袁啟龍 李春霞 許 力 李 言 嚴和平

（1. 西安理工大學機械與精密儀器工程學院，陜西西安，710048；2. 陜西理工機電科技有限公司，陜西西安，710018）

造紙工業(yè)作為我國基礎(chǔ)原材料產(chǎn)業(yè)之一，對我國國民經(jīng)濟的發(fā)展起著重要作用，與國民經(jīng)濟有序發(fā)展和社會文明建設(shè)息息相關(guān)。造紙技術(shù)的發(fā)展水平在一定程度上體現(xiàn)了國家經(jīng)濟的發(fā)展程度，是經(jīng)濟發(fā)展中具有循環(huán)經(jīng)濟特征的重要基礎(chǔ)原材料產(chǎn)業(yè)和重要經(jīng)濟增長點［1-2］。濕法造紙生產(chǎn)過程中需要大量水資源，容易造成水污染和空氣污染，且其生產(chǎn)的紙制產(chǎn)品難以滿足一些應(yīng)用場合的特殊需求［3-4］。干法造紙技術(shù)具有能耗低、出紙效率高、無水污染、紙漿纖維利用率高、投資成本低等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各種生活用紙、衛(wèi)生巾、醫(yī)療床單、靠墊、桌布、餐巾紙等生產(chǎn)領(lǐng)域，正逐步成為造紙行業(yè)的主流技術(shù)［5-6］。負壓箱作為成型布料器的重要組成部件，其內(nèi)部流場分布的均勻性影響干法造紙過程中紙幅成型的均勻度。本課題對干法造紙設(shè)備（紙幅寬度1.6 m）中的負壓箱進行流體動力學仿真計算，研究風道結(jié)構(gòu)及排風量對箱體內(nèi)流場分布均勻性的影響，對負壓箱結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，以期為生產(chǎn)高質(zhì)量的無塵紙?zhí)峁├碚撘罁?jù)。

1 干法造紙技術(shù)基本原理

干法造紙技術(shù)依據(jù)空氣動力學基本原理，利用多風道氣流篩粉成型技術(shù)，將粉碎后的紙漿纖維通過抽吸氣流在成型網(wǎng)上形成所要求的層狀纖維制品［7］。目前，干法造紙成型箱可分為圓筒篩分式結(jié)構(gòu)和攪拌過濾式結(jié)構(gòu)［8］，其中圓筒篩分式結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、成型速度快、工作效率高等特點?；趫A筒篩分式成型布料器的干法造紙原理如圖1 所示，其基本原理是：纖維原料和空氣混合氣流由送風風機分別從兩個旋轉(zhuǎn)的圓筒一端送入，兩個送料入口分別設(shè)置在箱體兩側(cè)，圓筒壁布滿一定尺寸的小孔，圓筒內(nèi)部裝有打散輥，經(jīng)過圓筒與打散輥相反的轉(zhuǎn)動作用，將纖維原料打散分離，使符合沉降標準的纖維顆粒隨氣流穿過圓筒的小孔進入成型箱體內(nèi)部并呈漂浮狀態(tài)，在上部送風與負壓箱抽吸的共同作用下，纖維顆粒沉降于移動的成型網(wǎng)上形成無強度的纖維層，隨著成型網(wǎng)的移動可實現(xiàn)不間斷布料，經(jīng)過后續(xù)熱壓緊、噴膠、烘干膨化等工藝的處理，最終形成無塵原紙［9］。

圖1 圓筒篩分式成型布料器干法造紙原理圖Fig.1 Schematic diagram of air-laid papermaking for cylindrical sieve forming distributor

圓筒篩分式成型布料器結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要由成型箱（包括圓筒篩、打散輥、托輥體、壓輪、機架等）、成型網(wǎng)和負壓箱等組成［10-11］。負壓箱是干法造紙成型布料過程中的關(guān)鍵部件，通過負壓風機的抽吸作用將纖維物料吸附于成型網(wǎng)上，該結(jié)構(gòu)的流場特性決定纖維物料沉降的有序性及紙幅成型的均勻度。

