可视化技术在盘磨机磨浆机理研究中的应用

王佳辉　王　平

(天津科技大学机械工程学院,天津,300222)



可视化技术在盘磨机磨浆机理研究中的应用

王佳辉王平

(天津科技大学机械工程学院,天津,300222)

摘要：盘磨机是目前广泛使用的磨浆设备,但存在能耗大、容易堵塞等问题,从根本上完善和解决这些问题需要加强对磨浆机理的研究。可视化技术作为一种可以用于研究磨浆动态过程的高新技术，本文归纳总结了可视化技术原理、技术进展与趋势以及在盘磨机磨浆机理研究中的应用,对改进现有的磨浆技术和促进可视化技术手段推广应用具有一定意义。

关键词：盘磨机；磨浆机理；可视化

磨浆是制浆造纸工艺中重要的环节,通过对纸浆悬浮液的机械处理,使纤维获得一定的性能。至今,还没有一个完全令人满意的磨浆理论,这可能与磨浆过程复杂、相关变量多和无法直接观测等原因有关。为了研究磨浆过程,观察浆料的运动,获得某些参数(如压力、速度等)，借助某些技术或手段将流体运动变为“可见”,这就是流体可视化技术,借助可视化技术能直观地了解磨浆区浆料的流动情况。

1流体可视化技术

早在1883年雷诺在水平圆管内水中注染料,证实了从层流向紊流迁移,这就是早期的流动可视化技术[1]。自从1932年采用可视化技术研究泵的内部流动以来,可视化技术在流体机械上已经取得了一定成果[2],进入2000年后,得益于实验技术和计算机设备的高速发展,流动可视化技术得到了快速地发展,出现了很多将流体可视化的具体技术与手段。流体可视化的数据来源主要有两个,一是计算流体动力学(CFD)的结果,二是实验[3]。流体可视化技术作为一种研究流体运动的技术和手段,虽然大部分方法不能定量测量,但却能帮助人们了解到流动全貌以及流动过程的细节[4]。

1.1实验可视化技术

早期,人们所能采用的可视化技术只能借助于实验的方法,将它统称为实验可视化技术。实验可视化技术也被称为流动显示技术,由于流体一般很难直接用肉眼观察到流动特点,为了能直观、形象地观测到流体的流动状态,就需要利用某种实验手段使流体流动特点变得明显。早期的实验可视化技术通常利用添加外部介质和能量的方法(如示踪法、流丝法、表面流迹法等)使流场显示流线或其他特征,但该方式对流场的干挠很大,后来出现了基于光学技术的高速摄影技术、全息照相和干涉技术等大大提高了实验可视化的效率和准确性,大大促进了实验可视化的发展。实验可视化技术在流体研究中已逐渐发展为一种专门的技术,有时候也当作一种检测手段来验证某些实验假设。

1.2数值计算可视化技术

与实验可视化技术相对应,科学计算可视化技术应用计算机图形学和图像处理技术把数值模拟中涉及的大量数字信息转变为对流场直观分析和研究的可视化图形或图象,有效地加深对流场的流动现象及规律认识。数值计算可视化技术可以缩短研究周期,提高研究工作效率。

图2　盘磨机透明磨室和定盘

1.3可视化研究的新发展

早期,流体可视化技术只限于稳定和低速的流体,而且一般只能进行定性的研究,随着新型传感器的出现,可视化方法研究有了新的进展,对于非稳定流和高速流动能定量的可视化研究已逐渐成为可能[5]。

(1)流动跟随技术：通过记录流动跟随物在流场中的运动轨迹推测流型。流动跟随物一般是能够自然悬浮的染色颗粒,对于特殊的不透明流体,跟随物可采用能发射一定频率的无线电波的小颗粒或小磁性体。

(2)萤光法：用激光脉冲照射已经混有感光变色颜料的流场中的某个区域或特定截面,使该处的萤光物质变色发光,记录萤光物质的运动,从而了解流场的流动情况。

(3)数字PIV技术：粒子图像测速(PIV)比较两相邻时刻示踪粒子的位置,直接记录粒子图像,用处理相继两祯数字图像取得速度向量,计算出示踪粒子处的二维平均速度。通过足够多的示踪粒子,就能获得全流场的速度分布[6]。与热线热膜测速仪(接触式测量,对流场有较大的干扰)和激光多普勒测速仪相比,图像测速技术和粒子跟踪测速技术不再是单点测量技术,己成为动态速度场测量的主要手段。

1.4可视化技术的特点及优势

由以上介绍可知，可视化从宏观上分实验可视化和模拟可视化,与常用的计测仪器相比较,不只局限流体中特定一点的流动状态,可以有效地掌握流动现象的整个情况,减小使用计测仪器插入流体带来的干扰。一般来说可视化技术几乎不需要特别训练,方法使用简便,多数情况靠肉眼观察或者摄影等即可[7]。

