a t eo ft h et u r b u l e n tm cp u l p s u s p e n s i o n sa n dt h et i i n eo fe x t e m a lf o r c ew e r el i n e a r ，h e r et h ew h o l em cp u l p s u s p e n s i o n sw a sah o m o g e n e o u s 、 u n i t j z e dn o wn e l d a c c o r d i n gt os t u d yo ft h ee x p e r i m e n ta n dc f do ft h em cp u l ps u s p e n s i o n s ，t h e p l u gn o wo fm cp u l pc o u l db ed e s c r i b e db yp o r o u sm e d i u mm o d e la n dm et u r b u l e n t n o wc o u l db ed e s c r i b e db ym u l t i p h a s en o wo fr n g七一sm o d e l t h em e t h o do f e x p e r i m e n t a ld a t aa m e n d m e n to fm a t h e m a t i cm o d e la n ds i m u l a t i n gr e s u l t sf o r e c a s t t h ee x p 鰣】1 】鋤t a jf e s u 】t sw a sag o o dm e t b o df o f5 t u d y j n gt h ef 】o wc h 盯a c t e r j s “co ft b e m c p u l ps u s p e n s i o n s k e y w o r d s ：m e d i u m - c o n s i s t e n c yp u l ps u s p e n s i o n s ；p l u gn o w ；t u r b u l e n tn o w ；c f d e n e r g yd i s s i p a t i o n i v 華南理工大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取 得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其 他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè) 人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果 由本人承擔(dān)。 作者繇僭首辱嗍b ，年月矽日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué) 校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查 閱和借閱。本人授權(quán)華南理工大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入 有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本 學(xué)位論文。 保密口，在一年解密后適用本授權(quán)書。 本學(xué)位論文屬于 不保密酣 ( 請?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“”) 作者簽名 導(dǎo)師簽名 日期：2 曠吁年莎月f 日 日期：釕一年月胛 第一章緒論 1 1 前言 第一章緒論 造紙術(shù)是中國古代四大發(fā)明之一，雖然至今已有近兩千年的歷史，但仍然呈 現(xiàn)一派欣欣向榮的景象。根據(jù)中國造紙協(xié)會(huì)綜合調(diào)查i 】j ，2 0 0 3 年我國紙及紙板生 產(chǎn)企業(yè)約有3 5 0 0 家，全國紙及紙板生產(chǎn)量4 3 0 0 萬噸，消費(fèi)量4 8 0 6 萬噸，人均消 費(fèi)量為3 7 千克。