盘磨机磨区内纸浆流动研究与进展

刘 欢 董继先 韩鲁冰

(陕西科技大学机电工程学院，陕西西安，710021)

·盘磨机·

盘磨机磨区内纸浆流动研究与进展

刘 欢 董继先*韩鲁冰

(陕西科技大学机电工程学院，陕西西安，710021)

介绍了制浆过程中盘磨机磨区内纸浆纤维、水及水蒸气三相流体的复杂流动，阐述了磨区浆料流动对磨齿捕获冲击纤维、磨齿的优化及磨浆效果的影响。重点对国内外盘磨机磨区内浆料流动的CFD(计算流体动力学)模拟及实验研究的最新进展进行了综述，同时对今后的研究方向提出展望。

盘磨机；三相流体；CFD；研究进展

本课题为国家自然科学基金资助项目(编号：50745048)。

近年来我国造纸行业不断发展，节能降耗、提质增效已成为新时期的发展方向。机械制浆由于其得率高、磨浆质量好等优点而被广泛应用，盘磨机作为机械制浆的关键设备，工作过程中功率较高，耗电量极大，尤其在高浓磨浆中更为明显，也是制浆过程节能降耗重点研究的方向。

本课题从盘磨机磨区内纤维、水及水蒸气三相流体流动的角度阐述了流体的流动形式对于磨浆效果、磨盘优化及节能降耗等方面的影响；综述了国内外对于磨区内浆料流动的模拟及实验研究进展。

1 磨区三相流体流动的特征及研究

磨浆过程中浆料由中心进入磨区，在磨齿的作用下，流体在磨盘间隙及磨齿间做复杂的随机运动，由于磨齿对浆料的捕获和释放，使其频繁与纤维及齿面揉搓、碰撞，最终以一定的形式甩出磨区，磨浆结束。由于磨盘的高速旋转使得磨区温度急剧升高，纤维、稀释水两相流体中的稀释水气化，形成第三相，在稳定的磨浆过程中，纤维、水及蒸汽三相流体的存在使得流动形式更加复杂，影响纤维在磨区的停留时间及流体在磨区的流向，进而影响纤维质量及磨浆能耗。

1.1磨区浆料流动特征

1979年，Fox[1]用高速摄像技术研究了配备透明磨盘的盘磨机磨区浆料的流动情况。研究表明，盘磨机磨区流动分为循环区和出口区(见图1)，循环区指除了出口和入口区域之间狭窄区域之外的磨区，而出口管道和入口之间的狭窄区域即为出口区。

盘磨机内浆料的流动为三维流动(如图2)，包括基本流、二次流和三次流，纤维主要通过磨齿捕获进行磨浆随后释放排出磨区；定盘沟槽中的浆料存在回流情况，由于外出流动的停滞，磨区的正压梯度增加，使得定盘沟槽中浆料出现内部流动。运用透明磨盘搭建的实验台、高速成像技术提供了研究磨区流动特征和流速测量技术的新方法。此后，Atack和Stationwala等人[2-5]也运用高速摄像技术研究了常压和压力磨浆过程中纸浆纤维的流动形式。

图2 磨区三维流动形式

1984年，Atack等人[2-3]将盘磨机磨区磨齿分为三个部分：破碎区、粗磨区及精磨区(见图3)。当木屑进入磨区，便会在破碎区的作用下碎成粗浆料，在破碎区浆块及浆料絮团会产生强烈的湍动，存在循环回流[3- 4]，但此区域内纤维回流的速度非常缓慢[6]，大部分浆料进入磨区进行磨浆；在精磨区浆向外部流动，而粗磨区浆存在些许回流，当精磨区浆的径向速度为30 m/s时，粗磨区的浆回流速度为1 m/s[6]；在磨区的外边缘，浆料沿径向向外流动[2-3]；在定盘沟槽中，浆料的回流确实存在[3]。

