（制漿造紙工程專業(yè)論文）中濃紙漿懸浮液流動的實驗研究及cfd技術的應用.pdf

摘要 摘要 中濃紙漿懸浮液是獨特的多相流體，由于其獨特的流變學特性及較高的氣體 含量，其流動形態(tài)與其它多相體的流動有所不同，在水平管道內(nèi)主要呈現(xiàn)塞流流 動，在高剪切場內(nèi)會達到湍流狀態(tài)，其流動特性與水的類似。本文從中濃紙漿的 多相流特性入手，采用先進的傳感器技術及虛擬儀器技術，對中濃紙漿在水平管 道內(nèi)的塞流流動做了系統(tǒng)的研究，測定了中濃紙漿在不同外界作用條件下的流動 速度，進而確定了中濃紙漿在水平管內(nèi)流動時的剪切應力與影響因素的關系，并 且從中濃紙漿的多孔介質現(xiàn)象入手，論述了中濃紙漿在水平管內(nèi)達到穩(wěn)定塞流狀 態(tài)時的流動特性，并在f l u e n t 軟件平臺上對其塞流流動進行了計算機模擬，數(shù) 值計算的結果證實了采用多相體流過多孔介質的b l a k e - k o z e n y 數(shù)學模型可以較 好的描述中濃紙漿懸浮液塞流流動中內(nèi)部的流速分布，在整個中濃紙漿懸浮液內(nèi) 部，液態(tài)水和氣體都會以一定的速度通過纖維網(wǎng)絡，而且氣體沿管壁內(nèi)側軸線方 向上的相對流動速度要大于水的相對流速，紙漿中的氣體會沿絮聚團周圍的空隙 尋找阻力最小的通道流動，這些通道一旦形成，后續(xù)的氣體會延續(xù)這一流道，因 此中濃紙漿的塞流流動極易造成流動的不穩(wěn)定性。 其次本文對中濃紙漿在不同結構類型湍流發(fā)生器作用下的三維湍流流動進 行了實驗研究。中濃紙漿懸浮液的湍流流動，其主體是尺度較小的絮聚團的流動， 中濃紙漿在高剪切作用力下，氣體被分離出來聚集在轉予的攪拌棒周圍，當氣體 完全充滿轉子攪拌棒間的空間時，紙漿的漩流就會停止，此時轉子在氣相中旋轉 而不能再把動力傳給紙漿懸浮液，造成所謂的“空化”現(xiàn)象。“三次方( c u b i c ) ” 數(shù)學模型可以較好描述紙漿懸浮液所受剪切應力與轉子轉速關系，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)絡模型則可以很好的擬合紙漿懸浮液所受剪切應力與轉 子轉速及濃度間的關系。本文同時根據(jù)多相流湍流流動的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，計算了其流動時的流體動力學參數(shù)，數(shù) 值計算結果與實驗結果較好的吻合，尤其是對湍動動能女及能量耗散率s 的預測 上，完全達到了工程設計所需要的精度要求。 與此同時，本文根據(jù)計算機模擬結果顯示出的某種結構湍流發(fā)生器對中濃紙 裝懸浮液產(chǎn)生的流場，對湍流發(fā)生器轉子的結構進行了優(yōu)化設計。同時根據(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) 七一占湍流模型計算了中濃紙漿懸浮液湍流流動的湍動動能、湍動能耗散率等流動 參數(shù)，并從能量耗散角度描述了中濃紙漿在絮聚物級水平上流體化的狀態(tài)點：當 中濃紙漿懸浮液達到完全湍流狀態(tài)時，其湍動動能能量耗散率與外力作用時間在 數(shù)學上成線性函數(shù)，此時整個中濃紙漿流動呈現(xiàn)一個均勻的、統(tǒng)一的流場。 華南理工大學博士學位論文 通過對中濃紙漿懸浮液流動的實驗及c f d 模擬的研究，表明其在塞流流動及 湍流流動中分別可以用多孔介質模型和r n g 膏一占的多相流模型來描述，采用實 驗數(shù)據(jù)修正數(shù)學模型，模擬數(shù)值預測實驗結果的互相結合的研究手段是深入探討 中濃紙漿懸浮液流動機理的較好的方法。 關鍵詞：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 華南理工大學博士學位論文 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 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取 得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其 他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個 人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果 由本人承擔。 作者繇僭首辱嗍b ，年月矽日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學 校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查 閱和借閱。本人授權華南理工大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入 有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本 學位論文。 保密口，在一年解密后適用本授權書。 