根據(jù)中國輕工業(yè)“十五”規(guī)劃【2 l ，2 0 0 5 年，我國紙及紙板的消 費(fèi)量將達(dá)到5 0 0 0 萬噸，年均增長6 8 ，人均消費(fèi)量3 8 千克；而到2 0 1 5 年紙及 紙板消費(fèi)量將達(dá)到8 0 0 0 萬噸，年均增長4 8 ，人均消費(fèi)量達(dá)到5 6 千克【3 】，消費(fèi) 需求的不斷增長將是發(fā)展中國造紙行業(yè)的強(qiáng)大動(dòng)力，因此，現(xiàn)代造紙工業(yè)已經(jīng)成 為對(duì)國民經(jīng)濟(jì)有重大影響的大產(chǎn)業(yè)之一，成為與國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展息息相關(guān)的重要基 礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，同時(shí)由于現(xiàn)代造紙工業(yè)基本上實(shí)現(xiàn)了高度的機(jī)械連續(xù)化生產(chǎn)，使用了多 種纖維及化工原料，消耗大量熱能、電能及水，在整個(gè)生產(chǎn)監(jiān)控、組織協(xié)調(diào)、質(zhì) 量控制、污染防治、設(shè)備維護(hù)等方面要求高新技術(shù)裝備與高水平科技人才，因而 它也是技術(shù)密集型的產(chǎn)業(yè)。 1 2 造紙工業(yè)高新技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展 近幾年，世界制漿造紙工業(yè)高新技術(shù)發(fā)展迅速，對(duì)節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、提 高產(chǎn)品質(zhì)量、增加經(jīng)濟(jì)效益等方面發(fā)揮了巨大作用。現(xiàn)代造紙工業(yè)開發(fā)與應(yīng)用的 高新技術(shù)分類簡介如下【4 】【5 】： 1 、實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，減少對(duì)環(huán)境污染的科學(xué)技術(shù)； 包括中濃紙漿氧脫木素技術(shù)、中濃紙漿無元素氯漂白技術(shù)( 稱e c f 漂白) 、 中高濃紙漿全無氯漂白技術(shù)( 稱t c f 漂白) 、超高得率制漿技術(shù)、生物漂白技術(shù) 等： 2 、實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)能的科學(xué)技術(shù)； 中濃技術(shù)：包括中濃輸送、中濃混合、中濃篩選、中濃打漿等：廢水凈化回用 技術(shù)：包括洗滌一篩選用水封閉循環(huán)技術(shù)、紙漿漂白廢水逆流洗滌技術(shù)、造紙機(jī)的 白水凈化回用技術(shù)； 3 、提高紙頁質(zhì)量及生產(chǎn)效率的科學(xué)技術(shù)； 包括高速水力流漿箱( 白水稀釋調(diào)濃流漿箱) 、多層流漿箱及高濃流漿箱的應(yīng) 用；雙網(wǎng)成形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高速、高質(zhì)脫水成形；超級(jí)軟壓光技術(shù)；在文化用紙生 產(chǎn)中應(yīng)用靴式壓榨技術(shù)；紙張表面涂布與復(fù)合加工技術(shù)； 4 、現(xiàn)代信息化技術(shù)； 華南理工大學(xué)博士學(xué)位論文 包括單元化的信息技術(shù)應(yīng)用集散控制系統(tǒng)( d c s ) 【2 “，生產(chǎn)過程的質(zhì)量控 制系統(tǒng)( o c s ) ，設(shè)備運(yùn)行控制系統(tǒng)( m m c ) 等；部門電子信息技術(shù)管理系統(tǒng)的 應(yīng)用產(chǎn)品輔助設(shè)計(jì)( c a d ，c a e ) ，辦公自動(dòng)化( o a ) 等；高度集成的信息系 統(tǒng)( e r p ) 在企業(yè)內(nèi)部信息技術(shù)管理中的應(yīng)用。 在以上高新技術(shù)中，中濃技術(shù)占有很大比例，其對(duì)造紙工業(yè)中節(jié)省能源、減少 污染、實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)等方面發(fā)揮了巨大作用，我國造紙界的老專家余貽驥教授曾 指出：“目前制漿造紙工業(yè)節(jié)水、節(jié)能的主要新技術(shù)第一位就是中濃技術(shù)，中濃技 術(shù)的巨大節(jié)水、節(jié)能效益是值得造紙工業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的”【6 j 。 