图3 磨齿分区简图

Härkönen等人[7]运用一种理论模型来模拟盘磨机磨区的流动，研究中考虑到了蒸汽、纤维和水三相，基于质量、动量及能量守恒推导出模型，描述了水和蒸汽的流速以及磨盘间隙中浆的体积率。由于在模型中部分参数的获得存在一定的误差，使其存在一些缺陷。Härkönen在前人研究的基础上描述了磨盘间隙内浆和蒸汽的流动简图[8](见图4)，浆在动盘沟槽中不断向外运动，而在定盘沟槽内可能存在一定形式的回流。学者研究表明，当直径超过磨盘的临界直径时，定盘沟槽会出现回流现象[9]，磨区浆料运动的主要驱动力为动盘的旋转，动盘沟槽中浆料的加速度、压力及径向流率均大于定盘，故定盘在理论上具有回流的趋势；蒸汽的流动与定盘沟槽中浆料的流动有一定的相似之处，磨区内蒸汽可能沿径向向外流动也可能回流，蒸汽流动的过程中流速为零的点称为停滞点，此时浆料的温度达到最大值，停滞点靠近入口一侧，蒸汽回流，反之，蒸汽向磨区外部运动。由于浆料喂入流量、浆料的浓度、磨盘间隙及磨盘磨损程度等因素的影响，所以停滞点的位置不固定[10-11]。

图4 浆料及蒸汽流动简图

1.2磨区浆料流动对磨浆过程的影响

1.2.1磨区浆料的流动影响磨齿对于纤维的捕获

浆料进入磨区后，在磨齿或纤维的作用下进行磨浆，沟槽中的纤维并不能受到磨浆的作用，只有纤维从沟槽脱离进入磨区，才有可能受到设备的各种作用，达到磨浆的目的。Smith提出帚化理论以及后来的比边缘负荷(SEL)理论，认为大部分纤维是在磨齿边缘被捕获而进行磨浆的，这一结论也被后来的研究所证实[3-5,11]。这就表明纤维进入磨区的首要条件就是浆料被磨齿边缘所捕获，在磨齿边缘对其施加的作用力下带入磨区进行磨浆，在沟槽内，上方是螺旋流动，下方是沿沟槽的径向流动，正是其上方的螺旋涡流，为其进入磨区提供了可能性，研究不同控制参数及齿型对涡旋流动的影响，对于磨浆效果及理论的研究有一定的参考价值。

1.2.2齿面浆料分布影响磨浆效果

比表面负荷(SSL)理论将SEL理论进行了一定的延伸，认为磨齿的宽度对磨浆效果存在影响。当浆料被磨齿边缘带入磨区后，纤维在齿面及磨区形成一定厚度的料层，在齿面的作用下给予浆料一定力的作用，使得磨齿与纤维、纤维与纤维发生摩擦等作用。浆料在磨区流动受到磨齿的冲击，所以浆料在磨齿的分布情况也对磨浆的效果产生一定的影响。由于一般磨盘存在一定的梯度，故不同磨区的浆料分布情况与其破碎机理存在一定的联系。

Stationwala[5]研究表明磨区破碎区70%～80%的磨齿面积被纸浆纤维覆盖，在破碎区和精磨区之间的粗磨区，齿面覆盖率较高，而精磨区的磨齿覆盖率较低;Alahautala等人[6]通过实验研究表明破碎区充满浆料，而粗磨区的浆料覆盖率小于60%，精磨区的低于10%；Härkönen E等人[8]的研究表明，纤维在磨区的分布情况简图如图5所示。高浓磨浆的机理与低浓存在一定的差别，浆料的分布也存在差异，需要进一步研究。

图5 磨区浆料分布

图7 高速摄像实验装置简图

1.2.3浆料流动与磨盘的优化

磨齿是磨浆的工具，不同的磨齿形式使得浆料具有不同的流道，同样也会产生不同的水力损失，影响纤维在磨区的停留时间，进而影响磨浆效果。研究表明，合理的设计磨齿齿形、布置挡坝，能够优化水力性能，降低能耗。Andritz Lemaxx系列磨片，采用V型齿槽，齿槽较深，在一定程度上能够降低齿槽所引起的水力损失；在定盘上设置挡坝能够减少纤维的回流，进而降低水力损失和电能消耗，在动盘上设置挡坝能够调节流量延长纤维在磨区的停留时间，优化磨浆，Andritz Lemaxx签名系列磨片(见图6)，在定盘和动盘分别设置了一定数量的挡坝，与常规磨片相比，节能达30%[12]。通过磨区浆料流动的研究与磨片设计相结合，寻找出磨齿、挡坝与浆料之间的最佳配备形式。

