辊壳式流浆箱喷浆速度与压力的关系

侯顺利 杨恒 卫魏

摘要：利用计算流体动力学软件FLUENT对辊壳式流浆箱的流场进行数值模拟，分析了喷浆速度、沟槽辊转速与压力的关系，并优化了溢流室结构。模拟结果表明，辊壳式流浆箱的均衡室和溢流室压力不仅受到喷浆速度和沟槽辊转速的影响，而且还受到溢流室进口角度的影响，通过改变进口角度就可以得到理想的溢流室压力变化规律和压力范围。

关键词：流浆箱；数值模拟；沟槽辊；喷浆速度；压力

中图分类号：TS734

文献标识码：A

DOI：10.11981/j.issn.1000-6842.2018.04.58

辊壳式流浆箱可以克服现有匀浆辊流浆箱湍流尺寸大、湍流强度小、横向流动大、浆流不稳定、不能有效使用稀释水调节纸张横幅定量差等诸多弊端，可提高纸张匀度，减少纸张的横幅定量差，从而获得更好的纸张成形质量[1]。与水力式流浆箱相比，辊壳式流浆箱具有可以适应进浆量变化并可在线调节湍流强度的特点。

侯顺利等[2]對新型辊壳式流浆箱速度参数的探讨结果表明，对于10～16mm宽度的流道，沟槽辊转速为120rad/s时，流道内的湍流强度和湍流尺寸能够较好实现对纤维絮聚团的分散。林晓林等[3-4]还对沟槽辊壁面、均衡室进口和速度参数等进行了优化。但是在研究过程中发现，当沟槽辊转速维持不变时，随着喷浆速度的上升，溢流室压力并非单调上升的二次函数，这就无法通过溢流室压力控制喷浆速度。

本课题拟通过FLUENT软件数值模拟辊壳式流浆箱在不同喷浆速度下内部浆流的流动状态，主要探究喷浆速度与均衡室进口压力、溢流室压力之间的关系，揭示喷浆速度与溢流室压力之间相互影响的规律，从而达到控制喷浆速度的目的，为设计计算和实际操作提供基础数据。

1辊壳式流浆箱结构及原理

图1所示为辊壳式流浆箱结构示意图。由图1可知，浆料从锥管布浆器进入各布浆支管，与来自稀释水支管里的稀释水混合后进入均衡室，然后浆料在辊面环形沟槽高速运动的摩擦作用下，跟随辊面运动方向，进入到沟槽内和间隙内[5]。处于两者之间的浆流受到一个强大的剪切力，可产生尺寸小而强度高的湍流，实现对纤维絮聚团的分散；同时沟槽之间的挡板还能尽量减少稀释水的横向扩散，增强稀释水添加的效果，沟槽辊如图2所示。溢流室用于维持恒定的液位与气压并吸收压力脉冲、消除浆料中的空气和泡沫[6]。当浆料流动到圆筒形壳体另一侧的浆流出口时，在压差的作用下流出流浆箱。

4溢流室内部压力设计优化

图11所示为喷浆速度30m/min、

转速120rad/s时，溢流室结构改变前后的流场压力云图。图11中的model-1模型（原模型），在不同喷浆速度下溢流室内压力均为负压，而且喷浆速度越高，溢流室内负压越大，在实际操作中往往需要采用抽真空设备，既增加成本，又增大实验难度。

在当前实验室条件下，初期研究的喷浆速度范围为5～30m/min，先在较低喷浆速度下研究实际辊壳式流浆箱内部浆流的流动特性，从实际情况的低速状态出发，分析实际浆流流动与仿真研究的误差所在，为仿真模拟提供准确的实际参数，不断提高数值模拟的准确度和精确度，再逐步提高实验的喷浆速度，用于以后设计更高速的辊壳式流浆箱。

为设计一种适于低速状态下实验室用的辊壳式流浆箱，可以通过改变溢流室入口角度的方法优化溢流室结构，使其内部压力为正压且接近常压状态，这时只需适当调整溢流室内液位高度就可达到目标喷浆速度所需压力，避免使用抽真空设备，降低了实验操作的难度、减少实验成本。经过多次模拟分析，得到了优化溢流室进口的模型model-2。对比图11压力云图，model-2相比model-1溢流室压力有显著提高，而对其他位置压力影响较小。

图12所示为溢流室结构优化后的局部放大图。流道内的浆流随沟槽辊逆时针流动，通过改变溢流室进口方向，从而使进入到溢流室的浆流流量增加，浆流进入到溢流室后动能转化为静压能，则溢流室压力就会升高。还可再调节溢流室进口角度，当溢流室内压力接近常压时认为最佳。

5结论

（1）辊壳式流浆箱的均衡室进口压力和溢流室压力不仅受到喷浆速度和沟槽辊转速的影响，而且还受到溢流室进口角度的影响。

（2）沟槽辊转速对均衡室进口压力和溢流室压力的影响规律受到进口角度的影响，通过设计合理的进口角度可以使溢流室压力与喷浆速度之间的关系为单调二次函数，这就可以实现通过调节溢流室压力来调节喷浆速度的目的。

（3）通过溢流室进口角度变化设计就可以实现理想的溢流室压力范围，这可以扩大敞开式流浆箱所适应的车速范围，简化流浆箱结构和操作，同时降低制造成本。

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（责任编辑：马忻）