1 3 中濃制漿( m c ) 技術(shù) 中濃制漿技術(shù)( m e d i u mc o n s i s t e n c yt e c h n o l o g y ) 簡稱中濃技術(shù)或稱m c 技 術(shù)，是八十年代初期首先在北歐應(yīng)用的制漿新技術(shù)。它是在蒸煮( 或磨漿) 之后 以7 1 5 的質(zhì)量濃度進(jìn)行泵送、儲(chǔ)存、洗滌、篩選、漂白和打漿的制漿過程j ， 而在生產(chǎn)實(shí)踐中，通常采用的紙漿濃度在1 0 左右。造紙工業(yè)目前已推廣普及和 研制的先進(jìn)的節(jié)能和降低污染的高新技術(shù)中，中濃制漿技術(shù)占有極為重要的地位。 中濃技術(shù)的應(yīng)用克服了低濃制漿過程中存在的缺點(diǎn)，是高效、低耗、少污染的制 漿技術(shù)【8 】【9 。在制漿造紙工業(yè)中提高各工序中的紙漿濃度，使其達(dá)到中濃，這不 但對(duì)縮小設(shè)備規(guī)模，管道長度及廢液體積、減少纖維和化學(xué)藥品損失都有極為重 大的作用，而且可實(shí)現(xiàn)中濃度漂白，在漂白車間采用的在中高濃度條件下以對(duì)環(huán) 境友好的物質(zhì)( 0 2 ，h 2 0 2 ) 作為漂白劑的少污染漂白技術(shù)取代低濃紙漿氯化漂白和 次氯酸鹽漂白，對(duì)減少有毒漂白劑用量，降低廢液污染程度具有重大作用。因此 中濃制漿技術(shù)己成為制漿造紙工業(yè)的基本概念和基本方法【1 0 】【1 1 【1 2 】【1 3 l 。 實(shí)現(xiàn)中濃技術(shù)在造紙工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，首要解決的就是中濃紙漿的輸送問 題，因此，離心式中濃輸漿泵就成為中濃技術(shù)中的關(guān)鍵設(shè)備。 1 4 中濃紙漿輸送的關(guān)鍵設(shè)備一離心式中濃漿泵 傳統(tǒng)的離心式漿泵很難輸送質(zhì)量濃度超過7 的紙漿，因?yàn)榧垵{濃度( 質(zhì)量 濃度) 超過7 特別是l o 以上時(shí)，具有明顯的粘彈性質(zhì)，已基本上喪失了自身 流動(dòng)性，并且氣體含量很高，一般具有1 2 體積含量，極容易使離心泵產(chǎn)生“氣 縛”現(xiàn)象。因此，中濃漿泵必須裝載專用裝置一湍流發(fā)生器，通過旋轉(zhuǎn)，不僅可 以使中濃紙漿流體化，而且使紙漿內(nèi)的氣體與纖維懸浮液有效分離，進(jìn)而被真空 除氣系統(tǒng)從泵體內(nèi)抽出。但是，處于湍流發(fā)生器裝置作用下的中濃紙漿雖然已經(jīng) 處于湍流狀態(tài)，但一旦離開湍流發(fā)生器，纖維就會(huì)在極短的時(shí)間重新交織成網(wǎng)絡(luò) 塞體，瞬問喪失其紊流狀態(tài)，因此，解決中濃紙漿離心輸送的核心問題，是設(shè)計(jì) 2 第一章緒論 一個(gè)使紙漿經(jīng)過湍流發(fā)生器后仍處于湍流狀態(tài)、能有效去除紙漿中所含氣體、而 且流道寬、不易堵塞的高效、節(jié)能的離心泵i l 。 1 4 1 離心式中濃輸漿泵 世界上第一代商用離心式中濃漿泵由芬蘭在1 9 8 0 年生產(chǎn)出來【1 4 】，過去的二 十多年是第二代中濃泵的發(fā)展階段，如今第三代中濃漿泵已經(jīng)被開發(fā)出來，其中 芬蘭產(chǎn)m c e 系列中濃漿泵就是其中的代表，這種泵輸送紙漿的濃度在8 至1 8 之間。此類泵之所以可以輸送中濃、高溫、高壓的紙漿，關(guān)鍵在于它有一個(gè)獨(dú) 特的使紙漿流體化的攪拌葉輪，這個(gè)葉輪可稱為一個(gè)高效多功能的湍流發(fā)生器， 它具有很好的分離氣體的能力以及泵送物料的水力學(xué)性能，每天可以輸送最多達(dá) 5 0 0 0 噸絕干漿，泵壓頭達(dá)到2 2 0 米。m c e 中濃泵包括貯漿立管、泵送紙漿部分 和除氣系統(tǒng)【l ”。 圖1 1m c e 泵輸送中濃紙漿示意圖 f i g 1 1f e e d i n gt h em e d i u m c o n s i s t e n c yp u l pb ym c ep u m p 除了芬蘭以外，瑞典的k a m y r 公司在1 9 8 2 年生產(chǎn)出了自己的第一臺(tái)中濃漿 泵【7j ，該泵是在傳統(tǒng)離心泵的基礎(chǔ)上在開式葉輪前端安裝了三片伸入進(jìn)漿管內(nèi)呈 螺旋形的后傾葉片，葉輪的尾部開有若干小孔，使紙漿中的氣泡從葉輪中穿過被 泵后腔內(nèi)連接的真空泵抽走。