盤磨機磨區內紙漿流動研究與進展

劉 歡 董繼先 韓魯冰

(陜西科技大學機電工程學院，陜西西安，710021)

·盤磨機·

盤磨機磨區內紙漿流動研究與進展

劉 歡 董繼先*韓魯冰

(陜西科技大學機電工程學院，陜西西安，710021)

介紹了制漿過程中盤磨機磨區內紙漿纖維、水及水蒸氣三相流體的復雜流動，闡述了磨區漿料流動對磨齒捕獲沖擊纖維、磨齒的優化及磨漿效果的影響。重點對國內外盤磨機磨區內漿料流動的CFD(計算流體動力學)模擬及實驗研究的最新進展進行了綜述，同時對今后的研究方向提出展望。

盤磨機；三相流體；CFD；研究進展

本課題為國家自然科學基金資助項目(編號：50745048)。

近年來我國造紙行業不斷發展，節能降耗、提質增效已成為新時期的發展方向。機械制漿由于其得率高、磨漿質量好等優點而被廣泛應用，盤磨機作為機械制漿的關鍵設備，工作過程中功率較高，耗電量極大，尤其在高濃磨漿中更為明顯，也是制漿過程節能降耗重點研究的方向。

本課題從盤磨機磨區內纖維、水及水蒸氣三相流體流動的角度闡述了流體的流動形式對于磨漿效果、磨盤優化及節能降耗等方面的影響；綜述了國內外對于磨區內漿料流動的模擬及實驗研究進展。

1 磨區三相流體流動的特征及研究

磨漿過程中漿料由中心進入磨區，在磨齒的作用下，流體在磨盤間隙及磨齒間做復雜的隨機運動，由于磨齒對漿料的捕獲和釋放，使其頻繁與纖維及齒面揉搓、碰撞，最終以一定的形式甩出磨區，磨漿結束。由于磨盤的高速旋轉使得磨區溫度急劇升高，纖維、稀釋水兩相流體中的稀釋水氣化，形成第三相，在穩定的磨漿過程中，纖維、水及蒸汽三相流體的存在使得流動形式更加復雜，影響纖維在磨區的停留時間及流體在磨區的流向，進而影響纖維質量及磨漿能耗。

1.1磨區漿料流動特征

1979年，Fox[1]用高速攝像技術研究了配備透明磨盤的盤磨機磨區漿料的流動情況。研究表明，盤磨機磨區流動分為循環區和出口區(見圖1)，循環區指除了出口和入口區域之間狹窄區域之外的磨區，而出口管道和入口之間的狹窄區域即為出口區。

盤磨機內漿料的流動為三維流動(如圖2)，包括基本流、二次流和三次流，纖維主要通過磨齒捕獲進行磨漿隨后釋放排出磨區；定盤溝槽中的漿料存在回流情況，由于外出流動的停滯，磨區的正壓梯度增加，使得定盤溝槽中漿料出現內部流動。運用透明磨盤搭建的實驗臺、高速成像技術提供了研究磨區流動特征和流速測量技術的新方法。此后，Atack和Stationwala等人[2-5]也運用高速攝像技術研究了常壓和壓力磨漿過程中紙漿纖維的流動形式。

圖2 磨區三維流動形式

1984年，Atack等人[2-3]將盤磨機磨區磨齒分為三個部分：破碎區、粗磨區及精磨區(見圖3)。當木屑進入磨區，便會在破碎區的作用下碎成粗漿料，在破碎區漿塊及漿料絮團會產生強烈的湍動，存在循環回流[3- 4]，但此區域內纖維回流的速度非常緩慢[6]，大部分漿料進入磨區進行磨漿；在精磨區漿向外部流動，而粗磨區漿存在些許回流，當精磨區漿的徑向速度為30 m/s時，粗磨區的漿回流速度為1 m/s[6]；在磨區的外邊緣，漿料沿徑向向外流動[2-3]；在定盤溝槽中，漿料的回流確實存在[3]。