圖2 圓筒篩分式成型布料器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of cylindrical sieve forming distributor

2 負壓箱計算模型的建立

2.1 計算域的建立與網(wǎng)格劃分

根據(jù)不可壓縮流體連續(xù)性方程可知，當排風量恒定時，與單風道結(jié)構(gòu)相比，多風道結(jié)構(gòu)負壓箱內(nèi)不易形成渦流，負壓箱內(nèi)流場更均勻，即風道越多時，負壓箱內(nèi)流場分布越均勻。負壓箱排風口與負壓風機抽風管道相連，為了使抽風管道與排風口連接方便，通常將排風口形狀設(shè)計為矩形，封閉式五風道負壓箱結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 封閉式五風道負壓箱結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of enclosed five-duct negative pressure box

考慮工程設(shè)計制造的實際需求及仿真計算的局限性，為確保負壓箱風道內(nèi)流量均勻分配并形成均勻穩(wěn)定的流場，設(shè)計3種負壓箱風道結(jié)構(gòu)。依據(jù)流場均勻性進行負壓箱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化選擇，使纖維能在成型網(wǎng)上均勻沉降。圖4 為3 種負壓箱Z截面示意圖；其中，圖4（a）為單風道結(jié)構(gòu)，即在負壓箱內(nèi)部設(shè)置單一隔板，將箱體內(nèi)部分割為左右單風道；圖4（b）為封閉式五風道結(jié)構(gòu)，在單風道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，左右兩部分設(shè)置等間距折彎隔板（厚度2 mm），將負壓箱內(nèi)部分割為左右各有5個風道的多風道結(jié)構(gòu)；圖4（c）為敞開式五風道結(jié)構(gòu)，在封閉式五風道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上不封閉左側(cè)五風道隔板末端，使負壓箱入口氣流快速進入下層并從排風口排出，避免氣流在負壓箱上層分流造成流場分布不均勻。

圖4 負壓箱Z截面示意圖Fig.4 Schematic diagram of Z-section of negative pressure box

為方便表達仿真結(jié)果，將五風道負壓箱內(nèi)風道按照圖5所示進行命名并標明坐標系，左右兩部分從外到內(nèi)依次為left1～left5和right1～right5。

圖5 五風道負壓箱Y截面圖Fig.5 Y-section diagram of five-duct negative pressure box

采用ANSYS Workbench 軟件中的ICEM 模塊對負壓箱流體域模型進行網(wǎng)格劃分，考慮到計算域模型的體積較大及內(nèi)部隔板布置的復雜性及不規(guī)律性，為兼顧計算精度和運算效率，采用四面體網(wǎng)格單元對負壓箱進行離散化處理。在負壓箱的排風口與進風口處采用較密的網(wǎng)格單元，其他區(qū)域采用相對稀疏的網(wǎng)格單元，共產(chǎn)生網(wǎng)格單元4290669 個，節(jié)點總數(shù)802297個，負壓箱網(wǎng)格劃分模型如圖6所示。

圖6 負壓箱網(wǎng)格劃分模型Fig.6 Grid division model of negative pressure box

2.2 邊界條件的設(shè)置與求解設(shè)置

負壓箱工作時采用抽出式排風方式，負壓風機在排風口抽吸作用下，使氣流由箱體頂部進風口流入并流經(jīng)內(nèi)部多個風道，最后由排風口流出。將劃分好網(wǎng)格的負壓箱離散模型導入Fluent 中進行流體仿真計算，計算域進口采用自由出入模式，出口采用速度出口，初始出口速度為7.94 m/s（排風量20000 m3/h），垂直于出口面；負壓箱壁面設(shè)置為無滑移條件；流體介質(zhì)為空氣，其密度為1.225 kg/m3。

