中浓纸浆悬浮液流态化的实验研究及CFD模拟

中浓纸浆悬浮液在高剪切作用力下的流态化运动,其主体是尺度较小的絮聚团的流动,存在着纤维分散与絮聚的动态耦合与平衡关系,且体现出牛顿流体的流体动力学特征。实验证明中浓纸浆悬浮液在流体化过程中温度不断升高,温度场的变化反映了其流场及湍动动能的变化。以多相流湍流模型为基础对中浓纸浆悬浮液流态化过程进行CFD模拟,其数值计算的结果与实验结果较好的吻合。     

中浓度纸浆流态化特征

为了研究中浓度纸浆在不同剪切力下的流动特征,找到中浓度纸浆在流态化过程中的变化规律,实现中浓度纸浆悬浮液的流态化,从而达到泵送中浓度纸浆的目的,通过对纸浆剪切受力进行分析,并试验测量中浓度纸浆的密度及剪切应力和剪切旋转速度.建立了纸浆剪切应力和旋转剪切速度数学模型,根据其数学模型与试验结果分析,发现了不同浓度(质量分数)下纸浆的流态化特性,得到了中浓度纸浆的表观屈服应力和使其流态化所需的临界剪切应力,并建立其与纸浆浓度的数学模型.结果表明:功率数随着纸浆浓度的增加而增加,随着转速的增加逐渐减小,最终趋向于一个较小的稳定值,此时中浓度纸浆处于流态化状态.     

剪切条件下中浓纸浆的流动特性和能量耗散

对中浓纸浆悬浮液在剪切室内的流动特性和能量耗散进行了研究.结果表明中浓纸浆悬浮液在高剪切应力下可以达到流体化状态,此时其流动特性与水类似;根据中浓纸浆在流体化过程中的温度变化可以计算其能量耗散值;由于中浓纸浆中纤维之间存在着较大的摩擦力,因此耗散的能量与输入能量的比值很高,这对于中浓纸浆的泵送是很不利的;当中浓纸浆质量分数为13.2%时,其在流体化状态下的能量耗散值为498.96 kW/m3,表观粘度为7.94 Pa·s,所耗散的能量占输入能量的45.62%,且随着纸浆质量分数的升高而增大.     

中浓纸浆在反应器内的流动特性研究

中浓纸浆是一种非常特殊的介质,中浓纸浆在升流式反应器中的运动特性关系到反应器的反应效率和反应质量.为探求中浓纸浆在升流式反应器内的流动规律,作者利用自行研制的中浓纸浆漂白试验系统采用示踪法进行了研究.结果证明:中浓纸浆在升流塔内流动时的运动和塔器的截面形状,流动速度相关.对其中气体的运移也进行了一定深度的研究.     

纸浆纤维悬浮液的流动和模拟

纸浆纤维悬浮液流动力学可用于描述现代造纸机的流送和成形过程,为造纸过程及装备的优化设计提供理论依据.文中概述了纸浆悬浮液的特点及其模型和模拟方法,阐释了相关测量技巧,提出了将新的流场测量技巧与先进的软件相结合来研究特殊的多相流-纸浆纤维悬浮液的流动力学,重点介绍了笔者所在团队近期对纸浆悬浮液在多种模型中的流动与模拟研究以及PIV测量技术.最后阐释了这些理论研究成果在自行研制的国产高速造纸机的流浆箱和成形装置结构优化设计方面的应用.     

中浓度纸浆流变特性的数值模拟

为了研究中浓度纸浆受到剪切力后的流动特征,找到中浓度纸浆在流变过程中的变化规律,对中浓度纸浆在剪切室内剪切流动进行了数值模拟.考虑气体和纤维对纸浆纤维悬浮液的流变特性的影响,将其定义为具有屈服应力和剪切稀化特性的赫巴流体,建立了数值模拟方法.分析了纸浆在不同剪切力作用下的屈服过程,以及屈服应力、表观黏度和剪切稀化指数等物性参数,不同剪切室外径等条件时的流变特性.结果表明:在剪切室内,随着转速的增加,纸浆黏度减小,屈服区域增大,随着剪切室外径增大,纸浆黏度增大,运动区域减小;同转速时,随着屈服应力增大,纸浆黏度增大;随着表观黏度增大,纸浆黏度增大,运动区域减小;随着剪切稀化指数增大,纸浆黏度减小,运动区域增大.     

中浓纸浆悬浮液湍流边界层的模拟

介绍纤维悬浮液的分类及管道中纸浆纤维悬浮液的流动状态 ,重点进行中浓纸浆悬浮液湍流边界层的模拟研究 ,详细分析了相关的模拟结果 ,得出如下结论 :当管子壁面距离 0～ 9× 10 - 4m时 ,横过水环厚度的速度分布是线性的 ;水环厚度很小 ,水环中的剪切作用是层流剪切 ,剪切力作用于纤维网络表面 .突出网络塞体表面 (0～ 9× 10 - 4m )的纤维甚少 .据此可认为网络塞体表面较为光滑 ;管道中远离壁面处浓度高 ,壁面处浓度低 ,浓度分布具有递减的趋势     

水中泥沙颗粒聚集的二维数值模拟——单体凝聚模型

泥沙颗粒聚集形成絮体是高浊度水混凝处理过程中的中心问题.采用单体凝聚模型在二维空间内对泥沙絮体的生长过程进行了数值模拟,并运用分形理论对模拟絮体进行了性质分析,得到了粘附概率、粘附位置、运动路径和颗粒数量等因素的影响规律.研究结果表明,数值模拟能够成功用于水中泥沙颗粒聚集过程的研究;准确控制一些试验研究中无法考察的影响参数,是对水中泥沙颗粒聚集过程研究技术的有效补充和新的研究途径.     

细颗粒泥沙絮团粒径计算新方法

通过分析絮团在沉降过程中所受不同性质的力与絮团形状参数之间的关系,提出了一套新的絮团粒径定义方法.以两种不同性质的泥沙为对象,使用新定义与传统的等效圆定义分别计算了泥沙絮团二维图像的粒径,并对比了两种结果的优劣.研究结果表明:与传统定义相比,新定义的计算结果更加符合实测沉速的分布规律,计算精度也有较大幅度提升;当计算形状不规则絮团的沉速时,提升幅度要明显大于平均提升幅度;与传统定义相同,当使用新定义计算絮团沉速时,小颗粒絮团的计算结果要优于大颗粒絮团.     

基于泵内纸浆悬浮液数值计算的纸浆泵设计

在由吸水室、前盖板、半开叶轮和涡壳组成的过流部件内，对纸浆悬浮液的流动进行了三维不可压两相湍流流动计算．计算采用双流体模型及κ-ε湍流模型，Phase Coupled SIMPLE算法进行压力速度耦合计算．根据计算结果，对两相流动的速度、压力及体积分数进行了对比和分析研究．发现在叶轮叶片数较少的情况下，叶轮流道内速度变化不均匀．并着重对前盖板与叶轮间隙内的流动进行了分析，揭示了半开式叶轮输送两相流介质的优点所在．该计算结果为建立少叶片半开式叶轮纸浆泵的设计方法提供了理论依据．根据新的设计方法设计出的纸浆泵，效率经检测高出国家标准17．5％．