本學位論文屬于 不保密酣 ( 請在以上相應方框內(nèi)打“”) 作者簽名 導師簽名 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)會綜合調查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，消費量4 8 0 6 萬噸，人均消 費量為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 費量將達到5 0 0 0 萬噸，年均增長6 8 ，人均消費量3 8 千克；而到2 0 1 5 年紙及 紙板消費量將達到8 0 0 0 萬噸，年均增長4 8 ，人均消費量達到5 6 千克【3 】，消費 需求的不斷增長將是發(fā)展中國造紙行業(yè)的強大動力，因此，現(xiàn)代造紙工業(yè)已經(jīng)成 為對國民經(jīng)濟有重大影響的大產(chǎn)業(yè)之一，成為與國民經(jīng)濟發(fā)展息息相關的重要基 礎產(chǎn)業(yè)，同時由于現(xiàn)代造紙工業(yè)基本上實現(xiàn)了高度的機械連續(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，在整個生產(chǎn)監(jiān)控、組織協(xié)調、質 量控制、污染防治、設備維護等方面要求高新技術裝備與高水平科技人才，因而 它也是技術密集型的產(chǎn)業(yè)。 1 2 造紙工業(yè)高新技術的應用與發(fā)展 近幾年，世界制漿造紙工業(yè)高新技術發(fā)展迅速，對節(jié)約能源、保護環(huán)境、提 高產(chǎn)品質量、增加經(jīng)濟效益等方面發(fā)揮了巨大作用?，F(xiàn)代造紙工業(yè)開發(fā)與應用的 高新技術分類簡介如下【4 】【5 】： 1 、實現(xiàn)清潔生產(chǎn)，減少對環(huán)境污染的科學技術； 包括中濃紙漿氧脫木素技術、中濃紙漿無元素氯漂白技術( 稱e c f 漂白) 、 中高濃紙漿全無氯漂白技術( 稱t c f 漂白) 、超高得率制漿技術、生物漂白技術 等： 2 、實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)能的科學技術； 中濃技術：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：包括洗滌一篩選用水封閉循環(huán)技術、紙漿漂白廢水逆流洗滌技術、造紙機的 白水凈化回用技術； 3 、提高紙頁質量及生產(chǎn)效率的科學技術； 包括高速水力流漿箱( 白水稀釋調濃流漿箱) 、多層流漿箱及高濃流漿箱的應 用；雙網(wǎng)成形技術，實現(xiàn)高速、高質脫水成形；超級軟壓光技術；在文化用紙生 產(chǎn)中應用靴式壓榨技術；紙張表面涂布與復合加工技術； 4 、現(xiàn)代信息化技術； 華南理工大學博士學位論文 包括單元化的信息技術應用集散控制系統(tǒng)( d c s ) 【2 “，生產(chǎn)過程的質量控 制系統(tǒng)( o c s ) ，設備運行控制系統(tǒng)( m m c ) 等；部門電子信息技術管理系統(tǒng)的 應用產(chǎn)品輔助設計( c a d ，c a e ) ，辦公自動化( o a ) 等；高度集成的信息系 統(tǒng)( e r p ) 在企業(yè)內(nèi)部信息技術管理中的應用。 在以上高新技術中，中濃技術占有很大比例，其對造紙工業(yè)中節(jié)省能源、減少 污染、實現(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)能的主要新技術第一位就是中濃技術，中濃技 術的巨大節(jié)水、節(jié)能效益是值得造紙工業(yè)進一步發(fā)展的”【6 j 。 1 3 中濃制漿( m c ) 技術 中濃制漿技術( 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 ) 簡稱中濃技術或稱m c 技 術，是八十年代初期首先在北歐應用的制漿新技術。它是在蒸煮( 或磨漿) 之后 以7 1 5 的質量濃度進行泵送、儲存、洗滌、篩選、漂白和打漿的制漿過程j ， 而在生產(chǎn)實踐中，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 研制的先進的節(jié)能和降低污染的高新技術中，中濃制漿技術占有極為重要的地位。 中濃技術的應用克服了低濃制漿過程中存在的缺點，是高效、低耗、少污染的制 漿技術【8 】【9 。在制漿造紙工業(yè)中提高各工序中的紙漿濃度，使其達到中濃，這不 但對縮小設備規(guī)模，管道長度及廢液體積、減少纖維和化學藥品損失都有極為重 大的作用，而且可實現(xiàn)中濃度漂白，在漂白車間采用的在中高濃度條件下以對環(huán) 境友好的物質( 0 2 ，h 2 0 2 ) 作為漂白劑的少污染漂白技術取代低濃紙漿氯化漂白和 次氯酸鹽漂白，對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 。 實現(xiàn)中濃技術在造紙工業(yè)中的廣泛應用，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中的關鍵設備。 