近幾年，a h l s t r o m k a m y r 公司開發(fā)出一種新型m c 中濃漿泵，輸送的紙漿濃度可以高達(dá)1 8 ( 質(zhì)量濃度) ，壓頭1 5 0 m ，而且能耗低。 這種泵的特點(diǎn)在于真空泵的轉(zhuǎn)予與中濃泵的葉輪同軸安裝，在中濃泵的后腔內(nèi)實(shí) 現(xiàn)除氣操作，因此，這種泵使輸漿系統(tǒng)與除氣系統(tǒng)成為一個(gè)整體，結(jié)構(gòu)緊湊，控 制容易。 3 華南理工大學(xué)博士學(xué)位論文 美國的g o u l d sp u m p 公司生產(chǎn)的中濃泵除了一個(gè)從葉片延伸到貯漿立管內(nèi)的 湍流發(fā)生器以外，在泵的入漿口內(nèi)還有四片呈放射狀的葉片，作用是減弱從立管 來的紙漿的湍流流動(dòng)狀態(tài)而使紙漿在進(jìn)入泵體內(nèi)隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)做漩流流動(dòng)，增 加泵出口的壓頭。 奧地利a n d r i t z 公司的中濃漿泵采用分體式結(jié)構(gòu)，即湍流發(fā)生器、離心泵、 真空泵由各自的電機(jī)帶動(dòng)，湍流發(fā)生器轉(zhuǎn)子垂直伸入立管內(nèi)，轉(zhuǎn)子的軸為中空結(jié) 構(gòu)，紙漿內(nèi)的氣體在紙漿的高速旋轉(zhuǎn)下聚集在轉(zhuǎn)子中央通過空心軸被真空泵抽出， 其湍流發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖如下【j6 j ： 圖l 一2a n d r “z 公司s f 型中濃泵湍流發(fā)生器結(jié)構(gòu) f i g 1 2t h es fm cp u i n pt u r b u l e n tg e n e r a t o ro f a n d r i t zc o r p o r a t i o n 我國在8 0 年代末由陳克復(fù)教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組研制出了可以輸送中濃紙漿的 湍流式中濃泵【l ”，該課題組近二十年來一直致力于中濃制漿技術(shù)裝置的研究，在 我國中濃制漿技術(shù)領(lǐng)域具有先進(jìn)的水平。中濃制漿技術(shù)與裝置的國產(chǎn)化，牽制了 國外同類技術(shù)裝置的昂貴價(jià)格，打破了這些國家研制生產(chǎn)中濃制漿技術(shù)裝置的壟 斷地位，也可以進(jìn)一步推廣中高濃制漿漂白技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用。 綜上所述，離心式中濃漿泵的關(guān)鍵部件使中濃紙漿產(chǎn)生流體化狀態(tài)的湍流發(fā) 生器，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)直接影響到中濃紙漿流體化過程及其能量耗散，是關(guān)系到離心 式中濃漿泵輸送能力和工作效率的核心所在。 1 4 2 離心式中濃輸漿泵及湍流發(fā)生器的結(jié)構(gòu) 離心式中濃漿泵主要部件為湍流發(fā)生器、葉輪和脫氣裝置【l 副 4 第一章緒論 1 一湍流發(fā)生器2 一泵殼出漿口3 一泵體4 葉輪5 一脫氣出口 6 一機(jī)械密封7 一軸承8 一轉(zhuǎn)動(dòng)軸9 一軸承座支架 圖1 3 中濃泵結(jié)構(gòu)簡圖 f i g 1 3t h es t m c t u r eo fm cp u m p 1 - t u r b u l e n tg e n e r a t o r 2 一e x p o r to fp u m p3 p u m p4 一i n l p e l l e r5 一e x p o no fg a s 6 一m e c h a i l i c a ls e a l7 一a x l e t r e e8 1 i v es h a f t9 b e a r e ro fm e c h a l l i c a lb e a r i n g 湍流發(fā)生器是由裝在主軸上的伸入進(jìn)漿管內(nèi)的葉片和葉片間的若干矩形或螺 旋形肋板組成。這種湍流發(fā)生器在較高轉(zhuǎn)速下，( 例如：2 0 0 0r p m 以上) 對(duì)本身喪 失自由流動(dòng)性能的中濃紙漿產(chǎn)生高強(qiáng)剪切作用，使它實(shí)現(xiàn)流體化，具有近似于水 流的特性。