圖3 磨齒分區簡圖

H?rk?nen等人[7]運用一種理論模型來模擬盤磨機磨區的流動，研究中考慮到了蒸汽、纖維和水三相，基于質量、動量及能量守恒推導出模型，描述了水和蒸汽的流速以及磨盤間隙中漿的體積率。由于在模型中部分參數的獲得存在一定的誤差，使其存在一些缺陷。H?rk?nen在前人研究的基礎上描述了磨盤間隙內漿和蒸汽的流動簡圖[8](見圖4)，漿在動盤溝槽中不斷向外運動，而在定盤溝槽內可能存在一定形式的回流。學者研究表明，當直徑超過磨盤的臨界直徑時，定盤溝槽會出現回流現象[9]，磨區漿料運動的主要驅動力為動盤的旋轉，動盤溝槽中漿料的加速度、壓力及徑向流率均大于定盤，故定盤在理論上具有回流的趨勢；蒸汽的流動與定盤溝槽中漿料的流動有一定的相似之處，磨區內蒸汽可能沿徑向向外流動也可能回流，蒸汽流動的過程中流速為零的點稱為停滯點，此時漿料的溫度達到最大值，停滯點靠近入口一側，蒸汽回流，反之，蒸汽向磨區外部運動。由于漿料喂入流量、漿料的濃度、磨盤間隙及磨盤磨損程度等因素的影響，所以停滯點的位置不固定[10-11]。

圖4 漿料及蒸汽流動簡圖

1.2磨區漿料流動對磨漿過程的影響

1.2.1磨區漿料的流動影響磨齒對于纖維的捕獲

漿料進入磨區后，在磨齒或纖維的作用下進行磨漿，溝槽中的纖維并不能受到磨漿的作用，只有纖維從溝槽脫離進入磨區，才有可能受到設備的各種作用，達到磨漿的目的。Smith提出帚化理論以及后來的比邊緣負荷(SEL)理論，認為大部分纖維是在磨齒邊緣被捕獲而進行磨漿的，這一結論也被后來的研究所證實[3-5,11]。這就表明纖維進入磨區的首要條件就是漿料被磨齒邊緣所捕獲，在磨齒邊緣對其施加的作用力下帶入磨區進行磨漿，在溝槽內，上方是螺旋流動，下方是沿溝槽的徑向流動，正是其上方的螺旋渦流，為其進入磨區提供了可能性，研究不同控制參數及齒型對渦旋流動的影響，對于磨漿效果及理論的研究有一定的參考價值。

1.2.2齒面漿料分布影響磨漿效果

比表面負荷(SSL)理論將SEL理論進行了一定的延伸，認為磨齒的寬度對磨漿效果存在影響。當漿料被磨齒邊緣帶入磨區后，纖維在齒面及磨區形成一定厚度的料層，在齒面的作用下給予漿料一定力的作用，使得磨齒與纖維、纖維與纖維發生摩擦等作用。漿料在磨區流動受到磨齒的沖擊，所以漿料在磨齒的分布情況也對磨漿的效果產生一定的影響。由于一般磨盤存在一定的梯度，故不同磨區的漿料分布情況與其破碎機理存在一定的聯系。

Stationwala[5]研究表明磨區破碎區70%～80%的磨齒面積被紙漿纖維覆蓋，在破碎區和精磨區之間的粗磨區，齒面覆蓋率較高，而精磨區的磨齒覆蓋率較低;Alahautala等人[6]通過實驗研究表明破碎區充滿漿料，而粗磨區的漿料覆蓋率小于60%，精磨區的低于10%；H?rk?nen E等人[8]的研究表明，纖維在磨區的分布情況簡圖如圖5所示。高濃磨漿的機理與低濃存在一定的差別，漿料的分布也存在差異，需要進一步研究。

圖5 磨區漿料分布

圖7 高速攝像實驗裝置簡圖

1.2.3漿料流動與磨盤的優化

磨齒是磨漿的工具，不同的磨齒形式使得漿料具有不同的流道，同樣也會產生不同的水力損失，影響纖維在磨區的停留時間，進而影響磨漿效果。研究表明，合理的設計磨齒齒形、布置擋壩，能夠優化水力性能，降低能耗。Andritz Lemaxx系列磨片，采用V型齒槽，齒槽較深，在一定程度上能夠降低齒槽所引起的水力損失；在定盤上設置擋壩能夠減少纖維的回流，進而降低水力損失和電能消耗，在動盤上設置擋壩能夠調節流量延長纖維在磨區的停留時間，優化磨漿，Andritz Lemaxx簽名系列磨片(見圖6)，在定盤和動盤分別設置了一定數量的擋壩，與常規磨片相比，節能達30%[12]。通過磨區漿料流動的研究與磨片設計相結合，尋找出磨齒、擋壩與漿料之間的最佳配備形式。

