朱勝遠，魏建軍，衛(wèi)靈君,3，王倩茜，孫昊,3,4，吳志毅

自動化與智能化技術(shù)

基于CFD技術(shù)的立式水力碎漿機內(nèi)流特性分析

朱勝遠1，魏建軍2，衛(wèi)靈君1,3，王倩茜1，孫昊1,3,4，吳志毅1

（1.江南大學(xué)，江蘇 無錫 214000；2.杭州保億奧體置業(yè)有限公司，杭州 310000；3.江蘇省食品先進制造裝備技術(shù)重點實驗室，江蘇 無錫 214000；4.清華蘇州環(huán)境創(chuàng)新研究院，江蘇 蘇州 215000）

對立式水力碎漿機內(nèi)部流場特性進行分析，為改善碎漿效果和改進碎漿機的設(shè)計生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。利用Ansys Fluent軟件對水力碎漿機內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬分析，采用控制變量法研究葉片數(shù)量、轉(zhuǎn)子離底間隙、擾流板數(shù)量對流場特性的影響，流場的評價指標有速度場、壓力場、轉(zhuǎn)子功耗等。數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，立式水力碎漿機內(nèi)部流體流動為典型的軸向流動模式，葉片數(shù)量、轉(zhuǎn)子離底間隙及擾流板數(shù)量對流場靜壓和轉(zhuǎn)子功耗影響較大，對流場速度影響相對較小；當轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量為2、轉(zhuǎn)子離底間隙為10 mm、擾流板數(shù)量為3時，碎漿機結(jié)構(gòu)的功耗相較于原始結(jié)構(gòu)的功耗降低了8.5%；內(nèi)部流體流動速度也大于原始結(jié)構(gòu)，碎漿效率有所提高。獲得了水力碎漿機的內(nèi)流特性，為水力碎漿機升級改進提供了參考，從而助力紙模包裝行業(yè)的發(fā)展。

轉(zhuǎn)子；內(nèi)流場；功耗；碎漿效率

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，各行業(yè)對包裝用紙和再生漿板的需求日益增加；但由于國內(nèi)造紙用纖維資源匱乏，加之國家限制固廢進口禁令和禁塑令的頒布實施，同時倡導(dǎo)資源的可回收、低碳節(jié)能等，這使得廢紙回收再利用備受關(guān)注。以廢紙、再生漿板為主要原料的纖維模塑制品，作為一種無污染、可循環(huán)、可降解、性能良好的綠色產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用于包裝行業(yè)。同時作為“以紙代塑”的最佳選擇，纖維模塑制品市場容量大，到2025年纖維模塑將占有塑料包裝市場30%的份額，市值約為2 388億元。因此纖維模塑制品是一種集經(jīng)濟與環(huán)境效益于一體的綠色低碳包裝制品[1-6]。對廢紙或漿板進行碎解是制造纖維模塑制品的第一道工藝，而水力碎漿機是第一道工藝中的關(guān)鍵碎解設(shè)備，其作用是將交織成紙的纖維進行離解。目前，對廢紙或漿板的碎解一般采用的是立式水力碎漿機，主要結(jié)構(gòu)有槽體和轉(zhuǎn)子等[7]，轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)會極大地影響碎漿機內(nèi)部流體的流動模式和流動狀態(tài)，進而影響碎漿機碎漿效率和功耗。