利用湍流模型進行計算時，需要給定入口邊界條件中的湍流參數(shù)，通過給定湍流強度（I）、水力直徑（DH）、湍流動能（k）和湍流耗散率（ε）等來定義流場邊界上的湍流［12-13］。根據(jù)流體力學的經(jīng)典理論，湍流強度（I）通過式（1）計算。

湍流動能（k）和湍流耗散率（ε）可由式（2）和式（3）計算得到。

式中，Cμ=0.09，ρ為空氣密度。

因此，湍流動能（k）和湍流耗散率（ε）取值范圍 分 別 為 ： 7.5×10-4～1.9×10-2m2/s2和 1.8×10-4～2.3×10-2m2/s2。

在初始情況下，求解采用基于壓力的SIMPLE 非耦合隱式算法［14］，梯度項差分方法采用Least Squares Cell Based模式，壓力項采用Second Order格式，其余控制項采用默認設(shè)置。設(shè)置求解控制的松弛因子為0.3，殘差收斂設(shè)置為0.0001，迭代3000 步后計算收斂。

3 負壓箱流場特性分析

3.1 單風道負壓箱的流場均勻性分析

負壓箱的壓力和速度流場分布沿著Y、Z方向變化有所不同，Y方向的流場可明確反映各風道的流場分布特點。Z方向的流場分布與紙幅的成型有密切關(guān)系。為便于分析，在成型布料器Z方向上分別建立Z=142、590、900 mm 和Y=-800、2、800 mm 等代表性截面作為研究目標面。圖7為單風道負壓箱內(nèi)流場仿真得到的不同截面速度分布云圖。從圖7（a1）～圖7（a3）可以看出，Z截面的速度場整體分布較均勻，且速度較小。從圖7（b1）～圖7（b3）可以看出，Y截面速度場分布出現(xiàn)瞬變性，風速由進風口到排風口逐漸增大，風速最大為13 m/s，排風口區(qū)域有效面積逐漸減小，加速集聚于排風口，導致風速增大。在此截面處的左右風道產(chǎn)生明顯的大尺度渦流，這是由于風道內(nèi)空氣可流動面積較大，且流動只受到壁面的阻礙，因而在兩側(cè)壁面之間出現(xiàn)大面積的渦流狀態(tài)，嚴重影響風道速度均勻性，不利于纖維在成型網(wǎng)上的均勻成型。

圖7 單風道負壓箱內(nèi)的速度分布云圖Fig.7 Cloud diagram of velocity distribution in single-air-channel negative pressure box

負壓箱結(jié)構(gòu)Y=-800 mm、Z=590 mm 截面均便于表達各風道位置，且便于計算各風道流量，因此，本課題選取Y=-800 mm截面計算各個風道的流量。利用CFD后處理軟件求得單風道負壓箱內(nèi)部Y=-800 mm截面的質(zhì)量流量與體積流量，結(jié)果如表1 所示。從表1可以看出，左右兩個風道的質(zhì)量流量差異較小，體積流量比為1∶1.06，說明兩風道風速差異較小，這是因為兩個風道的有效面積一致。

表1 單風道負壓箱Y=-800 mm截面的風道流量Table 1 Air channel flow of single-air-channel negative pressure box at cross section Y=-800 mm

3.2 封閉式五風道負壓箱的流場均勻性分析

圖8為封閉式五風道負壓箱內(nèi)流場仿真得到的不同截面的速度分布云圖。由圖8（a1）～圖8（a3）可知，Z截面各風道速度場分布比較均勻，但折彎隔板的拐角處速度較大，靠近隔板處速度減小，這是由空氣在兩側(cè)隔板之間發(fā)生接觸碰撞所致。由圖8（b1）～圖8（b3）可知，Y=-800 mm截面處氣流進入負壓箱后繞過兩側(cè)的斜隔板沿著左右各風道流動，右側(cè)第五風道出現(xiàn)較明顯的渦旋狀態(tài)，而左側(cè)風道內(nèi)的流場分布相對較均勻。