圖6 Andritz Lemaxx簽名系列磨片

由此可見，機械制漿中漿料的質量、磨齒與纖維的作用機制及磨盤的優化與磨區漿料的流動形式息息相關；反之，對于磨區漿料流動的研究將促進對磨漿機理的認知及磨漿設備的改進升級。

2 磨區內漿料流動的實驗及模擬研究

20世紀，Fox，Atack，Stationwala等人運用高速攝像機研究了盤磨機磨區漿料的流動情況，基本對磨區漿料的流動情況加以描述。磨區流動具體細節以及不同參數對于漿料流動的影響，前人的研究很少涉及，隨著測量技術及計算流體動力學(CFD)的不斷普及和發展，對于磨區漿料的流動情況逐漸深入。

2.1實驗研究

2012年，Wittberg等人[13]運用圖7(a)所示實驗裝置研究了低濃盤磨機中溝槽的流動情況。在磨片上開一個直徑為3 cm的探視孔，通過高速成像技術對其中漿料的流動進行觀測，在粗紋磨盤上觀察到，闊葉木磨漿時溝槽中有高速旋轉的螺旋流，而對于針葉木漿，沿溝槽方向流速較大，螺旋流動運動較少；溝槽中的旋轉流動給磨齒邊緣施加了一個向下的剪力，最終捕獲和傳輸纖維。

2013年，哥倫比亞大學的Troy Lindsay Mithrush[14]設計出如圖7(b)的實驗裝置，對低濃盤磨機中的流體流動情況進行了研究。運用非侵入式的流體可視化技術、粒子跟蹤測速技術(PTV)，以聚乙烯紫外線熒光示蹤粒子，對圖像用相應的算法進行處理，以可視化的方式展現了平動盤和帶有齒槽的動盤兩種情況下流體的速度矢量和示蹤粒子的運動軌跡(見圖8)，顯示了溝槽和磨盤間隙中流體的不同流動軌跡。

圖8 兩種情況下流體的流動軌跡

2013年，華南理工大學劉嘉和劉士亮等人[15-17]將高速攝像技術應用于中濃磨漿過程的研究，采用透明磨片，利用染色纖維作為纖維示蹤物，通過高速攝像技術對中濃磨漿磨區內纖維變化情況進行了完整的拍攝記錄。通過對圖像的處理與觀察分析，得出不同轉速及磨片不同區域纖維團的運動狀況，并分析了纖維團變化的原因；還研究了中、低濃磨漿過程磨片不同區域中紙漿運動的狀況，并得出中、低濃磨漿過程中的差異性及紙漿纖維的主要受力情況。

通過運用高速攝像機、先進粒子測速技術等對盤磨機磨區流體流動的可視化研究，對漿料在磨區的流動形式、速度分布及纖維分離機理等有了更加直觀的認知，對于磨漿微觀機制、磨漿機理等研究起到一定的促進作用。

2.2CFD模擬

對盤磨機磨區漿料流動的CFD模擬研究進行了總結，按照模型的簡化，分為三維單齒模型、二維模型、部分磨片及完整磨片模型。

2.2.1三維單齒模型

2012年，Wittberg等人[13]第一次將磨齒簡化為圖9所示的三維單齒模型，用FLUENT研究了低濃盤磨機中溝槽的流動。將漿料視為單相、不可壓縮的流體，在牛頓和非牛頓流體情況下，分析不同轉速、壓差時溝槽中漿料的徑向流動情況。發現在定盤溝槽內存在兩種流動形式，齒槽上方的螺旋流動以及齒槽底部沿徑向方向的流動，而動盤溝槽漿料的流動與定盤比，較為復雜，在強烈的螺旋流動下，漿料被磨齒捕獲并進行磨漿作用，并且漿料的性能、壓差及漿料濃度對流動形式具有很大影響。

圖9 三維單齒模型

2014年，瑞典查爾姆斯理工大學SIMON INGELSTEN[18]將盤磨機磨齒簡化成圖9類似的模型，并建立了紙漿纖維流動的湍流模型——ODF模型，借助UDF將ODF和賓漢纖維模型導入FLUENT中進行數值計算。通過比較模擬結果與文獻中的實驗研究結果，發現ODF模型是有效的，但是賓漢模型所模擬的結果與實驗結果更為接近，且易于導入模擬，這說明ODF模型還有待于進一步研究和發展。SIMON將盤磨機磨齒簡化成與Wittberg的類似的模型，借助于賓漢模型進行了模擬，發現流動情況與前人研究類似。但是若磨盤間距大約為幾個纖維的直徑時，像賓漢模型那樣把纖維懸浮液看作是連續流體顯然是不科學的，借助這樣的模型得出的結果并不能顯示細節，只能描述大概的流動情況。