1 4 中濃紙漿輸送的關鍵設備一離心式中濃漿泵 傳統(tǒng)的離心式漿泵很難輸送質量濃度超過7 的紙漿，因為紙漿濃度( 質量 濃度) 超過7 特別是l o 以上時，具有明顯的粘彈性質，已基本上喪失了自身 流動性，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，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，纖維就會在極短的時間重新交織成網(wǎng)絡 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，是設計 2 第一章緒論 一個使紙漿經(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，關鍵在于它有一個獨 特的使紙漿流體化的攪拌葉輪，這個葉輪可稱為一個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性能，每天可以輸送最多達 5 0 0 0 噸絕干漿，泵壓頭達到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)出了自己的第一臺中濃漿 泵【7j ，該泵是在傳統(tǒng)離心泵的基礎上在開式葉輪前端安裝了三片伸入進漿管內(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1 8 ( 質量濃度) ，壓頭1 5 0 m ，而且能耗低。 這種泵的特點在于真空泵的轉予與中濃泵的葉輪同軸安裝，在中濃泵的后腔內(nèi)實 現(xiàn)除氣操作，因此，這種泵使輸漿系統(tǒng)與除氣系統(tǒng)成為一個整體，結構緊湊，控 制容易。 3 華南理工大學博士學位論文 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狀態(tài)而使紙漿在進入泵體內(nèi)隨著葉輪的旋轉做漩流流動，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構，即湍流發(fā)生器、離心泵、 真空泵由各自的電機帶動，湍流發(fā)生器轉子垂直伸入立管內(nèi)，轉子的軸為中空結 構，紙漿內(nèi)的氣體在紙漿的高速旋轉下聚集在轉子中央通過空心軸被真空泵抽出， 其湍流發(fā)生器結構圖如下【j6 j ： 圖l 一2a n d r “z 公司s f 型中濃泵湍流發(fā)生器結構 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 年代末由陳克復教授領導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裝置的研究，在 我國中濃制漿技術領域具有先進的水平。中濃制漿技術與裝置的國產(chǎn)化，牽制了 國外同類技術裝置的昂貴價格，打破了這些國家研制生產(chǎn)中濃制漿技術裝置的壟 斷地位，也可以進一步推廣中高濃制漿漂白技術在國內(nèi)的應用。 綜上所述，離心式中濃漿泵的關鍵部件使中濃紙漿產(chǎn)生流體化狀態(tài)的湍流發(fā) 生器，其設計結構直接影響到中濃紙漿流體化過程及其能量耗散，是關系到離心 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)生器的結構 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 一機械密封7 一軸承8 一轉動軸9 一軸承座支架 圖1 3 中濃泵結構簡圖 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)生器在較高轉速下，( 例如：2 0 0 0r p m 以上) 對本身喪 失自由流動性能的中濃紙漿產(chǎn)生高強剪切作用，使它實現(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 動和高頻徑向脈動的同時產(chǎn)生軸向流動，而紙漿中的氣體聚集在湍流發(fā)生器中心。 此時，湍流發(fā)生器的進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)生器的幾種典型結構： 華南理工大學博士學位論文 圖1 4 典型湍流發(fā)生器結構 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 評價湍流發(fā)生器設計優(yōu)劣最基本的方法是測量中濃紙漿三維流動空間內(nèi)的流 場分布以及能量耗散，進而改進湍流發(fā)生器的結構，采用相應的操作條件以最少 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)絡強度較高，而且因為氣體含量大幅提高， 已經(jīng)成為一種多孔介質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。