圖8 封閉式五風道負壓箱內(nèi)的速度分布云圖Fig.8 Cloud diagram of velocity distribution in enclosed five-duct negative pressure box

封閉式五風道負壓箱Y=-800 mm截面的各風道流量如表2 所示。由表2 可知，左側(cè)各風道質(zhì)量流量與體積流量均相差不大、較均勻；右側(cè)各風道質(zhì)量流量和體積流量波動范圍較大，最小體積流量與最小質(zhì)量流量均出現(xiàn)在right1 風道，與其他各風道差異較大。左右風道總體積流量比為1.117∶1，表明左右風道流量分配不均衡，風道速度不均勻。

圖9 為利用表2 中的各風道體積流量計算獲得的Y=-800 mm 截面的風道平均速度變化曲線圖。從圖9可以看出，左側(cè)與右側(cè)從外到內(nèi)的風道速度都呈現(xiàn)增大趨勢，左側(cè)風道速度變化范圍比右側(cè)的小，除了右側(cè)第一風道速度略小于左側(cè)第一風道速度外，右側(cè)其他各風道速度均大于左側(cè)各風道速度。這是由于考慮實際安裝空間限制和成本，左右風道抽風口設(shè)置在負壓箱同側(cè)，使得右側(cè)風道與排風口距離較近，沿程阻力小，因而右側(cè)風道速度大于左側(cè)風道速度。

圖9 封閉式五風道負壓箱Y=-800 mm截面的風道平均速度Fig.9 Air channel average velocity of enclosed five-duct negative pressure box at cross section Y=-800 mm

表2 封閉式五風道負壓箱Y=-800 mm截面的風道流量Table 2 Air channel flow of enclosed five-duct negative pressure box at cross section Y=-800 mm

圖10 為Y=-800 mm 截面的左右風道平均壓力變化曲線圖。從圖10 可以看出，除左側(cè)第一風道的壓力小于右側(cè)第一風道壓力外，左側(cè)其他風道壓力均大于右側(cè)各風道壓力，且左側(cè)各風道的壓力變化幅度較小，基本都維持在-80 Pa左右，表明左側(cè)風道的壓力分布較均勻。right4風道的壓力最小，為-297 Pa，而right1風道的壓力基本接近正壓，壓力出現(xiàn)較大差異，表明右側(cè)風道壓場不均勻，不利于纖維在成型網(wǎng)上的均勻著落。

圖10 封閉式五風道負壓箱Y=-800 mm截面的風道平均壓力Fig.10 Air channel average pressure of enclosed five-duct negative pressure box at cross section Y=-800 mm

由以上分析可知，沿各風道順序，負壓箱內(nèi)流場壓力變化與速度變化的整體趨勢相反。但風道速度變化較小時壓力變化也相對穩(wěn)定，速度變化較大時的風道壓力波動也較大。因此可知，封閉式五風道負壓箱流場right1 風道速度場和負壓場的均勻性較差，應(yīng)在此區(qū)域采取措施以適當降低壓力，增大速度，從而達到排風均勻性的要求。

3.3 敞開式五風道負壓箱的流場均勻性分析

圖11 為敞開式五風道負壓箱內(nèi)流場仿真獲得的不同截面的速度分布云圖。從圖11（a1）～圖11（a3）可以看出，沿著+Z方向（Z=142 mm～Z=900 mm），Z截面各風道速度場分布越均勻。Z=590 mm 截面各風道氣流分布較均勻，在隔板折彎處速度較大，這是由空氣在兩側(cè)隔板之間發(fā)生接觸碰撞所致。對比封閉式五風道負壓箱內(nèi)的速度分布云圖（見圖8（a1））可知，敞開式五風道負壓箱的左側(cè)風道流場分布更加均勻。從圖11（b1）可以看出，Y=-800 mm截面處的左側(cè)風道內(nèi)的流場分布相對右側(cè)風道更均勻，速度變化梯度較小。結(jié)合圖11（b1）～圖11（b3）可知，負壓箱上層速度分布整體小于下層，且在負壓箱入口處速度分布更均勻。