在湍流發(fā)生器作用下，中濃紙漿處于三維湍流狀態(tài)，在作高速環(huán)向流 動(dòng)和高頻徑向脈動(dòng)的同時(shí)產(chǎn)生軸向流動(dòng)，而紙漿中的氣體聚集在湍流發(fā)生器中心。 此時(shí)，湍流發(fā)生器的進(jìn)漿口由于紙漿被吸到葉輪處而形成低壓區(qū)，致使其周圍的 紙漿在液面壓力作用下迅速地流向湍流發(fā)生器的進(jìn)漿口區(qū)域。這樣，中濃紙漿就 不斷地被吸入又不斷地被輸出。 如下是離心式中濃漿泵湍流發(fā)生器的幾種典型結(jié)構(gòu)： 華南理工大學(xué)博士學(xué)位論文 圖1 4 典型湍流發(fā)生器結(jié)構(gòu) f i g 1 - 4t h et y p i c a is t r u c t u r eo ft u r b u i e n tg e n e r a t o r 評(píng)價(jià)湍流發(fā)生器設(shè)計(jì)優(yōu)劣最基本的方法是測量中濃紙漿三維流動(dòng)空間內(nèi)的流 場分布以及能量耗散，進(jìn)而改進(jìn)湍流發(fā)生器的結(jié)構(gòu)，采用相應(yīng)的操作條件以最少 的能量消耗來獲得所需要的流場。但是由于中濃紙漿懸浮液主要是由固態(tài)纖維、 液態(tài)水和氣態(tài)空氣所組成，是一種三相共存的復(fù)雜的分散體，中濃紙漿懸浮液不 僅具有粘彈特性，纖維形成的絮聚網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度較高，而且因?yàn)闅怏w含量大幅提高， 已經(jīng)成為一種多孔介質(zhì)1 2 州，因此在湍流發(fā)生器的作用下處于多相湍流狀態(tài)，由于 本身具有不透明性，直接用儀器測量其流場非常困難。而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速 發(fā)展，近年來，國內(nèi)外普遍都在采用另一項(xiàng)研究復(fù)雜流場的新技術(shù)，這就是用c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 計(jì)算流體力學(xué)的方法來解析和模擬流場，通過 計(jì)算機(jī)模擬出某種結(jié)構(gòu)湍流發(fā)生器攪拌產(chǎn)生的流場，再結(jié)合中濃紙漿的流變學(xué)特 性和物理特性，對(duì)湍流發(fā)生器轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與開發(fā)，通過實(shí)驗(yàn)中先進(jìn) 的傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)測量湍流發(fā)生器對(duì)紙漿攪拌時(shí)的能量耗散和剪切應(yīng) 力，可以驗(yàn)證計(jì)算機(jī)模擬的正確性。因?yàn)椴捎胏 f d 方法的基礎(chǔ)和前提是對(duì)物理現(xiàn) 象本身的深刻認(rèn)識(shí)，因此，通過實(shí)驗(yàn)手段研究中濃紙漿的流動(dòng)機(jī)理和特性，再結(jié) 合計(jì)算機(jī)模擬對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的顯示和預(yù)測， 的多相流的流動(dòng)機(jī)理和流體動(dòng)力學(xué)特性， 理論基礎(chǔ)。 必將很好的揭示中濃紙漿流動(dòng)這種特殊 為工程上進(jìn)一步開發(fā)中濃技術(shù)裝備奠定 1 5 紙漿懸浮液物理特性的研究概述 1 5 1 按濃度區(qū)分紙漿的流動(dòng)特性 紙漿中纖維的存在直接影響自身的特征，纖維濃度越高，偏離于水流的物理 特性就越遠(yuǎn)，因此目前都是以濃度值來區(qū)分漿流的性質(zhì)特征的2 6 1 ，本文在研究紙 漿懸浮液的流動(dòng)特性時(shí)，都采用的是質(zhì)量濃度c 。如果從學(xué)術(shù)研究的角度來區(qū)分 6 第一章緒論 的化，紙漿懸浮液分為低濃紙漿( c 。o 6 ) 、中濃紙漿( 0 6 c 。 7 ) 和高濃紙 漿( c 。7 ) ；從紙漿輸送的角度或者造紙工業(yè)的工程傳統(tǒng)習(xí)慣來考慮的化，則 把質(zhì)量濃度c 。 7 時(shí)，稱為低濃紙漿懸浮液，可以用普通離心漿泵來輸送，對(duì)濃 度7 c 。s 1 5 的紙漿可稱為中濃紙漿，因?yàn)榭捎猛牧麟x心式中濃漿泵輸送，而 濃度在1 5 以上的紙漿則稱為高濃紙漿，可以用容積式高濃漿泵輸送。