研究者通過研究不同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子對漿料碎解混合的影響，以期改善漿料碎解效果和降低設(shè)備功耗。美國Black Clawson公司發(fā)明了伏克斯轉(zhuǎn)子，但該轉(zhuǎn)子能耗較高，后又對其改進，改進后的P·S伏克斯轉(zhuǎn)子減少了漿料回流減弱的情況，同時動能消耗大為降低[8]。Cell wood公司研發(fā)了一種Type S型轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時能夠使流體產(chǎn)生強烈的湍流，對漿料產(chǎn)生劇烈水力剪切作用，適用于破碎較難碎解的原料[9]。Andritz公司研發(fā)了一種FSW-3型轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子渦流效果顯著，同時對原料產(chǎn)生較大機械作用，碎解效果顯著提高[10]。余章書[11]研究了一種帶有尖銳齒形刀刃的伏克斯轉(zhuǎn)子，該型轉(zhuǎn)子能夠促進流場的雙漩渦擴散碎解能力，有效地增強了漿料的循環(huán)流動，降低了碎漿功率消耗。樊磊嘉等[12]研究了一種節(jié)能型轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子能使?jié){料順利進入空腔，進而到達葉片工作面，產(chǎn)生渦流流動，提升了碎漿效率。林廣學(xué)等[13]研究了一種多功能飛刀轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子能快速地切碎漿料，同時在轉(zhuǎn)子背后形成劇烈渦流，有效地提高了碎漿效率。雖然研究者通過改變轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，進而改變碎漿機內(nèi)部流體的湍流和渦流流動狀態(tài)以達到良好的碎漿目的，但碎漿機內(nèi)部流場是復(fù)雜的三維流動，難以表征。近年來，計算流體力學(xué)（CFD）發(fā)展迅速，CFD能夠獲得復(fù)雜三維流場方面的特征參數(shù)，如速度、壓力等結(jié)果可視化，有助于研究分析復(fù)雜的三維流動。同時CFD經(jīng)濟成本較低[14-16]，但目前將CFD技術(shù)應(yīng)用于對螺旋葉片轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的立式水力碎漿機內(nèi)部流場特性的分析鮮有報道。

本研究在已有的設(shè)計理論基礎(chǔ)上[17-19]，基于Ansys Fluent軟件，采用控制變量法研究轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量、轉(zhuǎn)子的離底間隙以及擾流板數(shù)量對立式水力碎漿機內(nèi)部流場特性的影響規(guī)律，以期提高碎漿效率和降低功耗，為立式水力碎漿機的優(yōu)化設(shè)計提供一定理論依據(jù)。

1 計算模型

1.1 水力碎漿機結(jié)構(gòu)模型

圖1為碎漿機的結(jié)構(gòu)簡化模型，在原始模型中，轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量為3片；轉(zhuǎn)子離底間隙為5 mm；擾流板數(shù)量為4個，均布在槽體圓錐底部。圖1a為碎漿機的原始結(jié)構(gòu)示意圖，碎漿機設(shè)計有效容積為30 L、槽體直徑為410 mm、槽體高度為285 mm、轉(zhuǎn)子高度為240 mm、轉(zhuǎn)子直徑為140 mm。圖1b為碎漿機網(wǎng)格模型，分為2個部分，內(nèi)部旋轉(zhuǎn)域和外部靜止域。圖1c為3個擾流板的槽體結(jié)構(gòu)，每個擾流板間隔120°，均布在槽體圓錐底部。

圖1 碎漿機結(jié)構(gòu)簡化模型

1.2 水力碎漿機內(nèi)部流質(zhì)和流態(tài)

原始設(shè)計條件為未漂白木漿板與水的固-液兩相，低濃漿料可視為牛頓流體，其流動狀態(tài)與水流相似。為了更好地分析出各因素對流場的影響規(guī)律，在此簡化了流動模型，設(shè)置槽體內(nèi)的流質(zhì)為單水，黏度為0.001 003 Pa·s密度為1.0×103kg/m3。用雷諾數(shù)來判斷碎漿機內(nèi)流體流動狀態(tài)，根據(jù)式（1），當轉(zhuǎn)子設(shè)計轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時，雷諾數(shù)=653 333＞2 000，故碎漿機內(nèi)流體為湍流狀態(tài)。

式中：為流體的密度，kg/m3；為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min；為轉(zhuǎn)子直徑，mm；為流體的黏度，Pa·s。

2 數(shù)學(xué)模型和計算方法

2.1 控制方程

水力碎漿機內(nèi)的流體為單相水，其流動過程可以用連續(xù)性方程和動量方程來表述[16,20]。

由計算的雷諾數(shù)結(jié)果可知，碎漿機工作時，其內(nèi)部流場處于湍流狀態(tài)，故對數(shù)值分析系統(tǒng)施加湍流輸送方程。本研究選用的是標準方程，該方程穩(wěn)定性良好且計算精度合理[21-22]。

2.2 計算方法

壓力-速度耦合選擇SIMPLEC算法；壓力離散為Standard格式，動量離散為first order upwind scheme格式，松弛因子適當縮?。恢亓Ψ较驗檩S負方向；為防止結(jié)果偽收斂，需考慮殘差和轉(zhuǎn)子周圍點速度的變化。當殘差收斂且轉(zhuǎn)子周圍點的速度趨于穩(wěn)定，可判斷計算收斂，流場穩(wěn)定。