图6 Andritz Lemaxx签名系列磨片

由此可见，机械制浆中浆料的质量、磨齿与纤维的作用机制及磨盘的优化与磨区浆料的流动形式息息相关；反之，对于磨区浆料流动的研究将促进对磨浆机理的认知及磨浆设备的改进升级。

2 磨区内浆料流动的实验及模拟研究

20世纪，Fox，Atack，Stationwala等人运用高速摄像机研究了盘磨机磨区浆料的流动情况，基本对磨区浆料的流动情况加以描述。磨区流动具体细节以及不同参数对于浆料流动的影响，前人的研究很少涉及，随着测量技术及计算流体动力学(CFD)的不断普及和发展，对于磨区浆料的流动情况逐渐深入。

2.1实验研究

2012年，Wittberg等人[13]运用图7(a)所示实验装置研究了低浓盘磨机中沟槽的流动情况。在磨片上开一个直径为3 cm的探视孔，通过高速成像技术对其中浆料的流动进行观测，在粗纹磨盘上观察到，阔叶木磨浆时沟槽中有高速旋转的螺旋流，而对于针叶木浆，沿沟槽方向流速较大，螺旋流动运动较少；沟槽中的旋转流动给磨齿边缘施加了一个向下的剪力，最终捕获和传输纤维。

2013年，哥伦比亚大学的Troy Lindsay Mithrush[14]设计出如图7(b)的实验装置，对低浓盘磨机中的流体流动情况进行了研究。运用非侵入式的流体可视化技术、粒子跟踪测速技术(PTV)，以聚乙烯紫外线荧光示踪粒子，对图像用相应的算法进行处理，以可视化的方式展现了平动盘和带有齿槽的动盘两种情况下流体的速度矢量和示踪粒子的运动轨迹(见图8)，显示了沟槽和磨盘间隙中流体的不同流动轨迹。

图8 两种情况下流体的流动轨迹

2013年，华南理工大学刘嘉和刘士亮等人[15-17]将高速摄像技术应用于中浓磨浆过程的研究，采用透明磨片，利用染色纤维作为纤维示踪物，通过高速摄像技术对中浓磨浆磨区内纤维变化情况进行了完整的拍摄记录。通过对图像的处理与观察分析，得出不同转速及磨片不同区域纤维团的运动状况，并分析了纤维团变化的原因；还研究了中、低浓磨浆过程磨片不同区域中纸浆运动的状况，并得出中、低浓磨浆过程中的差异性及纸浆纤维的主要受力情况。

通过运用高速摄像机、先进粒子测速技术等对盘磨机磨区流体流动的可视化研究，对浆料在磨区的流动形式、速度分布及纤维分离机理等有了更加直观的认知，对于磨浆微观机制、磨浆机理等研究起到一定的促进作用。

2.2CFD模拟

对盘磨机磨区浆料流动的CFD模拟研究进行了总结，按照模型的简化，分为三维单齿模型、二维模型、部分磨片及完整磨片模型。

2.2.1三维单齿模型

2012年，Wittberg等人[13]第一次将磨齿简化为图9所示的三维单齿模型，用FLUENT研究了低浓盘磨机中沟槽的流动。将浆料视为单相、不可压缩的流体，在牛顿和非牛顿流体情况下，分析不同转速、压差时沟槽中浆料的径向流动情况。发现在定盘沟槽内存在两种流动形式，齿槽上方的螺旋流动以及齿槽底部沿径向方向的流动，而动盘沟槽浆料的流动与定盘比，较为复杂，在强烈的螺旋流动下，浆料被磨齿捕获并进行磨浆作用，并且浆料的性能、压差及浆料浓度对流动形式具有很大影响。

图9 三维单齿模型

2014年，瑞典查尔姆斯理工大学SIMON INGELSTEN[18]将盘磨机磨齿简化成图9类似的模型，并建立了纸浆纤维流动的湍流模型——ODF模型，借助UDF将ODF和宾汉纤维模型导入FLUENT中进行数值计算。通过比较模拟结果与文献中的实验研究结果，发现ODF模型是有效的，但是宾汉模型所模拟的结果与实验结果更为接近，且易于导入模拟，这说明ODF模型还有待于进一步研究和发展。SIMON将盘磨机磨齿简化成与Wittberg的类似的模型，借助于宾汉模型进行了模拟，发现流动情况与前人研究类似。但是若磨盘间距大约为几个纤维的直径时，像宾汉模型那样把纤维悬浮液看作是连续流体显然是不科学的，借助这样的模型得出的结果并不能显示细节，只能描述大概的流动情况。