而隨著計算機技術的飛速 發(fā)展，近年來，國內(nèi)外普遍都在采用另一項研究復雜流場的新技術，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 ) 計算流體力學的方法來解析和模擬流場，通過 計算機模擬出某種結構湍流發(fā)生器攪拌產(chǎn)生的流場，再結合中濃紙漿的流變學特 性和物理特性，對湍流發(fā)生器轉子的結構進行優(yōu)化設計與開發(fā)，通過實驗中先進 的傳感器技術和數(shù)據(jù)采集技術測量湍流發(fā)生器對紙漿攪拌時的能量耗散和剪切應 力，可以驗證計算機模擬的正確性。因為采用c f d 方法的基礎和前提是對物理現(xiàn) 象本身的深刻認識，因此，通過實驗手段研究中濃紙漿的流動機理和特性，再結 合計算機模擬對實驗結果的顯示和預測， 的多相流的流動機理和流體動力學特性， 理論基礎。 必將很好的揭示中濃紙漿流動這種特殊 為工程上進一步開發(fā)中濃技術裝備奠定 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，因此目前都是以濃度值來區(qū)分漿流的性質特征的2 6 1 ，本文在研究紙 漿懸浮液的流動特性時，都采用的是質量濃度c 。如果從學術研究的角度來區(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)習慣來考慮的化，則 把質量濃度c 。 7 時，稱為低濃紙漿懸浮液，可以用普通離心漿泵來輸送，對濃 度7 c 。s 1 5 的紙漿可稱為中濃紙漿，因為可用湍流離心式中濃漿泵輸送，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 研究了質量濃度為1 0 的中濃紙漿懸浮液的流動特性，對于其它濃度的紙漿則做 了對比性試驗。 1 5 2 紙漿懸浮液纖維網(wǎng)絡的形成及特點 在紙漿懸浮液中，纖維與纖維之間的結合力主要有：范德華力、水橋聯(lián)結力、 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”“：機械表面連接力、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)絡之所以形成并具有一定強度，纖維彈性彎曲產(chǎn)生的內(nèi)聚力占主 導地位，這些力因為纖維本身受到外界剪切應力或流體動力的作用之后彎曲變形 而產(chǎn)生。纖維形成穩(wěn)定網(wǎng)絡的基本條件有三個：濃度、流速和湍動。紙漿濃度越 高，纖維越長，纖維絮聚團或纖維網(wǎng)絡的尺寸就越大，結構強度也越大。由于流 速的大小體現(xiàn)了管壁剪切應力的大小，因此對于一定濃度的紙漿，流速越低，纖 維所形成的網(wǎng)絡就越穩(wěn)定。其次因為只有流體動力才能使纖維交織成纖維網(wǎng)絡， 當紙漿在塞流狀態(tài)下已經(jīng)形成的纖維網(wǎng)絡成為一體而無相對運動，因此纖維只有 在湍流場中交織。當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)生了機械聯(lián)結和機械交織，從而形成了尺寸較大的纖維絮團或纖維網(wǎng)絡， 并具有一定的結構強度。當達到中濃以后，由纖維絮團組成的網(wǎng)絡將具備很高的 強度。 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)之間的關系”，m a s o n ”做了層流狀態(tài)時纖維旋轉和碰撞模型的實驗研究， 表明當紙漿懸浮液在流動的時候，不可避免的出現(xiàn)頻繁的纖維碰撞和機械交織引 起的絮聚現(xiàn)象，纖維絮聚情況與其流體力學行為之間存在著相關性。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。純粹的化學吸附力對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)則構形，將對纖維的絮聚起到主要 的作用。 后來的研究表明，纖維網(wǎng)絡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 】也證實了這個論點，即通過打漿可以削弱 纖維網(wǎng)絡的強度。因為纖維的彈性彎曲變形又主要來源于流體剪切應力的作用， 只有借助流體動力才有足夠的力量使每根纖維進行平移或旋轉，從而有機會與周 7 華南理工大學博士學位論文 圍的相鄰纖維相互碰撞纏結而形成網(wǎng)絡1 26 1 。在中濃紙漿懸浮液中，絮聚團間的纏 結和機械連接力已經(jīng)構成纖維網(wǎng)絡強度的宏觀作用力，即使在高剪切場內(nèi)產(chǎn)生流 體化狀態(tài)，其絮聚團仍是表征其流體動力學特性的主體。 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 在紙漿流動中，纖維網(wǎng)絡是一種均質物體，纖維在網(wǎng)絡中是均勻分布的。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，形成絮聚團。與網(wǎng)絡相比，絮聚團具有更大的 交織力，也只有更大的剪切應力才能把它們分散。 k e r e k e s 通過研究，導出群集因子的概念【2 7 l 來表征纖維之間形成絮聚團的相 互作用。