2.3 邊界條件

采用多重參考系法（MRF）將碎漿機內(nèi)部流域劃分為2個部分：靜止域與旋轉(zhuǎn)域，兩者之間交界面用interface進行數(shù)據(jù)交換。旋轉(zhuǎn)域轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，轉(zhuǎn)子相對于旋轉(zhuǎn)域的速度為0，轉(zhuǎn)子表面（blade）設(shè)置為旋轉(zhuǎn)無滑移壁面邊界條件；靜止域除上表面設(shè)置為對稱面（symmetry）外，其余外部邊界均設(shè)置為靜止無滑移壁面（wall），具體邊界如圖1b所示。

2.4 網(wǎng)格劃分及無關(guān)性驗證

將碎漿機三維模型導(dǎo)入到Ansys Mesh進行網(wǎng)格劃分，使用四面體網(wǎng)格對碎漿機模型進行網(wǎng)格劃分，同時對轉(zhuǎn)子表面和槽體壁面進行加密。采用網(wǎng)格收斂指數(shù)（Grid Convergence Index , GCI）對6套不同數(shù)量的網(wǎng)格進行無關(guān)性分析，6套網(wǎng)格數(shù)量為78萬、99萬、128萬、164萬、212萬、355萬，最大限度地保證了仿真結(jié)果的可靠性[20,23-25]。參照韓太柏等[20]的研究，根據(jù)GCI相關(guān)計算，判定128萬的網(wǎng)格計算結(jié)果已達到網(wǎng)格無關(guān)，故選用128萬網(wǎng)格進行后續(xù)仿真計算。

3 結(jié)果與討論

3.1 葉片數(shù)量對碎漿機內(nèi)部流場影響

葉片的數(shù)量會影響碎解效率、轉(zhuǎn)子制造難易及成本等。葉片數(shù)量多會帶來較好的碎漿效果，但相應(yīng)導(dǎo)致加工制造成本和功耗的增大，在小規(guī)格立式水力碎漿機中葉片數(shù)量一般為2～3片。下面研究轉(zhuǎn)子的葉片數(shù)量對碎漿機內(nèi)部流場特性的影響。

在碎漿機內(nèi)部流場中取4個特征面，豎直方向特征平面=0，水平特征面=260、=150、=50；line1、line2、line3分別為豎直方向特征平面與3個水平方向特征平面的交線，如圖1a所示。用豎直方向特征平面及3條特征線來表征流場情況。

3.1.1 葉片數(shù)量對速度場的影響

1）流動模式。從圖2可以看出，葉片的數(shù)量并不會影響碎漿機內(nèi)部的整體流態(tài)，二者均為典型的軸向循環(huán)流動模式。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子附近區(qū)域速度較大，流體由轉(zhuǎn)子頂部螺旋葉片被吸入，通過轉(zhuǎn)子中部傳輸?shù)睫D(zhuǎn)子底部，隨后以較大速度泵送至槽體壁面，與槽體下方壁面碰撞后，再經(jīng)槽體壁面爬升至槽體上部區(qū)域，這樣形成圖2所示的整個軸向循環(huán)流動模式。兩葉片和三葉片都是轉(zhuǎn)子葉片邊緣區(qū)域的速度較高，槽壁附近區(qū)域速度較低，正是由于碎漿機內(nèi)部各處流體流速的不同，不同流層之間存在速度梯度差，會對漿料產(chǎn)生剪切作用力，從而碎解漿料。從速度矢量圖上看，兩葉片轉(zhuǎn)子流場速度最大值為18.11 m/s，略微大于三葉片轉(zhuǎn)子的18.02 m/s，但兩者差異較小。

