曾勁松 陳克復(fù) 李 軍

(1.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州,510640;2.廣東省造紙技術(shù)與裝備公共實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州,510640)

高濃漂白塔底稀釋區(qū)旋轉(zhuǎn)噴射管數(shù)值模擬

曾勁松 陳克復(fù) 李 軍

(1.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州,510640;2.廣東省造紙技術(shù)與裝備公共實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州,510640)

通過 Fluent的 Realizableκ-ε湍流模型以及多重旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 (MRF)技巧,對(duì)高濃漂白塔底稀釋區(qū)旋轉(zhuǎn)的直形和紡錘形兩種噴射管進(jìn)行了正反向幾種轉(zhuǎn)速的數(shù)值模擬,并對(duì)其各個(gè)出口的核心速度進(jìn)行了采集和分析,然后利用粒子圖像測(cè)速儀 (PI V)對(duì)該模型進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明,直形噴射管反向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速 10 r/min左右時(shí),其各個(gè)出口的速度差值較小;紡錘形噴射管在正向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速50 r/min下,其各個(gè)出口的速度差值最小;低轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)噴射管在這兩種條件下均可以視為等速噴射。用 Realizable κ-ε湍流模型以及MRF技巧對(duì)旋轉(zhuǎn)噴射水管進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和分析是可靠的。

Realizableκ-ε湍流;噴射;PI V;漂白塔

高濃漂白由于具有化學(xué)傳質(zhì)效率高、消耗蒸汽少等優(yōu)點(diǎn),已在造紙工業(yè)中被廣泛采納[1]。然而,由于高濃漿料流動(dòng)性差,其漂白反應(yīng)后漿料的輸出方式直接影響到消耗能量的多少和占用空間的大小,因此,研究高濃漿料降流漂白塔塔底卸料系統(tǒng)的卸料器輸送漿料的特征對(duì)于節(jié)約能源和節(jié)省空間、以及對(duì)卸料器的設(shè)計(jì)和改進(jìn),具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

現(xiàn)在的高濃降流漂白塔有Metso和 Andridz等公司采用的十字形或者一字形卸料器結(jié)合螺旋輸送機(jī)等方法對(duì)高濃漿料進(jìn)行卸料,但是從塔內(nèi)出來的漿料仍然是高濃漿料,因此需要配備稀釋單元,增加了設(shè)備的高度,缺乏設(shè)備布置的靈活性。在前期的工作中[2],利用尾流研制的卸料器在塔底設(shè)有稀釋區(qū),進(jìn)入稀釋區(qū)的高濃漿料首先在主噴射管的作用下完成等濃度噴射,變成了濃度為 3%～4%左右的稀漿料,為了對(duì)漿料的濃度進(jìn)行小范圍調(diào)整和避免旋轉(zhuǎn)軸周圍漿料的絮聚,增加等速噴射管,從而在稀釋區(qū)各點(diǎn)注入等流量的水,使旋轉(zhuǎn)軸周圍的漿料濃度變得低一些,從而能夠順利排出。在工業(yè)生產(chǎn)中,簡單的噴射管很多,有直形、紡錘形、腰形等。每一種噴射管都有其流場(chǎng)特點(diǎn),雖然可以通過做大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量在不同轉(zhuǎn)速下噴射管口的速度分布,但是這種方法不經(jīng)濟(jì)、工作量較大、流場(chǎng)分布信息欠缺,而且只要操作參數(shù)稍有變化,就需要重做實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量,以便知道哪一種噴射器在何種轉(zhuǎn)速下更適于做等速噴射。如果采用計(jì)算機(jī)流體力學(xué) (CFD)軟件對(duì)噴射管進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,就可以很方便的了解噴射管的速度分布情況和其流場(chǎng)特點(diǎn)。

本實(shí)驗(yàn)采用 Fluent(CFD軟件之一,可用于流體分析和計(jì)算)對(duì)兩種低轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)噴射管的射流進(jìn)行了數(shù)值分析和計(jì)算。

1 速度分析

根據(jù)卸料系統(tǒng)的要求,對(duì)噴射管的要求如圖 1所示,水從中心進(jìn)入,并繞中心旋轉(zhuǎn)的噴射管從兩側(cè)反對(duì)稱的噴口噴出,噴口的間距相等。每個(gè)噴口離中心的距離不一樣,液體在輸送過程中所受的管路損失阻力也不一樣,所以將會(huì)造成射流噴出的速度不一樣,很難形成等速噴射。

圖1 直形噴射管的模型

首先對(duì)直形噴射管進(jìn)行速度分析。如果出口的絕對(duì)速度為Vt,每一個(gè)出口的速度除了進(jìn)口的速度 Vin引起的速度分配 Vei以外,還有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)引起的離心速度 Vr。r為每個(gè)出口到中心的距離。