2常用可视化技术在盘磨机磨浆机理研究中的具体应用

目前,一般用两种方式来解释磨浆过程,一是从能量的角度,将能量作为最终输出量,输入量是其他因素(如盘磨机的操作参数),然后研究输入量与输出量的关系。另一种是从盘片结构来考虑,研究磨浆前后纤维形态性能的变化,然后推断磨片与磨浆性能之间的关系[8]。可视化技术在上述两种方式研究磨浆过程中对了解磨浆机理很大的辅助,如果说前两种方式是从本质上探讨磨浆作用机理的话,那么通过可视化技术观察磨浆浆料运动则是从现象上来直观获得磨浆作用的基本规律。所以结合不同研究方法的技术特点,就能比较准确、全面地获得对磨浆过程规律的了解。图1为盘磨机磨浆可视化基本参考模型。

图1　盘磨机磨浆可视化基本参考模型

2.1实验可视化

2.1.1透明磨室和磨片的应用

哥伦比亚大学研制了实验型盘磨机,采用透明材料制造了盘磨机定盘,并将磨室可开启的一侧改成透明视窗(如图2所示),能观察到75%左右的磨浆区域,可以直接通过实验观察浆料的流动情况并获取某些流动参数[9]。实验型盘磨机解决了一直以来磨浆的高温高压过程,一般很难直接用肉眼观察磨室磨浆的情况。

2.1.2高速摄影装置及技术

随着CCD数字相机的发展,将图像信号数字化,通过数字相机的跨帧技术(缩短两帧图像之间的曝光时间),实现了将PIV技术应用于高速流场。采用高速摄像技术对磨浆过程进行可视化研究,通过直观的拍摄来获得磨浆过程的实验数据,经过分析和处理,进一步指导理论和实践应用,对研究磨浆过程、磨浆理论有重大的指导意义[10]。

图6　高速摄影拍摄槽内流动

国外早在1970年就已经开始了对磨浆过程进行可视化研究,加拿大制浆造纸研究所和芬兰坦佩雷理工大学运用摄影技术和图像处理分析手段研究高浓磨纸浆纤维的流动。D.Atack等人[11-12]运用高速摄影技术记录单盘磨纸浆的流动情况,观察到只有50%～85%的磨片齿面被纸浆覆盖。国外运用可视化技术主要集中在对纸浆中纤维的流动速度和方向、纤维在齿面的覆盖率及浆料进入磨区到出磨区停留时间的研究。

芬兰坦佩雷大学的T.Alahautala等人[13]对磨浆进行定量可视化研究。采用多脉冲频闪仪、内窥镜光学系统、专业化的照明系统和CCD照相机，通过4个安装在不同径向位置(从破碎区到精磨区)的探头获取数据信息,如图3和4所示。根据得到的图像,从图像中确定纸浆流速、流动方向、纸浆取向、百分比覆盖面积与纸浆和纤维絮凝物的存在。

图3　可视化系统的示意图

图4　探头安装位置示意图

华南理工大学在高速摄像技术方面做得十分突出,2009年朱小林等人[14]自主设计了一套可用于研究磨浆过程的装置(见图5),采用了透明有机玻璃作为磨片,通过高速摄像机清楚地观察到浆料的运动,经过图片处理技术得到更为清晰清楚的数据[15]。

图5　华南理工大学磨浆可视化装置和实验图

刘嘉等人[16]通过高速摄像技术对中浓磨片内纤维变化情况进行了完整的拍摄,得出不同转速及磨片不同区域纤维团运动状况。D.Atack等人[17]通过高速摄像技术观察了低浓磨浆时纸浆的分布状态。Kwei-Nam Law等人[18]通过高速摄像技术对中高浓磨浆纤维的运动进行了观测。刘士亮等人[19]通过快速摄影技术研究低、中浓磨浆过程中磨浆作用规律及纤维形态变化的作用,进而推断不同浓度的磨浆作用机理及成浆性能。

2.1.3化学元素示踪法

一些研究者结合示踪粒子和高速摄影技术,拍摄到磨室内磨片槽内的浆料流动情况。图6是利用高速摄影记录浆料中示踪粒子的运动轨迹,观察的颗粒(不同的颜色代表不同的颗粒)流动方向[16,20]。

2.2数值计算可视化

2.2.1磨浆过程可视化理论

自1987年科学可视化提出以来,在计算机领域得到了广泛的应用和发展,也称为数值模拟领域的新方法[21]。关于流体方面的科学可视化技术主要基于CFD模拟软件,可归纳为4个阶段：①物理建模阶段；②算法设计阶段；③映射阶段；④可视化阶段。所以说科学可视化实质上是计算机辅助后处理部分,输出过程表现为可视的图形或图像信息,主要涉及流场数据的处理,其目的是为研究人员提供一种可视的分析手段[22]。

图7　盘磨机磨片槽内流动的模拟结果[22]

随着计算机技术的发展,可视化技术不但从工具上,而且从算法上也有巨大进步,已经能够形象、逼真地将浆料流动过程显示出来。陈克复等人[23-24]将纸浆悬浮液流动问题作为研究对象,研究纸浆悬浮液的特点,以纸浆流动过程可视化为出发点,结合MATLAB程序设计语言,讨论了矢量场显示技术。应龙等人[25]在分析非牛顿流体物理特性的基础上提出了一种完整的可视化算法,将流体的外形、流动的轨迹以及流体间的相互碰撞都用合理的数学形式进行表述,既模拟出逼真的运动效果又控制了算法的复杂度。