本文主要 研究了質(zhì)量濃度為1 0 的中濃紙漿懸浮液的流動(dòng)特性，對(duì)于其它濃度的紙漿則做 了對(duì)比性試驗(yàn)。 1 5 2 紙漿懸浮液纖維網(wǎng)絡(luò)的形成及特點(diǎn) 在紙漿懸浮液中，纖維與纖維之間的結(jié)合力主要有：范德華力、水橋聯(lián)結(jié)力、 纖維彈性彎蛆產(chǎn)生的內(nèi)聚力、靜電作用力等。k e r e k e s 則指出作用在纖維上的宏 觀作用力有三個(gè)”“：機(jī)械表面連接力、纖維由于彈性彎曲產(chǎn)生的內(nèi)聚力以及表面 拉伸力。纖維網(wǎng)絡(luò)之所以形成并具有一定強(qiáng)度，纖維彈性彎曲產(chǎn)生的內(nèi)聚力占主 導(dǎo)地位，這些力因?yàn)槔w維本身受到外界剪切應(yīng)力或流體動(dòng)力的作用之后彎曲變形 而產(chǎn)生。纖維形成穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)的基本條件有三個(gè)：濃度、流速和湍動(dòng)。紙漿濃度越 高，纖維越長，纖維絮聚團(tuán)或纖維網(wǎng)絡(luò)的尺寸就越大，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也越大。由于流 速的大小體現(xiàn)了管壁剪切應(yīng)力的大小，因此對(duì)于一定濃度的紙漿，流速越低，纖 維所形成的網(wǎng)絡(luò)就越穩(wěn)定。其次因?yàn)橹挥辛黧w動(dòng)力才能使纖維交織成纖維網(wǎng)絡(luò)， 當(dāng)紙漿在塞流狀態(tài)下已經(jīng)形成的纖維網(wǎng)絡(luò)成為一體而無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此纖維只有 在湍流場中交織。當(dāng)外界作用力減弱或者消失后，由于內(nèi)聚力的作用，于是在纖 維間產(chǎn)生了機(jī)械聯(lián)結(jié)和機(jī)械交織，從而形成了尺寸較大的纖維絮團(tuán)或纖維網(wǎng)絡(luò)， 并具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。當(dāng)達(dá)到中濃以后，由纖維絮團(tuán)組成的網(wǎng)絡(luò)將具備很高的 強(qiáng)度。 w a h r e n 研究了紙漿懸浮液體積濃度與纖維長徑比以及纖維與纖維之間接觸 次數(shù)之間的關(guān)系”，m a s o n ”做了層流狀態(tài)時(shí)纖維旋轉(zhuǎn)和碰撞模型的實(shí)驗(yàn)研究， 表明當(dāng)紙漿懸浮液在流動(dòng)的時(shí)候，不可避免的出現(xiàn)頻繁的纖維碰撞和機(jī)械交織引 起的絮聚現(xiàn)象，纖維絮聚情況與其流體力學(xué)行為之間存在著相關(guān)性。a n d e r s s o n ” 研究了在纖維沉積過程中纖維之間的相互作用，指出僅僅依靠懸浮粒子間的相互 吸引力是不足以造成絮聚的。純粹的化學(xué)吸附力對(duì)于纖維絮聚僅起到很小的作用， 而纖維表面上一些能起到類似魚鉤作用的不規(guī)則構(gòu)形，將對(duì)纖維的絮聚起到主要 的作用。 后來的研究表明，纖維網(wǎng)絡(luò)主要是由于纖維的彈性彎曲而形成，而纖維之間 的相互吸引力可以忽略，m a c k e n z i e 【2 5 】也證實(shí)了這個(gè)論點(diǎn)，即通過打漿可以削弱 纖維網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)度。因?yàn)槔w維的彈性彎曲變形又主要來源于流體剪切應(yīng)力的作用， 只有借助流體動(dòng)力才有足夠的力量使每根纖維進(jìn)行平移或旋轉(zhuǎn)，從而有機(jī)會(huì)與周 7 華南理工大學(xué)博士學(xué)位論文 圍的相鄰纖維相互碰撞纏結(jié)而形成網(wǎng)絡(luò)1 26 1 。在中濃紙漿懸浮液中，絮聚團(tuán)間的纏 結(jié)和機(jī)械連接力已經(jīng)構(gòu)成纖維網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度的宏觀作用力，即使在高剪切場內(nèi)產(chǎn)生流 體化狀態(tài)，其絮聚團(tuán)仍是表征其流體動(dòng)力學(xué)特性的主體。 