2016年，Anton Lundberg等人[19]同样将宾汉流体模型应用于盘磨机磨齿流动的研究，对两种高宽比的单齿齿槽(见图10)进行了模拟，研究了两种情况下齿槽中流体的流动情况、不同半径截面的压力分布、有效黏度、速度分布等，指出下一步研究应集中在探究机械制浆过程中的分丝帚化情况，包括汽蚀产生条件及空载功率的探究。

图10 不同高宽比的齿槽模型

2011年，瑞典皇家理工学院的Khokhar[20]将盘磨机磨齿简化成单齿模型，将流体认为是单相的牛顿流体，动力黏度为水的100倍，在不同压力梯度及转速的情况下，将磨盘简化为如图11所示的两种情况，分别研究了动盘和定盘沟槽的流动情况。结果表明动盘沟槽的流动情况取决于压差和磨盘的转速，而定盘沟槽的流体流动主要受压差的影响，转速对其影响很小。Khokhar也对对磨盘间的流动形式做了介绍，认为动盘沟槽的流体流向外侧边界，而定盘流向中间，旋转流动在定盘和动盘中均能看见，使得纤维被磨齿捕获进而进行磨浆，与Fox的结果一样。

图11 磨盘流动研究的两种简化

2.2.2二维磨齿模型

2013年，加拿大不列颠哥伦比亚大学的Nina[21]在研究低浓磨浆机的空载能耗时，分析了低浓磨浆过程中牛顿流体在磨盘间隙的二维流动。运用FLUENT对图12(a)的简化模型进行模拟，首先研究了不同磨齿间隙时，在不同时间的流体流动情况，将浆料的流动情况分为稳定和非稳定两种情况，表明浆料在不稳定流动时被磨齿带入相邻的齿面；其次为了研究定盘中浆料的接触，引入了被动标量来代表示踪粒子的运动；通过改变齿槽纵横比W/T，研究了齿槽的纵横比W/T对于流场的影响，表明随着纵横比增大，旋涡数量逐渐减小，如图12(b)所示。

图12 模型简化及模拟结果

2.2.3部分及完整磨片模型

Grzegorz Kondora和Dariusz Asendrych对[22-23]低浓盘磨机中磨片的1/12及完整磨片作为模型(见图13)进行了分析，将纸浆看作单相连续的流体，运用GAMBIT对其进行网格划分，FLUENT进行数值计算。通过改变齿形参数、纤维特性、纸浆浓度等，研究了磨区的流动情况。通过简化模型的模拟，发现CFD模拟的结果与实验研究基本一致，表明浆料浓度对二次流的强度和纤维内部循环具有重要影响；在完整磨盘模拟时发现，出口区域的压力与其他区域差别很大，这与Fox等人提出的磨区浆料流动分为循环区和出口区的论断基本保持一致(见图14)。

2014年，东北林业大学的刘龙[24]结合流体力学及数值模拟的方法，将磨盘简化，采用磨盘的1/104作为模型进行分析，如图15所示。分别改变模型中的磨盘间隙、磨齿倾角等参数，总结磨盘间隙中压力场、速度场及流体运动轨迹的分布规律等。

图13 模型简化

图14 模拟结果与Fox的对比

图15 简化模型及流动简图

图16 分析区域及流动迹线

2015年，天津科技大学的王佳辉[25]以2500-Ⅱ型小型高浓盘磨机为原型进行建模，采用完整磨区作为分析区域(见图16)，并用ANSYS软件CFX模块对其进行数值模拟，假设磨浆浆料为牛顿流体，并且连续均匀的进入磨区，针对不同的磨盘间隙分析了浆料流线和速度矢量。

