基于CFD的新型布浆器混合室结构

刘伟，冀晓辉

（广东石油化工学院机电工程学院，广东 茂名 525000）

流浆箱是现代高速纸机的关键部件之一，其功能是保证浆料在湍流状态下完成沿纸机幅宽方向均匀分布，并喷浆上网。

流浆箱的发展过程中，先后采用过扩展流道式、多重对分式、中间进浆多支管式、错流式等布浆方法，由于缺点突出，已不再使用[1-2]。现在，随着纸机幅宽的不断增加，流浆箱的布浆方式以方锥总管单向进浆为主。方锥总管的等压要求使其后壁形状复杂，工程上使用时多采用直线简化型或分段近似型的总管，浆料分布存在较大的横向压力差异，而且随着幅宽的增加，将会更加明显[3-4]。周向布浆方法依靠稳定的液位采取周向布浆，保证布浆的均匀性，但适用的幅宽难以满足日益提高的要求[5-6]。现代高速纸机为了保证浆料分布均匀和纸页的质量，采用了复杂的稀释水调节系统[7-8]。近年来，出现了一种新的浆料分布方法——互补式布浆方法，该方法是在方锥管布浆器布浆不均匀的基础上设计的[9]。最早的关于锥管布浆器的系统论述出现在20世纪80年代初，为流浆箱的设计和应用奠定了理论基础[10]。为了提高流浆箱的布浆性能，研究人员对流浆箱的结构进行了大量的改进和优化研究[11-16]。但是方锥布浆总管的缺陷并未得到有效解决。

本文针对新型布浆器，在互补式布浆方法的基础上，为了得到更好的布浆性能，采用CFD方法对流浆箱混合室进行了结构研究，分析了不同结构混合室对浆料流动特性的影响及质量流量分布性能，确定合理的混合室结构，改善新型布浆器布浆性能。

1 混合室设计

混合室是新型流浆箱最关键的部件，其作用是将由两个方锥总管支管束出来的不同质量流量的浆流在混合室中进行充分地互补混合和平均，保证混合室出口的流量均匀分布。

设计时，混合室横截面积与布浆器横截面积是相同的，因此混合室的长度将决定混合性能。对于两个方锥总管支管在混合室内的顺流射流行为，根据不可压缩湍流射流的连续性方程和运动方程可推导出单管射流的初始段长度，但新型布浆器支管束射流为轴线平行的圆形喷嘴平行射流组，横向或纵向支管间的射流会产生强烈相互干涉和引射作用，致使射流初始段长度仅为单管射流的70%[13]。

从新型布浆器支管束出来的浆流应该在混合室内完成充分的互补混合，从而保证浆流能够均匀并且稳定地进入稳浆室。因此，在设计混合室长度时，既要保证浆料在混合室中充分混合，沿混合室出口横截面是均匀的，又要使浆流保持一定的湍动状态，避免出现纤维絮聚现象。所以，混合室的长度L应满足式（1）条件。

式中，b0为喷嘴宽度的一半；m0为喷嘴出口速度与混合室内速度之比；C为常数。

2 混合室结构设计方案

现有布浆器混合室的结构是一个长方形的腔体，从方锥总管支管束出来的浆流都在这里进行混合。由于平行射流组各股射流间存在相互干涉作用，将使各股射流向混合室的中部收集，造成浆流无法充分混合，导致混合室出口浆料分布不均匀，影响布浆性能的均匀性[16]。因此，非常有必要对混合室结构进行深入研究，改善混合室出口的浆料分布性能。混合室结构如图1所示，其中图1(a)为单腔式混合室，图1(b)为以两组支管为单位的多腔式混合室，图1(c)为以单组支管为单位的多腔式混合室。

3 数值分析方法

3.1 数学模型

（1）连续性方程 见式（2）。

（2）动量方程 见式（3）。

（3）Realizable k-ε模型 Realizable k-ε模型是在标准k-ε模型基础上发展出来的湍流模型，主要对湍流黏性的计算和耗散率的计算进行了改进[17]。因此，与标准 k-ε模型相比，Realizable k-ε模型能够更精确地预测圆柱射流的发散比率，计算结果精度更高[18]。具体方程见式（4）和式（5）。