1 5 3 紙漿懸浮液纖維之間的絮聚 ( 一) 低濃紙漿懸浮液中的纖維絮聚 在紙漿流動(dòng)中，纖維網(wǎng)絡(luò)是一種均質(zhì)物體，纖維在網(wǎng)絡(luò)中是均勻分布的。但 是在紙漿輸送中由于存在彎頭、堵頭等“死角”區(qū)域，在這些區(qū)域，由于流速的 限制，纖維要更緊密交織和纏結(jié)，形成絮聚團(tuán)。與網(wǎng)絡(luò)相比，絮聚團(tuán)具有更大的 交織力，也只有更大的剪切應(yīng)力才能把它們分散。 k e r e k e s 通過研究，導(dǎo)出群集因子的概念【2 7 l 來表征纖維之間形成絮聚團(tuán)的相 互作用。群集因子n 是指在紙漿懸浮液中一個(gè)以纖維長度為直徑的球形體積內(nèi)， 所包容的纖維數(shù)量，它與纖維體積濃度，長徑比，以及質(zhì)量濃度問的關(guān)系如下： = ；g c 妒警 式中：g 纖維的體積濃度； l 一纖維的長度； d 一纖維直徑； 巴一纖維的質(zhì)量濃度； w 纖維的粗糙度 群集因子概括了紙漿濃度、纖維形態(tài)等參數(shù)對(duì)絮聚趨向的影響，可較全面地 描述纖維絮聚的特征。k e r e k e s 用尼龍纖維、冷杉和紅松等木漿纖維進(jìn)行了驗(yàn)證， 得出了n 值與漿流絮聚的變化趨勢。研究表明，當(dāng)n 6 0 ，纖維已濃縮 并形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，在6 0 n 1 3 0 范圍內(nèi)，纖維網(wǎng)絡(luò)已形成足夠強(qiáng)度。因此纖維 懸浮液的絮聚程度劃分為三種類型( 見表1 1 ) ，這給絮聚研究中的定量描述帶來了 極大的方便。 8 第一章緒論 表1 1纖維懸浮液絮聚特性 t a b 1 1t h en o c c u l e n tc h a r a c t e r i s t i co f p u l ps u s p e n s i o n 纖維間的 類型n 值 接觸形式 稀釋型偶然碰撞 n 1 半濃縮型受迫碰撞1 2 x1 口6 o 0 7 【! c t m p 2 氣一 j ， 力 p s p 么 34s 6 7b91 0 c 塒 圖1 7c t m p 與p s p 無量綱損耗模量與濃度的關(guān)系 f i g 1 6t h er e l a t i o n s h i po fc t m p 、p s p n o n - d i m e n s i 。nl o s sm 。d u l u sa n d c 。n 8 i s t e n c y 華南理工大學(xué)博士學(xué)位論文 表l 一3 紙漿濃度與屈服應(yīng)力的關(guān)系 7 r a b 1 - 3t h er e l a t i o n s h i po fp u l pc o n s i s t e n c ya n dy i e l ds t r e s s 1 6 紙漿懸浮液流動(dòng)特性的研究概述 1 6 1 低濃紙漿懸浮液塞流流動(dòng)的研究概述 低濃紙漿在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于濃度較低，紙漿中的纖維互不交織或交織的 網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定。流速稍為增加，所產(chǎn)生的管壁剪切力就足以使網(wǎng)絡(luò)分散。d u f f y 1 研究了紙漿流動(dòng)時(shí)的壓頭損失：紙漿懸浮液不同于其它的固液兩相懸浮液( 泥漿) 以及其它非牛頓流體的流動(dòng)，即使在低濃狀態(tài)下，紙漿懸浮液內(nèi)部也有纖維的纏 結(jié)，對(duì)于化學(xué)漿和機(jī)械漿來說，在低速的塞流狀態(tài)下所受的摩擦阻力比水的要大 的多。紙漿的流動(dòng)特性曲線如圖卜8 所示。在a 點(diǎn)以前，紙漿的流速很小時(shí)，例 如平均流速小于o 0 3 m s 時(shí)，紙漿的流動(dòng)與水在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)狀態(tài)相同，水 則按照d a r c v 定律流過纖維網(wǎng)絡(luò)“。纖維網(wǎng)絡(luò)在壓力作用下從有移動(dòng)的趨勢到開 始移動(dòng)時(shí)，纖維懸浮液的流動(dòng)壓頭損失完全取決于管道內(nèi)壁與網(wǎng)絡(luò)塞體表面之間 的摩擦力大小，這時(shí)的摩擦阻力就像固體在推力作用下由靜止摩擦到動(dòng)摩擦的狀 態(tài)一樣，需要消耗比平常情況下大得多的壓頭損失，也就是紙漿輸送中的啟動(dòng)阻 力。