圖11 敞開式五風道負壓箱內(nèi)的速度分布云圖Fig.11 Cloud diagram of velocity distribution in open five-duct negative pressure box

敞開式五風道負壓箱Y=-800 mm截面的各風道流量如表3 所示。由表3 可知，左右風道總體積流量比為1.08∶1，right1 風道與right5 風道的體積流量相差800 m3/h；相較于封閉式五風道負壓箱，敞開式五風道負壓箱右側(cè)各風道體積流量的差值有所減?。ǔ齬ight1風道外），這是因為敞開式五風道負壓箱的左右風道相通后，平衡了左右風道體積流量的分配比。

表3 敞開式五風道負壓箱Y=-800 mm截面的風道流量Table 3 Air channel flow of open five-duct negative pressure box at cross section Y=-800 mm

圖12 為敞開式五風道負壓箱Y=-800 mm 截面的左右各風道平均速度變化曲線圖。由圖12 可知，左側(cè)與右側(cè)風道從外到內(nèi)風道的速度都呈增大趨勢，左側(cè)風道速度變化范圍比右側(cè)的小，除右側(cè)第一風道速度略小于左側(cè)的外，右側(cè)其他各風道速度均大于左側(cè)各風道速度。

圖12 敞開式五風道負壓箱Y=-800 mm截面的風道平均速度Fig.12 Air channel average velocity of open five-duct negative pressure box at cross section Y=-800 mm

圖13 為敞開式五風道負壓箱Y=-800 mm 截面的左右各風道平均壓力變化曲線圖。由圖13 可知，左側(cè)各風道的壓力變化較小，均保持在-160 Pa 左右，除right1 風道的壓力較大之外，右側(cè)其他風道壓力與左側(cè)各風道壓力差異較小。

圖13 敞開式五風道負壓箱Y=-800 mm截面的風道平均壓力Fig.13 Air channel average pressure of open five-duct negative pressure box at cross section Y=-800 mm

由以上分析可知，敞開式五風道結(jié)構(gòu)不僅有效平衡了負壓箱內(nèi)左右風道流量分配比，且其速度場與壓力場分布更均勻，左右風道的速度與壓力變化波動也較小，即敞開式五風道負壓箱的流場比封閉式的更加均勻，有利于干法造紙過程中纖維均勻沉降。

3.4 排風量對負壓箱流場均勻性的影響

在干法造紙過程中，為了適應(yīng)不同的生產(chǎn)需求，負壓箱通常要在不同排風量條件下工作。分別對排風量Q=30000、40000、50000 和 60000 m3/h 時的敞開式五風道負壓箱的流場進行仿真計算，分析負壓箱內(nèi)流場速度變化規(guī)律，結(jié)果如圖14 所示（取Y=-800 mm截面作分析）。從圖14可以看出，由外到內(nèi)，左右風道的速度都呈遞增趨勢，且隨著排風量的增大，各風道速度也相應(yīng)增大。

圖14 不同排風量的風道速度變化Fig.14 Variation of air channel velocity at different exhausting volume

4 負壓箱流場分布性能的評價

評價流場均勻性的標準有多種，本課題以速度不均勻系數(shù)評價負壓箱內(nèi)部流場的均勻性，速度不均勻系數(shù)愈小，速度場愈均勻，流場分布也越均勻［15-16］。

