【设备】无回流布浆器可以简化流程并节省能耗

流浆箱多采用方锥管布浆器，由进浆总管、布浆阻流元件及回流装置组成。其回流量一般在10%左右，这样就会使上浆泵的功率消耗增加。同时常用的布浆阻流元件有支管、孔板、阶梯扩散管等，而现在普遍使用的支管或孔板，是不能够调节的，不能调节局部浆流流量。专利提出了一种可以在线旋转调节的阻流棒作为阻流元件的锥形布浆器，本文针对该可调节多缝型布浆器的在线横幅调节性能进行了仿真研究。该布浆器小端不设置回流，可以节约上浆系统的功率消耗约10%，同时还可通过旋转阻流棒的角度，实现横幅布浆均匀性的局部调节，从而达到横幅定量精确控制。

1、多缝型锥管布浆器内数值模拟

本研究采用ANSYS-FLUENT对布浆器内流体进行数值模拟，以研究阻流棒的角度对浆流均匀分布的影响以及对布浆器结构进行优化。

此次设计在计算中用到的主要方程有：质量守恒方程、N-S方程，湍流模型选用标准的k-ε模型，边界条件，入口采用质量流量入口边界条件，各缝出口采用压力出口边界条件，近壁区采用标准壁面函数进行处理。

1.1 模拟参数的确定与建模

本次模拟以拟建设的流浆箱实验装置为基础，流浆箱的唇口宽度L=1800mm，唇口喷浆速为600m/min喷浆量为120kg/s。锥形总管入口端浆流流速为2m/s，取消回流端；按照常规布浆器的设计计算，确定该布浆器宽度B为200mm，计算得入口高度H0为300mm。

考虑到将来需要加设稀释水控制装置，将缝间距初步确定为57mm，共需32排缝，排成一列。根据文献，支管内浆流速度与总管内浆流速度比应大于2.5，将多缝内浆流速度与总管内浆流速度的加速比取为3。为了保证多缝内浆流不发生堵塞，同时考虑到加速比，初步将缝宽确定为12mm，计算得缝高为50mm，为了防止多缝出口处发生大的横向流动和涡旋，在缝的下游增加一段扩散管。

按照Baines公式采用多段折线法取n=10。锥形总管截面的设计值如表1所示。我们把布浆多缝沿进浆总管的进浆方向依次命名为outlet1,outlet2,outlet3,…,outlet32。

纤维悬浮液是一种由水、纤维以及少量气体组成的三相共存的复杂流体。为了减轻计算机的运行负荷且鉴于本次试验进入锥管的浆料浓度一般在1%左右，其主要成分为水和纤维，一般把纤维悬浮液看做是纤维和水组成的两相流体，把根据纸浆特性新建的流体和水混合后的两相流作为模拟纸浆，其主要物理参数为：水的密度为997kg/m3、黏度为0.0008899kg/（m·s），根据纸浆特性新建的流体密度为980kg/m3、黏度为0.000897 kg/(m·s)。所建多缝型锥管布浆器模型如图1所示。                    

图1 多缝型锥管布浆器结构

2、数值模拟结果与分析

2.1后壁优化前出口流量的数值模模拟

可以得出流量误差范围为-52.80%~6.10%，尤其在小端误差太大，需要进行总管末端后壁形状优化。

2.2小端优化后出口流量的数值模拟

由图2可知从20排以后各缝流量与平均值3.75kg/s的偏差较大，尤其在小端，流量急剧减小，这可能是静压头减小导致。因此有必要对总管后壁形状尤其是小端处进行圆弧处理，这样不仅能使静压头有所恢复，还能有效防止小端浆料堆积，形成腐浆]。

在距离小端5mm、7.5mm、10mm、12.5mm、15mm处进行圆弧处理，其模型示意图如图2、图3所示。

图2后壁优化后模型结构图

图3小端局部放大图

 