图1 新型布浆器混合室结构

式（2）～式（5）中的符号含义见文献[16]。

3.2 计算模型及边界条件

为了获得各种重要的流动信息，研究混合室内流动特性和横向及纵向浆流的互补、掺混状态，采用三维计算模型，利用有限容积法对控制方程——雷诺时均N-S方程进行计算。对混合室进出口的支管束采用六面体进行网格划分，其余部分均采用四面体进行网格划分，以获得较高的计算精度和可靠的结果。压力速度耦合计算采用标准SIMPLE方法，湍流模型采用Realizable k-ε模型。

进入布浆器的浆料流量为 150m3/h，质量分数约为1%，处于湍动状态，其流动特性近似于水[11]。计算时，在方锥总管入口采用质量流量入口边界条件，回流端采用质量流量出口边界条件，混合室出口支管束采用压力出口边界条件。采用标准壁面函数对近壁区进行处理。

4 结果与讨论

数值计算时，计算结果的收敛和精度受到计算域网格划分质量的直接影响，合理的计算结果应该与网格划分的粗细程度无关。因此，计算时对计算结果进行了无关性验证，3种情况的网格数分别取为540427、536671和533688，对近壁区采用标准壁面函数处理时，各支管壁面第一层网格的y+值取为43[9]。

4.1 速度分布

图2所示为混合室Ⅰ内速度云图，其中图2(a)为横排支管间的混合速度图，图2(b)为上下方锥总管对应支管间混合速度图。

为了研究浆料经由上下对称放置的两个方锥总管支管束进入混合室后的流动情况，在混合室内选取两个方锥总管支管束的中截面，即 z=0.02m和z=-0.022m处，如图2(a)所示。根据两个截面图，可清楚地看到浆料由支管束进入到混合室的射流流动过程以及横排支管浆流在混合室内的混合过程。显然，每个截面的平行排管射流组均为等直径、异流量射流，任何相邻两股射流间均产生了强烈的卷吸和干涉作用，使相邻两股射流发生互相靠近的现象，导致整排射流产生了相互靠拢的流动情况，这种相互靠拢现象对不同流量射流间的掺混作用是非常有利的。但伴随各股射流掺混后向中间聚集，将使混合后的浆流在混合室中部更集中，因此会影响射流混合后浆料均匀分布的效果，使混合室出口支管间浆料流量有偏差。

两个总管支管束上下对应支管射流混合速度分布截面如图2(b)所示。支管束对应位置为x=0.032m和 x=0.242m处，由于中间位置射流的强烈干涉作用，发生了较强的偏转，但仍可以有一定程度的混合和平均。处于中间的 4个位置 x=0.074m、x=0.116m、x=0.158m、x=0.2m处，上下对应的支管射流都能进行充分的互补混合和平均。由各位置的速度截面图可见，在两个质量流量不同的对应支管的射流间，同样出现了期望的强烈卷吸和干涉作用，而且两股射流沿着混合室长度方向迅速掺混，融为一体。

图2 混合室Ⅰ内速度分布（单位：m/s）

图3为混合室Ⅱ内速度云图。由于以两组支管射流为单位来划分混合室，对于每个方锥总管的平行排管射流组，不再出现显著的多股射流向混合室中部靠拢和聚集的现象，只是两个支管射流在横向的相互干涉和混合，而且两股射流能够很快地混合在一起，如图3(a)所示。从每个独立小混合室来看，在对应支管射流截面上，由于横向的射流干涉作用，使对应支管射流的干涉和混合受到了一定的影响，并不是单纯的对应支管射流间的干涉和混合，因此两股射流间的互补效应有所减弱，如图3(b)。

图4为混合室Ⅲ内速度云图。混合室Ⅲ以单组支管射流为单位来划分混合室，在平行排管射流组方向已经完全没有射流向混合室中部靠拢和聚集的现象，只是单股射流流动，如图4(a)所示。从每个独立混合室来看，对应两个支管射流存在强烈的相互干涉和混合，而且两股射流能够很快地掺混在一起，完成了很好的互补混合，如图4(b)。