2016年，Anton Lundberg等人[19]同樣將賓漢流體模型應用于盤磨機磨齒流動的研究，對兩種高寬比的單齒齒槽(見圖10)進行了模擬，研究了兩種情況下齒槽中流體的流動情況、不同半徑截面的壓力分布、有效黏度、速度分布等，指出下一步研究應集中在探究機械制漿過程中的分絲帚化情況，包括汽蝕產生條件及空載功率的探究。

圖10 不同高寬比的齒槽模型

2011年，瑞典皇家理工學院的Khokhar[20]將盤磨機磨齒簡化成單齒模型，將流體認為是單相的牛頓流體，動力黏度為水的100倍，在不同壓力梯度及轉速的情況下，將磨盤簡化為如圖11所示的兩種情況，分別研究了動盤和定盤溝槽的流動情況。結果表明動盤溝槽的流動情況取決于壓差和磨盤的轉速，而定盤溝槽的流體流動主要受壓差的影響，轉速對其影響很小。Khokhar也對對磨盤間的流動形式做了介紹，認為動盤溝槽的流體流向外側邊界，而定盤流向中間，旋轉流動在定盤和動盤中均能看見，使得纖維被磨齒捕獲進而進行磨漿，與Fox的結果一樣。

圖11 磨盤流動研究的兩種簡化

2.2.2二維磨齒模型

2013年，加拿大不列顛哥倫比亞大學的Nina[21]在研究低濃磨漿機的空載能耗時，分析了低濃磨漿過程中牛頓流體在磨盤間隙的二維流動。運用FLUENT對圖12(a)的簡化模型進行模擬，首先研究了不同磨齒間隙時，在不同時間的流體流動情況，將漿料的流動情況分為穩定和非穩定兩種情況，表明漿料在不穩定流動時被磨齒帶入相鄰的齒面；其次為了研究定盤中漿料的接觸，引入了被動標量來代表示蹤粒子的運動；通過改變齒槽縱橫比W/T，研究了齒槽的縱橫比W/T對于流場的影響，表明隨著縱橫比增大，旋渦數量逐漸減小，如圖12(b)所示。

圖12 模型簡化及模擬結果

2.2.3部分及完整磨片模型

Grzegorz Kondora和Dariusz Asendrych對[22-23]低濃盤磨機中磨片的1/12及完整磨片作為模型(見圖13)進行了分析，將紙漿看作單相連續的流體，運用GAMBIT對其進行網格劃分，FLUENT進行數值計算。通過改變齒形參數、纖維特性、紙漿濃度等，研究了磨區的流動情況。通過簡化模型的模擬，發現CFD模擬的結果與實驗研究基本一致，表明漿料濃度對二次流的強度和纖維內部循環具有重要影響；在完整磨盤模擬時發現，出口區域的壓力與其他區域差別很大，這與Fox等人提出的磨區漿料流動分為循環區和出口區的論斷基本保持一致(見圖14)。

2014年，東北林業大學的劉龍[24]結合流體力學及數值模擬的方法，將磨盤簡化，采用磨盤的1/104作為模型進行分析，如圖15所示。分別改變模型中的磨盤間隙、磨齒傾角等參數，總結磨盤間隙中壓力場、速度場及流體運動軌跡的分布規律等。

圖13 模型簡化

圖14 模擬結果與Fox的對比

圖15 簡化模型及流動簡圖

圖16 分析區域及流動跡線

2015年，天津科技大學的王佳輝[25]以2500-Ⅱ型小型高濃盤磨機為原型進行建模，采用完整磨區作為分析區域(見圖16)，并用ANSYS軟件CFX模塊對其進行數值模擬，假設磨漿漿料為牛頓流體，并且連續均勻的進入磨區，針對不同的磨盤間隙分析了漿料流線和速度矢量。