2）速度分布。圖3為不同高度處總速度沿徑向的分布情況。由圖3可知，在不同高度處的兩葉片與三葉片總速度分布趨勢基本一致，且都呈軸對稱分布。在水平方向上，碎漿機內(nèi)部流體的速度從葉片邊緣處至轉(zhuǎn)柱中心呈下降趨勢；而在轉(zhuǎn)子葉片與槽壁之間，由于流體經(jīng)轉(zhuǎn)子底部泵送后與槽壁發(fā)生激烈碰撞，流速先降低后升高。速度最小值出現(xiàn)在槽壁處，速度最大值出現(xiàn)在葉片邊緣處，這與圖2速度矢量圖速度趨勢相一致。在line1上，兩葉片和三葉片轉(zhuǎn)子的速度均在/=±0.25處出現(xiàn)最大值，三葉片轉(zhuǎn)子的最大速度約為3.45 m/s，兩葉片轉(zhuǎn)子的最大速度約為3.30 m/s；在line2上，三葉片轉(zhuǎn)子的速度在/=±0.22處出現(xiàn)最大值，約為6.20 m/s，兩葉片轉(zhuǎn)子的最大速度在/=±0.16處出現(xiàn)最大值，約為6.72 m/s；在line3上，兩葉片和三葉片轉(zhuǎn)子的速度在/=0.17處出現(xiàn)最大差值，約為0.90 m/s。綜合以上3條線上的數(shù)據(jù)可知，在總體上三葉片轉(zhuǎn)子與兩葉片轉(zhuǎn)子速度相差不大。

3.1.2 葉片數(shù)量對壓力場的影響。

碎漿機內(nèi)部流體靜壓可間接表示流體間的相互作用力。靜壓值越大，流體間相互作用力越大，纖維間摩擦越大，漿料碎解效率越高。通過對比圖4相同截面的靜壓圖可以看出，兩葉片轉(zhuǎn)子的高壓區(qū)域范圍明顯大于三葉片的，因此兩葉片的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)碎解效率較優(yōu)。

3.1.3 葉片數(shù)量對功耗的影響

通過ANSYS軟件面積分方法得到轉(zhuǎn)子扭矩，并計算得出功率。當轉(zhuǎn)速一定，均為2 000 r/min時，三葉片轉(zhuǎn)子的扭矩為8.26 N·m，對應(yīng)的功率為1.73 kW；兩葉片轉(zhuǎn)子的扭矩為7.52 N·m，對應(yīng)的功率為1.57 kW。從功耗上看，兩葉片更加節(jié)能。

綜合以上速度場、流體靜壓、功耗等因素，以及考慮實際工程生產(chǎn)中的物料成本和加工成本，采取兩葉片轉(zhuǎn)子較合適。

3.2 轉(zhuǎn)子離底間隙對碎漿機內(nèi)部流場影響

有資料表明[19]，轉(zhuǎn)子的離底間隙一般為2～3 mm，但在實際生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)子與篩板之間常常會卡入較多的塑料等雜質(zhì)，導(dǎo)致碎漿機啟動困難，甚至需要將轉(zhuǎn)子拆下，將雜質(zhì)清理干凈后，設(shè)備才能啟動。解決的辦法一般是將轉(zhuǎn)子離底間隙適當放大，但不能大于16 mm，否則會造成碎漿能力顯著下降。下面研究不同的轉(zhuǎn)子離底間隙（5、10、15 mm）對碎漿機內(nèi)部流場的影響。

圖2 不同葉片數(shù)量xy平面速度矢量

圖3 不同葉片數(shù)量碎漿機內(nèi)部總速度

圖4 不同葉片數(shù)量碎漿機內(nèi)部靜壓

3.2.1 轉(zhuǎn)子離底間隙對速度場的影響

1）流動模式。圖5是離底間隙為10 mm和15 mm時平面速度矢量圖。離底間隙為5 mm時的速度矢量圖見圖2a，三者對比可以看出，轉(zhuǎn)子的離底間隙不同時，碎漿機內(nèi)部流態(tài)基本相似，均為典型的軸向流動模式，這表明轉(zhuǎn)子的離底間隙并不影響碎漿機內(nèi)部的整體流態(tài)。在速度值上，當轉(zhuǎn)子離底間隙為5 mm時，流場內(nèi)的最大速度為18.02 m/s；當轉(zhuǎn)子離底間隙為10 mm時，流場內(nèi)的最大速度為17.96 m/s；當轉(zhuǎn)子離底間隙為15 mm時，流場內(nèi)的最大速度為17.88 m/s。三者速度也無較大差異。