2.2.2磨浆过程CFD模拟可视化应用

2009年,Kondora等人在FLUENT中模拟了磨浆过程浆料的流动(见图7),并将结果和Fox与Lumianen等人提出的理论分析模型进行了对比,结果表明模拟结果和理论分析十分接近。通过模拟能够更直观地了解浆料在齿槽内的流动特性,为设计磨片提供理论依据[26]。

2011年,G M Khokhar等人[27]在FLUENT中利用简化的单槽模型来分析槽内浆料的流动,假设浆料为恒黏度的牛顿流体,模拟了不同压力和磨盘转速对盘磨机磨浆的影响。模拟结果表明,磨浆过程流量取决于压力差和转速,其中压力差的影响较大,经过实验验证得出与模拟结果相同的趋势。模拟得到的定盘齿槽槽内表面的流线显示形成的两个涡流,左边为矢量图,右边为流线图(见图8)。

图8　定盘(在半径62.5 mm处)齿槽内浆料流动的矢量和流线图[6]

G.Kondora等人在文献[28]利用流体软件在FLUENT中对磨片进行计算机模拟,假设浆料流动为层流,模拟了磨浆过程浆料的流动,图9为模拟的浆料在槽内的流动情况,三维立体画面能够更直观地了解浆料在齿槽内的流动特性。

图9　CFD处理后得到的磨片齿槽内浆料的流动图像

2.3可视化技术应用趋势

早期,对磨浆机理的认识不足,所以进行实验研究居多,数值计算可视化是建立在对磨浆原理有一定掌握的基础上发展起来的,相对实验可视化的快速发展,模拟技术还是显得比较缓慢。先进的可视化设备大多集中在欧洲的一些高校和工厂,部分工厂将理论研究项目委托一些高校协助进行,产学研结合较好[25],国内要加大对先进设备的引进力度,相关的处理技术(例如图像处理)也需要进一步研究。目前可视化技术在中低浓度磨浆中运用较多,主要是因为在这种浓度下纤维的运动在现有技术下容易进行相关的图形处理,根据已有的可视化技术设备,需要研发一种适用于研究高浓度磨浆机理的可视化设备及装置。

3展望

目前关于磨浆过程可视化研究较少,还有很大的研究空间。随着实验设备和条件的改善,实验可视化技术一定会日趋完善,从而为研究磨浆机理作出应有的贡献。有许多工作还有待于深入研究,才能不断完善盘磨机磨浆机理的研究,具体有以下几个方面。

3.1合理选择模拟模型、完善有关后处理算法

目前,模拟时一般假定浆料为恒黏度的牛顿流体。实际上,磨浆过程是一个动态变化的过程,如何假设浆料的流动特性使其更好的符合实际,还有待进一步研究。在数值计算可视化的研究中,流线的生成算法与实现起着重要作用,需要研究适用于纸浆流动的特定算法,既要逼真的模拟出磨浆过程浆料的流动，还要控制算法的复杂度。

3.2综合运用数值计算可视化和实验可视化技术

实验可视化对设备的要求较高、周期长；而数值计算可视化需要对模型和流体进行必要的假设。模拟分析可以减少实验工作量,但是不能完全取代磨浆实验。数值模拟可以改变各种流动参数,后处理图像也更加直观,实验可视化贴近实际,二者各有特点需要有机的结合。

3.3加大对可视化设备及相关软件的研发

盘磨机磨浆时纸浆流体的可视化研究作为一个全新又复杂的领域,可为改进和提高盘磨机的性能提供很多宝贵的资料,需要不断研究完善。相对于国外的研究水平,国内还处在较初级的水平,虽然也仿造和研发了部分可视化装置,但是由于后处理的水平及对装置本身特点的了解不足,应用效果也一般。

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(责任编辑：董凤霞)

Application of Visualization Techniques in Refining Mechanism Study of the Disc Refiner

WANG Jia-hui*WANG Ping

(CollegeofMechanicalEngineering,TianjinUniversityofScience&Technology,Tianjin, 300222)

(*E-mail: wjhjjjok@126.com)

Abstract：Disc refiner is widely used in pulp refining at present, but there are still problems such as higher energy consumption and easy to be plugged in refining, improve and solve these problems need to strengthen research on refining mechanism. Visualization techniques can be used as a high-tech to study the dynamic process of refining. This paper summarized the principle of visualization technology, its technological advance and trend as well as application in the research of refining mechanism of disc refiner, it was significance for improvement of existing refining technologies and promotion of visualization techniques application.

Key words：disc refiner; refining mechanism; visualization

收稿日期：2014- 12- 18(修改稿)

中图分类号：TS734+.1

文献标识码：A

文章编号：0254- 508X(2015)03- 0064- 06

作者简介：王佳辉先生，在读硕士研究生；研究方向：造纸机械的研究。