每個(gè)出口的矢量速度為：

旋轉(zhuǎn)方向如圖 1所示時(shí),出口速度為：

旋轉(zhuǎn)方向與圖 1所示方向相反時(shí),出口速度為

從上面的速度分析可以看出,正向和反向旋轉(zhuǎn)時(shí),出口速度完全不同,所以為了實(shí)現(xiàn)等速噴射,必須對(duì)其正向和反向旋轉(zhuǎn)的情況都要進(jìn)行研究。

2 建模和網(wǎng)格劃分

為了研究噴射管的流場(chǎng),對(duì)比較常用的直形噴射管和紡錘形噴射管進(jìn)行模擬。如圖 1所示,直形噴射管的長度為 300 mm,進(jìn)口直徑為7 mm,出口直徑為3 mm。進(jìn)口在噴射管的中心,兩側(cè)出口對(duì)稱地離中心的距離分別為 25 mm、50 mm、75 mm、100 mm、125 mm。紡錘形噴射管如圖 2所示,其長度和進(jìn)出口直徑、進(jìn)出口位置與直形噴射管一樣。不同的是相鄰出口處所在的截面直徑關(guān)系為=8 mm,隨著離開中心距離的增大,噴射管直徑呈遞減趨勢(shì)。

圖2 紡錘形噴射管的模型

利用 UG(EDS公司開發(fā)的 CAD/CAM/CAE軟件,可用于三維繪圖)對(duì)直形和紡錘形噴射管進(jìn)行幾何建模后,采用 ICEM(CFD軟件之一,用于劃分網(wǎng)格)對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

3 數(shù)值計(jì)算方程和邊界條件

3.1 數(shù)值計(jì)算方程

在流體動(dòng)力學(xué)中將從噴射管進(jìn)入靜止或運(yùn)動(dòng)速度比較慢的流體中的射流都可視為自由湍流[3],所以在 CFD求解計(jì)算過程中湍流模型采用 Realizableκ-ε模型,這種雙方程模型適合的流動(dòng)類型比較廣,包括有旋均勻剪切流、自由流 (射流和混合層)、腔道流動(dòng)和邊界層流動(dòng)。對(duì)以上流動(dòng)過程的模擬結(jié)果都比標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型的結(jié)果好[4]。有限體積法 (FVM)求解方法采用了 Fluent的求解壓力耦合方程組的半隱式方法 (SI MPLE)算法,這種算法是目前工程上應(yīng)用最為廣泛的一種流場(chǎng)計(jì)算方法。計(jì)算通量采用二階迎風(fēng)形式。沒有傳熱過程,所以數(shù)值計(jì)算中采用的守恒方程和κ-ε方程如下[4]：

其中：F是單位質(zhì)量流體的質(zhì)量力;gradp為流體內(nèi)應(yīng)力張量的梯度;p是流體內(nèi)應(yīng)力張量的分量 ;Jj′是組分 j′的擴(kuò)散通量 ;hj′是組分j′的焓值; τij是應(yīng)力張量 。

而 Realizableκ-ε模型的湍動(dòng)能及其耗散率輸運(yùn)方程為：

C1ε=1.44,C2=1.9,σk=1.0,σε=1.2;

Gk表示由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生;Gb表示由于浮力影響引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生;

YM表示可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響;

C1ε、C2是常數(shù);

σk和σε分別是湍動(dòng)能及其耗散率的湍流普朗特?cái)?shù)。

3.2 邊界條件

流體為水,進(jìn)口速度為 6 m/s,方向?yàn)樨Q直向下,噴射管的 10個(gè)出口為壓力出口,壓力為 0,采用moving reference frame(MRF)方法進(jìn)行求解,水射流均從噴射管的水平方向射出。轉(zhuǎn)速變化范圍為0～90 r/min,旋轉(zhuǎn)方向分為正反兩個(gè)方向,分別在FluentV6(Fluent軟件的版本)中進(jìn)行模擬。

4 結(jié)果與討論

為了研究在低轉(zhuǎn)速下直形和紡錘形噴射管的近似等速區(qū),在 FluentV6中分別對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,對(duì)不同轉(zhuǎn)速下各個(gè)出口的速度矢量的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集。由于噴射管噴出的水為射流,本實(shí)驗(yàn)主要研究其速度核心區(qū),也就是最大速度區(qū)域。射流穩(wěn)定后,由噴口邊界起向內(nèi)外擴(kuò)展的紊動(dòng)摻混部分為紊流剪切層混合區(qū);中心未摻混部分保持原出口流速,成為速度核心區(qū)。速度核心區(qū)的流速始終保持不變并等于噴口處射流的最大速度[3]。所以,噴射管每個(gè)出口的核心速度大致相等,就可以保證近似等速噴射。