2）速度分布。圖6為轉(zhuǎn)子的離底間隙不同時碎漿機內(nèi)部總速度。由圖6可知，在line1上，離底間隙不同時，速度均在/=±0.25處出現(xiàn)最大值；轉(zhuǎn)子離底間隙為5 mm時的最大速度約為3.45 m/s，轉(zhuǎn)子離底間隙為10 mm時的最大速度約為3.75 m/s，轉(zhuǎn)子離底間隙為15 mm時的最大速度約為4.20 m/s。故轉(zhuǎn)子離底間隙為15 mm時的速度最大，離底間隙為10 mm時的速度次之，離底間隙為5 mm時的速度最小。在line2、line3處，不同離底間隙的速度相差較小。

［1］譚莉莉，黃津芳，王虹，等.康復(fù)訓(xùn)練對先天性心臟病患兒術(shù)后恢復(fù)的影響.中華護理雜志，1996，31(6):314-315.

3.2.2 轉(zhuǎn)子離底間隙對壓力場的影響

圖7是離底間隙為10 mm和15 mm時碎漿機內(nèi)部靜壓，離底間隙5 mm的靜壓見圖4a。三者對比可得出，當離底間隙為5 mm時，碎漿機內(nèi)流體靜壓多處于50 000 Pa到75 000 Pa之間；而當離底間隙為10 mm時，碎漿機內(nèi)流體靜壓值多處于40 000 Pa到55 000 Pa之間；當離底間隙為15 mm時，碎漿機內(nèi)流體靜壓值多處于10 000 Pa到35 000 Pa之間。故離底間隙為5 mm時碎解效率最好，離底間隙為10 mm時次之，離底間隙為15 mm時碎解效率最低。

圖5 不同離底間隙xy平面速度矢量

圖6 離底間隙不同時碎漿機內(nèi)部總速度

圖7 不同離底間隙時碎漿機內(nèi)部靜壓

3.3.3 轉(zhuǎn)子離底間隙對功耗的影響

轉(zhuǎn)速均為2 000 r/min、離底間隙為5 mm時，轉(zhuǎn)子功耗為1.73 kW；離底間隙為10 mm時的功耗與離底間隙為15 mm時功耗相近，兩者分別為1.711 kW和1.709 kW。

通過實驗室碎漿機實際使用情況，在槽體底部會有難以碎解的廢紙。為解決這一現(xiàn)實問題，選擇在轉(zhuǎn)子底部安裝飛刀，飛刀厚度約為3 mm。在后期生產(chǎn)加工裝配時，考慮到轉(zhuǎn)子是通過螺栓安裝在底部轉(zhuǎn)盤上，為便于留有裝配空間以及避免篩孔堵塞，需要求轉(zhuǎn)子與篩板之間有適當大的離底間隙。考慮實際情況，轉(zhuǎn)子離底間隙為5 mm時難以滿足相關(guān)要求；但當離底間隙為15 mm時，碎漿機內(nèi)部流體靜壓下降明顯，碎漿效率顯著降低。綜合考慮，轉(zhuǎn)子離底間隙取10 mm較為合適。

3.3 擾流板數(shù)量對碎漿機內(nèi)部流場影響

擾流板又稱擋板，其作用是將碎漿機內(nèi)流體的旋轉(zhuǎn)運動改變?yōu)榇怪狈D(zhuǎn)和消除漩渦。擾流板的存在抑制了流體的切向速度，提高了流體的軸向和徑向速度分量，促進整體軸向循環(huán)流動[26]。恰當數(shù)量的擾流板能夠促進槽體內(nèi)物料運動，有利于物料混合；過多的擾流板即槽體過擋板化，不僅會造成混合性能下降，還會增加設(shè)備動力消耗。通過調(diào)研，目前市面上銷售的碎漿機內(nèi)擾流板一般為3～4塊。下面研究擾流板數(shù)量對碎漿機內(nèi)部流場特性的影響。

3.3.1 擾流板數(shù)量對速度場的影響

1）流動模式。圖8為3個擾流板的平面速度矢量圖，4個擾流板的速度矢量圖見圖2a。兩者對比可以得出，擾流板的數(shù)量并不影響碎漿機內(nèi)部的整體流態(tài)，均為典型的軸向流動模式。圖8右上方流場紊亂，而左上方流場軸向流動清晰，這是因為在槽體豎直特征平面右下方無擾流板，左下方存在擾流板，也說明了擾流板的存在促進了槽體內(nèi)流體的軸向循環(huán)流動。3個擾流板的安裝方式見圖1c。3個擾流板和4個擾流板的流場整體速度上相接近。