2015年，山東理工大學的孔記樹[26]將盤磨機磨齒簡化為有齒和無齒兩部分，其簡圖和分析部分如圖16所示。將流體材料定義為水和木材兩相流，分析了不同磨盤間隙時，與磨盤齒槽垂直的速度分量和平行的速度分量的分布，將兩者的比值定義為速度占比，分析了速度占比R與磨盤間隙的關系(見圖17)。研究者認為R代表漿料自入口到出口的過程中所經過磨齒的數量，其值越大，漿料所受的磨齒作用越多，磨漿效率和效果會有所提高，故磨盤間隙最好不大于5 mm。

2016年，韓魯冰等人[27]運用三維建模軟件Solidworks的CFD插件Flowsimulation對常用的三種磨盤(見圖18)進行模擬、分析。通過改變磨齒的排列方式，對磨盤磨區內漿料流速、流態以及磨齒受力的情況進行模擬，發現這三種磨齒所產生的磨漿效果差異明顯，各有優劣，可為盤磨機磨盤選型以及磨齒失效研究提供依據。

盤磨機磨區漿料流動模擬研究比實驗研究更加靈活、簡便，可以在一定程度上對模型及分析流體進行適當簡化，減少研究成本，快速獲得結果，為了保證模擬結果盡可能符合事實，需要對模擬過程中模型簡化、邊界條件選取及流體模型進行深入研究。

圖17 模型簡化與結果分析

圖18 三種不同磨齒的流動形式

3 國內外盤磨機磨區漿料流動研究趨勢

3.1數值模擬研究的精確化

目前對于磨區漿料的分析，多采用水等單相牛頓流體對其進行分析，實際上磨區的紙漿為三相非連續的非牛頓流體，這樣對于漿料模型的簡化很可能從根本上影響模擬結果。國外對漿料的部分采用賓漢流體或ODF模型，也有學者利用CFD中UDF模塊進行自編程對漿料的特性進行分析，為了更加貼切的研究漿料流動的真實情況，需要進一步研究適用于紙漿的新的流體模型。

3.2低能耗磨片的開發

盤磨機能耗較高，在磨漿的每一段進行節能研究都是必要的。研究適合于不同漿種的磨齒結構，合理的設置擋壩，減少水力損失，保證漿料在磨區合理的停留時間，進而保證漿料在磨區受到合理的沖擊作用，達到所需紙漿的性能。

3.3數值模擬與實驗研究相結合

數值模擬的出現，給現代科學研究提供了方便，單純的數值模擬可能由于模型的簡化、網格的劃分等中間步驟出現失誤而導致結果的不確定性，需要輔助以實驗進行驗證，兩者各有優點，相輔相成。

3.4高濃磨漿磨區漿料流動研究

高濃磨漿相比于低濃，磨區料層較厚，磨齒的沖擊作用減弱，漿料之間的摩擦作用加強，其漿料流動情況必將出現差別。目前，高濃磨漿過程能耗更大，且對其磨漿過程漿料的流動研究較少，加強對高濃磨漿過程中漿料流動特性的研究，對于降低能耗、優化高濃磨盤結構、優化磨漿控制參數具有重要意義。

4 結 語

盤磨機作為高得率制漿的典型設備，雖磨漿效果好，但能耗較大。隨著節能減排的進一步推進，對于盤磨機磨漿機理及能耗研究的要求進一步提高，通過對國內外研究磨區紙漿流動的模擬及實驗研究的綜述，了解國內外研究方向和趨勢，還需繼續深化研究盤磨機磨漿過程，促進我國造紙裝備不斷升級。

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(責任編輯：馬 忻)

ResearchProgressofPulpFlowinDiscRefiner

LIU Huan DONG Ji-xian*HAN Lu-bing

(CollegeofMechanical&ElectricalEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvience, 710021)

The complex flow of three-phase fluid which consists of pulp fiber,water and steam in disc refiner was discribed in this paper.And the effect of pulp flow on fiber capture and impact by the bars,the optimization of the bar structure and the result of refining was discussed.Especially, the latest development about the CFD simulation and experimental study of the pulp flow in disc refiner was summarized.Finally,the prospect in research trend on the pulp flow in disc refiner was put forward.

disc refiner; three-phase flow; CFD; research progress

劉 歡先生，在讀碩士研究生；主要研究方向：盤磨機磨盤結構分析與優化。

TS733+.3

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.09.013

2017- 03- 30(修改稿)

*通信作者：董繼先，博士，教授，博士生導師；主要研究方向：化工過程機械、造紙設備的研究與開發。

(*E-mail: djx@sust.edu.cn)