4.2 混合室出口支管质量流量分布

图3 混合室Ⅱ内速度分布（单位：m/s）

新型布浆器的最大优点是利用单向进浆的方锥布浆总管布浆不均匀性，实施互补式布浆方式，达到浆料均匀分布的目的。实现互补式布浆的关键是浆料在混合室内的混合效果，根据互补式布浆机理，两个方锥总管对应支管内浆料质量流量互补后极其接近期望值[9]。图5为两个方锥总管支管束质量流量分布及互补后的计算值。由图5可见，互补后的计算值曲线很接近期望值2.955kg/s。

图4 混合室Ⅲ内速度分布（单位：m/s）

图5 互补后质量流量的计算值

图6 混合室出口质量流量分布

图6为浆料在3种结构混合室内混合后的质量流量分布。由于强烈的相互干涉，平行排管射流组在混合室Ⅰ内产生了明显的聚集，使得质量流量分布曲线呈现中间大于期望值、两边小于期望值的状态，最大值为2.971kg/s，最小值为2.9453kg/s。在混合室Ⅱ内，在每个混合室内仅有两组射流相互混合，因此，从质量流量分布曲线看，并未出现射流聚集现象，整个曲线形状比混合室Ⅰ的更平缓，说明质量流量分布更为均匀，最大值为 2.9635kg/s，最小值为 2.9463kg/s。由于混合室Ⅲ按照每组对应支管将混合室分成若干腔体，使得每个混合室内只有一组对应支管射流，在每个混合室内完成的纯粹是对应支管间的互补混合，其质量流量分布曲线最为接近理论计算值和期望值，最大值为2.9599kg/s，最小值为2.9475kg/s。从3种结构的混合室的质量流量来看，最大值逐渐减小，而最小值逐渐增大，接近期望值，也说明浆料分布性能越来越好。

4.3 混合室出口质量流量分布偏差

评价混合室混合效果的一个直接方法是浆料分布的质量流量偏差曲线，这里所说的偏差用e表示，单位为%[9]。图7所示为3种结构混合室的质量流量偏差曲线，图中0值线即为理想偏差线。3种混合室出口浆料分布偏差曲线与浆料分布曲线形状相似。经混合室Ⅰ混合后，浆料由于聚集在中间，使中间部位的偏差最大，最大正偏差值达到0.538%，最大负偏差值达到-0.332%。混合室Ⅱ混合后的效果比混合室Ⅰ明显改善，偏差值有所降低，最大正偏差值降至0.288%，最大负偏差值降至-0.294%。混合室Ⅲ混合后的效果比前两种更好，偏差更低，最大正偏差值降到 0.166%，最大负偏差值降到-0.254%，整个偏差曲线趋势与0值线最为接近。

图7 支管束质量流量分布偏差

5 结 论

（1）新型布浆器采用了互补式布浆方法，布浆性能取决于混合室的混合效果，而混合室的混合效果又取决于其结构。设计了单腔式混合室（混合室Ⅰ）、以两组支管为单位的多腔式混合室（混合室Ⅱ）及以单组支管为单位的多腔式混合室（混合室Ⅲ），采用CFD方法对混合式结构进行了研究。

（2）从混合室内速度分布图来看，在混合室Ⅰ内，射流间的激烈干涉导致射流股相互靠拢和聚集，不利于浆料均匀分布；在混合室Ⅱ内，每个混合室中有两组射流，横向和纵向混合都较好，但横向混合影响了纵向的互补混合；在混合室Ⅲ内，每个混合室中仅有一组射流，混合不受横向干涉的影响，能够充分进行纵向的互补混合，符合互补式布浆方法的要求。

（3）从混合室出口的质量流量分布来看，混合室Ⅲ的分布最好，混合室Ⅱ的分布好于混合室Ⅰ的分布。混合室Ⅲ的分布曲线最接近于期望值曲线。3种混合室的浆料分布偏差的最大值分别为0.538%、-0.294%和-0.254%，以混合室Ⅲ的最小。

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