圖8 3個擾流板的xy平面速度矢量圖

2）速度分布。圖9為不同高度處總速度沿徑向分布。由圖9可知，在line1上，4個擾流板的速度在/=±0.25處出現(xiàn)最大值，約為3.45 m/s；3個擾流板的速度約在/=±0.27處出現(xiàn)最大值，約為4.05 m/s。在line1上3個擾流板的速度整體上大于4個擾流板的速度。在line2、line3處，不同數(shù)量擾流板的速度相差較小，但整體上3個擾流板的速度大于4個擾流板的速度。綜合3條線上的數(shù)據(jù)得出，總體上3個擾流板的速度高于4個擾流板的速度。

3.3.2 擾流板數(shù)量對壓力場的影響

圖10為3個擾流板碎漿機的內(nèi)部靜壓，4個擾流板碎漿機的內(nèi)部靜壓見圖4a。兩者對比可看出，3個擾流板的高壓區(qū)域明顯大于4個擾流板的，得出3個擾流板的碎漿機的碎漿效率優(yōu)于4個擾流板的碎漿機的碎漿效率。

圖9 不同數(shù)量擾流板碎漿機內(nèi)部總速度

圖10 3個擾流板碎漿機內(nèi)部靜壓

3.3.3 擾流板數(shù)量對功耗的影響

轉(zhuǎn)速均為2 000 r/min、擾流板數(shù)量為4個時，轉(zhuǎn)子功率為1.73 kW；擾流板數(shù)量為3個時，轉(zhuǎn)子功率為1.70 kW。從功耗上看，3個擾流板的碎漿機結(jié)構(gòu)更加節(jié)能。

綜上，4個擾流板會出現(xiàn)過擋板化，會減少總體流動，導(dǎo)致不良的混合性能。綜合速度場、壓力場、功耗等因素以及物料成本和加工成本，采取3個擾流板較合適。

3.4 流場優(yōu)化后驗證

通過以上分析，綜合考慮各種因素，選取轉(zhuǎn)子葉片為兩葉片、離底間隙為10 mm、擾流板數(shù)量為3作為優(yōu)化結(jié)構(gòu)。下面對優(yōu)化結(jié)構(gòu)進行模擬仿真，與原始結(jié)構(gòu)進行對比分析。

3.4.1 優(yōu)化前后速度場對比

1）流動模式。圖11為優(yōu)化后平面速度矢量圖，優(yōu)化前見圖2a，兩者對比可以得出，優(yōu)化前后碎漿機內(nèi)部的整體流態(tài)相似，二者均為典型的軸向流動模式，優(yōu)化前后速度差異較小。

圖11 優(yōu)化后xy平面速度矢量圖

2）速度分布。圖12為不同高度處總速度沿徑向分布，由圖12可知，在line1、line2特征直線上優(yōu)化后的總速度整體上大于優(yōu)化前的速度。在line1上，優(yōu)化前和優(yōu)化后的速度均在/=±0.25處出現(xiàn)最大值，優(yōu)化前的最大速度約為3.45 m/s，優(yōu)化后的最大速度約為4.20 m/s。在line2上，在/＜0側(cè)，優(yōu)化前的速度約在/=?0.23處出現(xiàn)最大值，約為6.04 m/s，優(yōu)化后的速度約在/=?0.20處出現(xiàn)最大值，約為6.20 m/s；在/＞0側(cè)，優(yōu)化前后的速度均約在/=?0.23處出現(xiàn)最大值，優(yōu)化前約為6.25 m/s，優(yōu)化后約6.28 m/s。在line3上，優(yōu)化前后的速度互有優(yōu)勢。綜合3條線上的數(shù)據(jù)可知，總體上優(yōu)化后的速度優(yōu)于優(yōu)化前的速度，優(yōu)化后漿料運動速度大，有利于提高漿料的碎解效率。

3.4.2 優(yōu)化前后的功耗

當轉(zhuǎn)速均為2 000 r/min時，優(yōu)化前轉(zhuǎn)子功率為1.73 kW，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)子功率為1.583 kW，優(yōu)化后功耗較優(yōu)化前降低了8.50%。