群集因子n 是指在紙漿懸浮液中一個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，以及質量濃度問的關系如下： = ；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行了驗證， 得出了n 值與漿流絮聚的變化趨勢。研究表明，當n 6 0 ，纖維已濃縮 并形成連續(xù)的網(wǎng)絡，在6 0 n 1 3 0 范圍內(nèi)，纖維網(wǎng)絡已形成足夠強度。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 華南理工大學博士學位論文 表l 一3 紙漿濃度與屈服應力的關系 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 紙漿懸浮液流動特性的研究概述 1 6 1 低濃紙漿懸浮液塞流流動的研究概述 低濃紙漿在管道內(nèi)流動時，由于濃度較低，紙漿中的纖維互不交織或交織的 網(wǎng)絡不穩(wěn)定。流速稍為增加，所產(chǎn)生的管壁剪切力就足以使網(wǎng)絡分散。d u f f y 1 研究了紙漿流動時的壓頭損失：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，即使在低濃狀態(tài)下，紙漿懸浮液內(nèi)部也有纖維的纏 結，對于化學漿和機械漿來說，在低速的塞流狀態(tài)下所受的摩擦阻力比水的要大 的多。紙漿的流動特性曲線如圖卜8 所示。在a 點以前，紙漿的流速很小時，例 如平均流速小于o 0 3 m s 時，紙漿的流動與水在多孔介質中的流動狀態(tài)相同，水 則按照d a r c v 定律流過纖維網(wǎng)絡“。纖維網(wǎng)絡在壓力作用下從有移動的趨勢到開 始移動時，纖維懸浮液的流動壓頭損失完全取決于管道內(nèi)壁與網(wǎng)絡塞體表面之間 的摩擦力大小，這時的摩擦阻力就像固體在推力作用下由靜止摩擦到動摩擦的狀 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阻 力。漿流在一定的動力作用下克服啟動阻力，進入a b 流段。 壓頭損失壘蘭 l 圖1 8 低濃紙漿懸浮液的流動特性曲線( 對數(shù)坐標) 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 段所對應的流動區(qū)域間流動時，隨著流速繼續(xù)增加，纖維 網(wǎng)絡在移動中被壓縮，網(wǎng)絡塞體與管壁直接摩擦。由于網(wǎng)絡塞體移動時具有的慣 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)絡塞體中一些突出塞體表面處于懸掛狀態(tài)的纖維微團在水力剪切應 力的作用下會不斷從纖維網(wǎng)絡中分離出來，并沿著塞體表面在纖維網(wǎng)絡和管壁之 間的水環(huán)中不斷轉動，此時的水環(huán)是不連續(xù)的。綜合國內(nèi)外的研究資料，可以認 為，紙漿在這段區(qū)間的流動中，網(wǎng)絡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的壓頭損失。由于網(wǎng)絡塞體與管壁間的水環(huán)只是局部形成， 因此在這段區(qū)間的流動中，纖維網(wǎng)絡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)絡與管壁的直接摩擦力，因此在管壁與網(wǎng)絡表面之間出現(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)的流動為層流狀態(tài)，網(wǎng)絡仍為個整體向前滑移，因此也把這種流動狀態(tài) 稱為“層流環(huán)塞流”。水環(huán)流的出現(xiàn)，避免了網(wǎng)絡表面與管壁的直接擠壓和摩擦， 流動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。 當紙漿的流速達到c 點以后的流速值時，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，穩(wěn)定流動消失，流速增大， 湍動程度加劇。因而紙漿的壓頭損失開始又隨流速的增加而增大。 當速度增加到d 點，漿流的壓頭損失與水流的壓頭損失在同樣的流速下達到 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，主要歸因于纖維的存在，水介 質中的纖維抑制了湍流場中渦旋的形成，從而使管壁剪切應力減小，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的研究概述 s o 年代以來，中濃技術( m c ) 的研究越來越受到人們的重視，尤其是針對 質量濃度在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 。在流動特性的基礎研究領域，主要集中在中濃紙漿的屈服應力、所受 剪切應力和流變學特性上 3 3 】【3 4 】【35 1 。 g u l l