总管末端进行圆弧处理后，布浆均匀性得到显著改善，同时可以通过优化总管后壁尺寸，以进一步降低误差。

2.3后壁优化后出口流量的数值模拟

在图2模型的基础上，（小端圆弧半径为11.2mm）进行后壁尺寸优化。缝的流量从大端到小端逐渐增加，所以总管内压力也是沿流动方向逐渐增大，因此可以对总管后壁的后半段尺寸适当减小，使静压头得到适当降低，从而保持总管内压力尽量一致。经过不断试验，得到五种结果，从中可以看出误差最小为2.11%,相对优化前的2.88%有了不小的降低。图4为后壁优化后模型。

图4后壁优化后模型

3 阻流棒旋转对缝隙流量的影响

3.1阻流棒旋转对缝流量的影响规律

 以第1#、7#、13#、22#、31#阻流棒分别向左右各旋转6度，将使两侧缝的流量都减小。为了得到旋转调节后两侧流量变化的规律，现用二次曲线拟合的方法对1#、2#、7#、8#、13#、14#、22#、23#、31#、32#缝的流量进行拟合，最终得到一条拟合后的二次曲线，其流量表达式为：

y=-0.0841x2+0.0027x+3.725                      

式中：y—多缝流量 x—阻流棒角度

此阻流棒的流量特性为抛物线特性。                                                

3.2阻流棒旋转对横幅布浆均匀性的影响

按照上面得到的流量变化规律对优化后的模型进行阻流棒旋转调节，以进一步缩小布浆流量误差。由阻流棒旋转对缝两侧流量变化的影响规律可知，任一阻流棒的旋转将使相邻两侧缝的流量都减小，同时会使相邻两侧缝的邻近两侧缝的流量有所增加，因此在进行局部流量调节时，要先根据实际需要确定出一个流量误差范围，并依据此调节规律同时结合二次曲线表达式，调节那些流量值超过误差上限的流量，每次阻流棒的调节幅度要根据实际的流量变化情况，结合二次曲线表达式计算得到。为了减少调节次数，由二次曲线的对称性可知，每次调节可以向同一个方向调节，如此反复几次调节就可以将流量误差控制在要求的范围内。本次调节方法是每次选择5个流量高点对应的阻流棒，按照式1计算各阻流棒的调节角度，模拟分析调节后的横幅误差，在此基础上用同样的方法再进行第二次调节，直至调节到满足流量误差范围之内。

三次调节后缝流量对比可以看出经过三次调节不同阻流棒的角度，最终将流量误差由2.11%减小到1.46%，这样的误差可以满足一般纸机对布浆器的要求。还可以进一步调节使流量误差进一步缩小，以满足更高的横幅定量误差要求。这一结果充分显示了多缝型布浆器具有优越的横幅调节性能。

4 进浆总管流量对布浆均匀性的影响

在实际生产中，上浆流量往往与设计计算值不同，同时也会因其它工艺参数的变化而变化，所以有必要研究缝形锥管布浆器对于上浆量变化的适应性。

通过改变总管进浆流量，在上述流量误差1.46%所对应模型的基础上,分别将速度降低为1.5m/s、1.75m/s和提高到2.25m/s、2.5m/s来研究流量分布的变化情况。                       

通过上面试验表明，可调节多缝型布浆器对于进浆量发生变化时引起的横幅误差的调节性能也非常有效。其中最小误差是在速度设为2m/s时所达到的1.46%，其余各速度下的流量误差都未超过1.9%，并且速度改变越小，流量误差也越小。还可以进一步调节使流量误差进一步缩小，以满足更高的横幅定量误差要求，这一结果充分显示了无回流多缝型布浆器具有优越的横幅调节性能。

5 结论与展望

 ⑴总管后壁优化后，小端圆弧半径为11.2mm时，横幅布浆均匀性最好，其流量误差为2.11%，并有效防止浆料堆积。

 ⑵通过旋转阻流棒的角度，就可以改变各布浆支流的横截面积，从而改变各布浆支流的流量，以实现横幅布浆均匀性的局部调节，并且阻流棒调节的流量特性为抛物线特性。

 ⑶改变进浆流量，最小误差在速度为2m/s时所达到的1.46%，其余各速度下的流量误差都未超过1.9%，并且速度改变越小，流量误差也越小。

多缝型布浆器从结构原理上可以实现在线调节缝宽，以进一步减小布浆流量分布误差，并减小或取消回流量。

作者：卫魏 侯顺利 杨恒 王海琛