圖12 優(yōu)化前后碎漿機內(nèi)部總速度

4 結(jié)語

針對立式水力碎漿機內(nèi)部復(fù)雜三維流場，本文基于CFD技術(shù)，利用Fluent軟件，采用控制變量法對立式水力碎漿機內(nèi)部流場特性進行了分析，得到碎漿機內(nèi)部流體的速度場和壓力場分布以及轉(zhuǎn)子功耗，得出以下結(jié)論：

1）葉片數(shù)量對流場特性的影響主要體現(xiàn)在流體靜壓方面，兩葉片流場高壓區(qū)大于三葉片流場高壓區(qū)；對速度場方面影響較小，同時兩葉片轉(zhuǎn)子較三葉片轉(zhuǎn)子更加節(jié)能。

2）轉(zhuǎn)子的離底間隙對流場靜壓和功耗的影響較大，當離底間隙為15 mm時，槽體內(nèi)流體靜壓過低，不利于漿料碎解；離底間隙為5 mm時，較難滿足實際加工裝配?？紤]實際生產(chǎn)加工情況、碎漿效率和功耗等，轉(zhuǎn)子離底間隙取10 mm較為合適。

3）當槽體內(nèi)部加裝4個擾流板時會出現(xiàn)過擋板化的情況，會消耗更多的功耗且不利于漿料的碎解，故取3個擾流板更適合。

4）改進后的結(jié)構(gòu)較原始結(jié)構(gòu)功耗降低了8.50%，流體流動速度也大于原始結(jié)構(gòu)，有利于促進漿料的循環(huán)流動，提高了碎漿效率，為碎漿機優(yōu)化改進提供思路；同時在原材料成本及加工制造成本也有一定的降低，進一步降低紙漿模塑制品的成本，助力紙模包裝行業(yè)的發(fā)展。

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Internal Flow Characteristics of Vertical Hydraulic Pulpers Based on CFD Technology

ZHU Sheng-yuan1, WEI Jian-jun2, WEI Ling-jun1,3, WANG Qian-qian1, SUN Hao1,3,4, WU Zhi-yi1

(1. Jiangnan University, Jiangsu Wuxi 214000, China; 2. Boee Group Limited Company, Hangzhou 310000, China; 3. Jiangsu Key Laboratory of Advanced Food Manufacturing Equipment and Technology (Jiangnan University), Jiangsu Wuxi 214000, China; 4. Tsinghua Suzhou Environmental Innovation Research Institute, Jiangsu Suzhou 215000, China)

The work aims to analyze the internal flow field characteristics of vertical hydraulic pulpers to provide a theoretical basis for improving the pulping effect and the design and production of pulpers. A numerical simulation analysis of the internal flow field of a hydraulic pulper was carried out with Ansys Fluent software. The control variable method was used to study the impact of the number of blades, the rotor clearance from the bottom, and the number of spoiler plates on the flow field characteristics. The characteristics of the flow field were evaluated by the velocity field, pressure field and rotor power consumption. The numerical simulation results showed that the fluid flow in the vertical hydraulic pulper was a typical axial flow mode. The number of blades, the rotor clearance from the bottom and the number of spoiler plates had a greater impact on the static pressure of the flow field and the power consumption of the rotor, while the impact on the velocity of the flow field was relatively small. When the number of rotor blades was 2, the rotor clearance from the bottom was 10 mm, and the number of spoilers was 3, the power consumption of the pulper structure was reduced by 8.5% compared with the original structure. The internal fluid flow velocity was also faster than that of the original structure, while the pulping efficiency was improved. The internal flow characteristics of the hydraulic pulper were obtained. The research results provide a theoretical basis and reference for upgrading of vertical hydraulic pulpers and promote the development of the paper packaging industry.

rotor; internal flow field; power consumption; pulping efficiency

TB486；TS733

A

1001-3563(2023)15-0122-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.15.016

2022?12?07

江蘇省食品先進制造裝備技術(shù)重點實驗室自主研究課題資助項目（FMZ201905）

朱勝遠（1995—），男，碩士生，主攻制漿造紙設(shè)備與工藝。

孫昊（1981—），女，博士，副教授，主要研究方向為生物質(zhì)資源綜合利用。

責任編輯：曾鈺嬋