4.1 直形噴射管

直形噴射管的出口速度分布見圖 3。從圖 3中可以看出,對(duì)于直形噴射管的各個(gè)出口速度分布的情況,速度分布連續(xù),所以在不同的轉(zhuǎn)速 0～90 r/min下,可以選取輸出數(shù)據(jù)中的最大速度矢量來進(jìn)行分析和研究[5-7]。

圖3 直形噴射管的出口速度分布

如圖 3所示,直形噴射管繞回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心速度方向與出口方向一致為正向,其速度矢量表達(dá)式如式 (2)所示;反之為負(fù)向,其速度矢量表達(dá)式如式 (3)所示。從圖 3中可以看到,直形噴射管在反向過程中,隨著轉(zhuǎn)速的升高,中間的出口速度變化不大,但是兩側(cè)出口的速度在不斷降低;在正向過程中,中間的出口速度變化依然不大,但是兩側(cè)的出口速度在不斷增加。出口位置從左到右分別為出口1、2、3、4、5、6、7、8、9、10。從 Fluent的出口最大速度矢量輸出數(shù)據(jù),分別利用Matlab軟件 (矩陣實(shí)驗(yàn)室 Matrix Laboratory的簡稱,是美國 Math-Works公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件,用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境)繪出三維圖 4和圖 5[8-9]。

從圖 4和圖 5中可以知道,不管是正向還是反向,中間出口 4、5、6的速度在不同轉(zhuǎn)速下變化不大,但是這 3個(gè)出口的速度彼此相差較大。噴射管在不同轉(zhuǎn)速下,其出口速度分布大致相同。噴射管兩側(cè)的速度在不同的出口和不同的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速下,變化不一。如圖 4所示,直形噴射管在反向旋轉(zhuǎn)時(shí),隨著轉(zhuǎn)速的增加,出口 1、2、3、7、8、9的速度越來越小;在低轉(zhuǎn)速時(shí),各個(gè)出口的速度大小相差小一些;轉(zhuǎn)速越高,各個(gè)出口的速度大小相差得越多。如圖 5所示,直形噴射管在正向旋轉(zhuǎn)時(shí)隨著轉(zhuǎn)速的增加,出口1、2、3、7、8、9的速度越來越大;在低轉(zhuǎn)速時(shí),各個(gè)出口的速度大小相差小一些;轉(zhuǎn)速越高,各個(gè)出口的速度大小相差得越多。通過比較,反向時(shí)低轉(zhuǎn)速下各個(gè)出口速度相差更加小,特別是在轉(zhuǎn)速 0～10 r/min之間時(shí),其速度差為 0.2 m/s左右。這種現(xiàn)象可以從式 (2)和式 (3)中得到解釋,速度分量中的離心速度 Vr=2πnr不僅與轉(zhuǎn)速有關(guān),而且與回轉(zhuǎn)半徑有關(guān),對(duì)于中間的出口由于回轉(zhuǎn)半徑小,所以在不同轉(zhuǎn)速下,其離心速度變化不會(huì)太大。在正向旋轉(zhuǎn)時(shí),離心速度分量成為增加的速度分量;在反向旋轉(zhuǎn)時(shí),離心速度分量成為減少的速度分量。

同時(shí),從圖 6和圖 7的速度矢量圖看出,出口速度不僅受上面敘述的離心速度 Vr的影響,還受進(jìn)口速度引起的分配速度 Vei的影響,特別是離中心較近的出口速度受影響最大,而離中心較遠(yuǎn)的出口受回流的影響較大。同時(shí),在管內(nèi)有少許的二次流。在圖 7中,出口 9、10離進(jìn)口較遠(yuǎn),受進(jìn)口速度影響較小,但是主要受離心速度的影響。在這兩個(gè)口中有較多量的二次流出現(xiàn)[10-14]。

4.2 紡錘形噴射管

在 FluentV6中對(duì)轉(zhuǎn)速在 0～90 r/min時(shí)紡錘形噴射管的進(jìn)、出口速度進(jìn)行了模擬,如圖 8所示。

圖8 紡錘形噴射管的進(jìn)出口速度矢量圖

由于模擬、分析方法同直形噴射管,所以這里只選取部分速度模擬分布圖進(jìn)行分析。通過分析比較發(fā)現(xiàn),紡錘形噴射管在正向旋轉(zhuǎn) 30～70 r/min之間,特別是在 50 r/min左右,速度大小比較接近,其最大與最小速度差值達(dá)到 0.3 m/s,而且在每個(gè)出口的速度分布比較均勻,如圖 9所示。