漿流在一定的動(dòng)力作用下克服啟動(dòng)阻力，進(jìn)入a b 流段。 壓頭損失壘蘭 l 圖1 8 低濃紙漿懸浮液的流動(dòng)特性曲線( 對(duì)數(shù)坐標(biāo)) f i g 1 詔c o m p a r i s o no fh e a dl o s sc u n 7 e sf o r 、x ，a t e ra n dt h ep u l ps u s p e n s i o n 1 2 第一章緒論 紙漿懸浮液在a b 段所對(duì)應(yīng)的流動(dòng)區(qū)域間流動(dòng)時(shí)，隨著流速繼續(xù)增加，纖維 網(wǎng)絡(luò)在移動(dòng)中被壓縮，網(wǎng)絡(luò)塞體與管壁直接摩擦。由于網(wǎng)絡(luò)塞體移動(dòng)時(shí)具有的慣 性作用，雖然流速增加了，但紙漿克服管壁摩擦所引起的壓頭損失卻差不多保持 常數(shù)。纖維網(wǎng)絡(luò)塞體中一些突出塞體表面處于懸掛狀態(tài)的纖維微團(tuán)在水力剪切應(yīng) 力的作用下會(huì)不斷從纖維網(wǎng)絡(luò)中分離出來，并沿著塞體表面在纖維網(wǎng)絡(luò)和管壁之 間的水環(huán)中不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)的水環(huán)是不連續(xù)的。綜合國內(nèi)外的研究資料，可以認(rèn) 為，紙漿在這段區(qū)間的流動(dòng)中，網(wǎng)絡(luò)塞體與管壁的直接摩擦和水環(huán)的水力剪切兩 者都影響著紙漿流動(dòng)的壓頭損失。由于網(wǎng)絡(luò)塞體與管壁間的水環(huán)只是局部形成， 因此在這段區(qū)間的流動(dòng)中，纖維網(wǎng)絡(luò)塞體與管壁的直接摩擦還是決定壓頭損失的 主要因素。 在b c 段，網(wǎng)絡(luò)塞體與管壁問的水環(huán)已是連貫的穩(wěn)定的流體層，水環(huán)中的水力 剪切力代替了網(wǎng)絡(luò)與管壁的直接摩擦力，因此在管壁與網(wǎng)絡(luò)表面之間出現(xiàn)了一層 薄薄的、連續(xù)的水環(huán)，而且速度越大，水環(huán)厚度增加，壓頭損失越小。在此區(qū)間， 水環(huán)內(nèi)的流動(dòng)為層流狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)仍為個(gè)整體向前滑移，因此也把這種流動(dòng)狀態(tài) 稱為“層流環(huán)塞流”。水環(huán)流的出現(xiàn)，避免了網(wǎng)絡(luò)表面與管壁的直接擠壓和摩擦， 流動(dòng)的壓頭損失主要表現(xiàn)為克服水環(huán)流與管壁問的摩擦損失。由于水環(huán)流與管壁 間的摩擦損失比起纖維網(wǎng)絡(luò)與管壁的摩擦阻力要小得多，因而壓頭損失出現(xiàn)了下 降的趨勢。 當(dāng)紙漿的流速達(dá)到c 點(diǎn)以后的流速值時(shí)，由于流速的增大，管壁處速度梯度 隨著增大，水環(huán)由于水力剪切力的提高而出現(xiàn)湍動(dòng)，穩(wěn)定流動(dòng)消失，流速增大， 湍動(dòng)程度加劇。因而紙漿的壓頭損失開始又隨流速的增加而增大。 當(dāng)速度增加到d 點(diǎn)，漿流的壓頭損失與水流的壓頭損失在同樣的流速下達(dá)到 一致，這是漿流的壓頭損失出現(xiàn)“壓力減小”現(xiàn)象的開始。也就是說，在速度增 加到一定的值以后，漿流的壓頭損失比同樣速度下水流的壓頭損失要小。產(chǎn)生這 種現(xiàn)象的原因是多方面的，根據(jù)m e t z n e r 的論述，主要?dú)w因于纖維的存在，水介 質(zhì)中的纖維抑制了湍流場中渦旋的形成，從而使管壁剪切應(yīng)力減小，且濃度越高， “阻力減小”現(xiàn)象越明顯。 1 6 2 中濃紙漿懸浮液塞流流動(dòng)的研究概述 s o 年代以來，中濃技術(shù)( m c ) 的研究越來越受到人們的重視，尤其是針對(duì) 質(zhì)量濃度在7 一1 5 之間的中濃紙漿泵送、混合、篩選系統(tǒng)的研究和開發(fā) 【3 0 】【3 1 】【32 1 。在流動(dòng)特性的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，主要集中在中濃紙漿的屈服應(yīng)力、所受 剪切應(yīng)力和流變學(xué)特性上 3 3 】【3 4 】【35 1 。 g u l l