2015年，山东理工大学的孔记树[26]将盘磨机磨齿简化为有齿和无齿两部分，其简图和分析部分如图16所示。将流体材料定义为水和木材两相流，分析了不同磨盘间隙时，与磨盘齿槽垂直的速度分量和平行的速度分量的分布，将两者的比值定义为速度占比，分析了速度占比R与磨盘间隙的关系(见图17)。研究者认为R代表浆料自入口到出口的过程中所经过磨齿的数量，其值越大，浆料所受的磨齿作用越多，磨浆效率和效果会有所提高，故磨盘间隙最好不大于5 mm。

2016年，韩鲁冰等人[27]运用三维建模软件Solidworks的CFD插件Flowsimulation对常用的三种磨盘(见图18)进行模拟、分析。通过改变磨齿的排列方式，对磨盘磨区内浆料流速、流态以及磨齿受力的情况进行模拟，发现这三种磨齿所产生的磨浆效果差异明显，各有优劣，可为盘磨机磨盘选型以及磨齿失效研究提供依据。

盘磨机磨区浆料流动模拟研究比实验研究更加灵活、简便，可以在一定程度上对模型及分析流体进行适当简化，减少研究成本，快速获得结果，为了保证模拟结果尽可能符合事实，需要对模拟过程中模型简化、边界条件选取及流体模型进行深入研究。

图17 模型简化与结果分析

图18 三种不同磨齿的流动形式

3 国内外盘磨机磨区浆料流动研究趋势

3.1数值模拟研究的精确化

目前对于磨区浆料的分析，多采用水等单相牛顿流体对其进行分析，实际上磨区的纸浆为三相非连续的非牛顿流体，这样对于浆料模型的简化很可能从根本上影响模拟结果。国外对浆料的部分采用宾汉流体或ODF模型，也有学者利用CFD中UDF模块进行自编程对浆料的特性进行分析，为了更加贴切的研究浆料流动的真实情况，需要进一步研究适用于纸浆的新的流体模型。

3.2低能耗磨片的开发

盘磨机能耗较高，在磨浆的每一段进行节能研究都是必要的。研究适合于不同浆种的磨齿结构，合理的设置挡坝，减少水力损失，保证浆料在磨区合理的停留时间，进而保证浆料在磨区受到合理的冲击作用，达到所需纸浆的性能。

3.3数值模拟与实验研究相结合

数值模拟的出现，给现代科学研究提供了方便，单纯的数值模拟可能由于模型的简化、网格的划分等中间步骤出现失误而导致结果的不确定性，需要辅助以实验进行验证，两者各有优点，相辅相成。

3.4高浓磨浆磨区浆料流动研究

高浓磨浆相比于低浓，磨区料层较厚，磨齿的冲击作用减弱，浆料之间的摩擦作用加强，其浆料流动情况必将出现差别。目前，高浓磨浆过程能耗更大，且对其磨浆过程浆料的流动研究较少，加强对高浓磨浆过程中浆料流动特性的研究，对于降低能耗、优化高浓磨盘结构、优化磨浆控制参数具有重要意义。

4 结 语

盘磨机作为高得率制浆的典型设备，虽磨浆效果好，但能耗较大。随着节能减排的进一步推进，对于盘磨机磨浆机理及能耗研究的要求进一步提高，通过对国内外研究磨区纸浆流动的模拟及实验研究的综述，了解国内外研究方向和趋势，还需继续深化研究盘磨机磨浆过程，促进我国造纸装备不断升级。

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(责任编辑：马 忻)

ResearchProgressofPulpFlowinDiscRefiner

LIU Huan DONG Ji-xian*HAN Lu-bing

(CollegeofMechanical&ElectricalEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvience, 710021)

The complex flow of three-phase fluid which consists of pulp fiber,water and steam in disc refiner was discribed in this paper.And the effect of pulp flow on fiber capture and impact by the bars,the optimization of the bar structure and the result of refining was discussed.Especially, the latest development about the CFD simulation and experimental study of the pulp flow in disc refiner was summarized.Finally,the prospect in research trend on the pulp flow in disc refiner was put forward.

disc refiner; three-phase flow; CFD; research progress

刘 欢先生，在读硕士研究生；主要研究方向：盘磨机磨盘结构分析与优化。

TS733+.3

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.09.013

2017- 03- 30(修改稿)

*通信作者：董继先，博士，教授，博士生导师；主要研究方向：化工过程机械、造纸设备的研究与开发。

(*E-mail: djx@sust.edu.cn)