5 PIV實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證上面的模型以及相關(guān)分析是否可靠,采用 PI V系統(tǒng)對(duì)噴射管在各種轉(zhuǎn)速下出口的噴射速度進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用丹麥丹迪公司 (Dantec Dynamics A/S)現(xiàn)代的粒子圖像速度儀 PI V進(jìn)行速度測(cè)量。PI V系統(tǒng)由二維 PI V圖像記錄系統(tǒng)、分辨率為 2048×2048的 CCD照相機(jī)以及 135 mJ雙腔脈沖 PI V激光器組成。測(cè)量原理圖如圖 10所示,CCD照相機(jī)和 PI V激光器垂直放置[13]。如果要測(cè)量噴射管另外一側(cè)的速度,就需要重新調(diào)整 CCD照相機(jī)和 PI V激光器。實(shí)驗(yàn)中水的示蹤粒子為聚酰胺粒子,密度為1.0×103kg/m3。

圖9 紡錘形正向旋轉(zhuǎn)時(shí)噴射管的進(jìn)、出口速度分布

圖10 PI V系統(tǒng)安裝

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),速度的模擬值與實(shí)驗(yàn)值變化趨勢(shì)相同,如圖 11所示,直形噴射管在轉(zhuǎn)速為 0～90 r/min進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)時(shí),出口 1、2、3、4、5的速度模擬值與實(shí)驗(yàn)值相差大約在 12%左右。同時(shí)對(duì)直形噴射管在其他出口和正向旋轉(zhuǎn),以及紡錘形噴射管進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn),也有相同的驗(yàn)證效果。所以,模擬計(jì)算的模型和數(shù)值分析是可行的。

圖11 PI V實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的速度

6 結(jié) 論

直形噴射管或紡錘形噴射管在塔底對(duì)稀紙漿進(jìn)行進(jìn)一步噴射稀釋,就要求在一定轉(zhuǎn)速下噴射管的各個(gè)出口速度差值比較小,形成近似等速噴射,從而使旋轉(zhuǎn)軸周圍的稀紙漿不易絮集。通過對(duì)這兩種噴射管的數(shù)值模擬以及粒子圖像測(cè)速儀 (PI V)驗(yàn)證,得出了結(jié)論。

6.1 噴射管幾何特性呈反對(duì)稱,其速度矢量也大致對(duì)稱,但是速度大小不相等。這是由于管內(nèi)的二次流動(dòng)造成的。

6.2 直形噴射管要形成近似等速噴射,可以采用反向旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速調(diào)整到 10 r/min左右進(jìn)行。

6.3 紡錘形噴射管要形成近似等速噴射,可以采用正向旋轉(zhuǎn) 50 r/min左右。

6.4 旋轉(zhuǎn)低速射流采用 Fluen的 Realizableκ-ε模型和多重旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 (MRF)技巧進(jìn)行分析計(jì)算是可行的。

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(責(zé)任編輯：馬 忻)

Numerical Si mulation of Rotating Spray Tube with Low Speed

ZENG Jin-song＊CHEN Ke-fu L IJun
(1.State Key Lab of Pulp and Paper Engineering,South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong Province,510640;2.Public Lab of Paper Technology and Equipment,Guangzhou,Guangdong Province,510640)
( ＊ E-mail：zjs789zjs@126.com)

Based on Realizable κ-ε turbulent model and MRF technique in Fluent,the two kinds of rotary spray tube such as straight and spindle ones were simulated under different for ward and reverse rotating velocities,and the core velocities of each outlet were collected and analyzed.Then PI V system was used to validate the model.The results showed that the outflow velocity difference of the straight-type spray line is the smallest when the angular velocity is about10 r/min with the reverse rotation.While for the spindle spray line,the outflow velocity difference is smallest when the angular velocity is about50 r/min with the forward rotation.The sprays of rotary spray tube under low rotation speed can be considered as the constant velocity sprays in these two conditions.The numerical simulation results agreed with the PI V experiment data.So both Realizable κ-ε turbulent model and MRF technique are reliable and the calculated results are correct.

Realizable κ-ε;spray;PI V

TS733+.5

A

0254-508X(2011)04-0006-05

曾勁松女士,在讀博士研究生;主要研究方向：紙漿與造紙裝備技術(shù)。

2010-12-06(修改稿)

本課題為 “十一五”國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)支持項(xiàng)目,項(xiàng)目名稱“林業(yè)一體化工程技術(shù)研究與示范”,課題任務(wù)書編號(hào)為2006BAD32B06-2。