速度不均勻性系數(shù)是在負壓箱內(nèi)選擇n個測點，分別測得各點風速，根據(jù)式（4）和式（5）求得其算術(shù)平均值和均方根偏差。

式中，n為測點總數(shù)；vi為對應(yīng)測點的速度；為算術(shù)平均值；σv為均方根偏差。

速度不均勻系數(shù)（kv）可由式（6）求得。

選取X=-900、-600、-300、300、600、900 mm，Y=-600、 -300、 2、 300、 600 mm 和Z=200、 450、680、900 mm 截面的交點（共120 個）為計算點，利用后處理軟件在流場仿真結(jié)果中提取計算點處的速度值，并計算速度不均勻系數(shù)。

圖15為不同結(jié)構(gòu)負壓箱Z截面的速度不均勻系數(shù)變化曲線圖。從圖15可以看出，Z=200 mm截面上的速度不均勻系數(shù)較大，Z=900 mm 截面上速度不均勻系數(shù)較小，表明距離負壓箱進風口越近，速度不均勻系數(shù)越小，速度場均勻性越好，纖維在成型網(wǎng)上的沉降越均勻。單風道負壓箱各截面速度不均勻系數(shù)在0.39～0.55 之間波動，整體小于另外兩種五風道結(jié)構(gòu)的負壓箱，但單風道負壓箱內(nèi)易出現(xiàn)大尺度渦流，不利于纖維均勻沉降。敞開式五風道負壓箱各截面速度不均勻系數(shù)均比封閉式的小，其值在0.50～0.55波動，說明敞開式五風道負壓箱內(nèi)流場分布均勻性更好，有利于形成均勻度較好的紙張。

圖15 不同結(jié)構(gòu)負壓箱的速度不均勻系數(shù)Fig.15 Velocity inhomogeneity coefficients of different negative pressure boxes

圖16 為敞開式五風道負壓箱在不同排風量時各截面處（Z截面）的速度不均勻系數(shù)變化曲線圖。從圖16可以看出，不同排風量下，各截面的速度不均勻系數(shù)變化趨勢相同；在各截面處（不包括Z=200 mm、Z=900 mm截面），各排風量對應(yīng)的速度不均勻系數(shù)相差極??；在Z=200 mm、Z=900 mm截面處，各排風量對應(yīng)的速度不均勻系數(shù)范圍分別為0.535～0.554、0.478～0.505，變化范圍也較?。挥纱丝芍?，排風量的變化對敞開式五風道負壓箱的流場均勻性影響較小。因此，在保證紙張成型質(zhì)量的前提下，可適當降低風機功率以節(jié)約能源。

圖16 排風量對速度不均勻系數(shù)的影響Fig.16 Effect of exhausting volume on velocity inhomogeneity coefficient

5 結(jié) 論

本課題運用Fluent軟件研究了干法造紙負壓箱結(jié)構(gòu)及排風量對其流場分布特性的影響，并以速度不均勻系數(shù)作為流場分布均勻性的評價指標，分析了負壓箱內(nèi)部流場均勻性變化規(guī)律，主要結(jié)論如下。

（1）單風道負壓箱的左右風道體積流量比為1∶1.06，但風道內(nèi)出現(xiàn)大尺度渦流，不利于纖維均勻沉降。

（2）封閉式五風道負壓箱內(nèi)流場大尺度渦流現(xiàn)象消失，左右風道總體積流量比為1.117∶1，流量分配不均勻，且速度不均勻系數(shù)變化范圍較大，其值在0.470～0.635之間波動，表明流場分布不均勻。

（3）敞開式五風道負壓箱內(nèi)的左右風道總體積流量比為1.08∶1，流量分配較均勻，并且速度不均勻系數(shù)在0.535～0.554 之間波動，變化范圍較小，表明其流場分布均勻性較好。

（4）隨著排風量增大，敞開式五風道負壓箱內(nèi)各風道的速度相應(yīng)增大，但流場速度不均勻系數(shù)變化較小，因此，工程實踐中可適當降低風機功率以節(jié)約能源。