纸浆的流变特性及其在异形流道中流动的计算机模拟研究

发布时间：2017-05-28 00:07

  本文关键词：纸浆的流变特性及其在异形流道中流动的计算机模拟研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：我国造纸工业的发展对造纸装备和技术提出了更高的要求,针对纸浆纤维悬浮液的特性对纸机流浆箱进行结构优化设计具有重要意义,本文主要针对纸浆纤维悬浮液的流变特性及其在异形流道中流动的计算机模拟展开研究。本研究自主设计并加工了一套完整的实验用可视化流浆箱系统,得到的实验用可视化流浆箱系统成品在PIV测量中的应用效果良好,能够对CFD模拟结果进行有效验证。通过使用一种基于振动扭转谐振器的新型流变设备来对纸浆纤维悬浮液的黏度和粘弹性进行表征,实验结果表明,当未漂硫酸盐麦草浆纸浆浓度低于1%时,纸浆纤维悬浮展现出类似于水的牛顿流体特性。直接将纸浆纤维用作PIV实验的示踪粒子,用以描述纸浆纤维悬浮液中纤维相的流场特性,实验结果表明,低浓纸浆纤维悬浮液的流动过程中,纤维相的流动速度小于水相的流动速度,纤维相与水相之间存在相互作用,水相和纤维相的运动规律相似。流浆箱中有着异形流道的阶梯扩散管和湍流发生器能够产生微湍流,成为了研究的关键。使用Realizableκ-ε湍流模型、SIMPLEC算法和二阶迎风格式对阶梯扩散管和湍流发生器中的流动进行了CFD模拟,与PIV测量结果的对比说明,模型能较好的反应流道中流动的实际情况。模拟结果表明,阶梯扩散管的突扩结构能增强流动的湍动能和湍动能耗散率;阶梯扩散管大小管直径比小于1.25时,将无法形成有效的微湍流;大于2时,会出现流动死角区域。湍流发生器出口界面矩形一条边尺寸固定时,锥度对轴心线上的湍动能和湍动能耗散率影响不明显,其曲线符合单指数衰减函数规律;无锥度或者锥度大于3°,都会造成湍流发生器中流速分布不均。在已验证的CFD模型中引入湍流状态下的物质输送模型,对稀释水调节的异形流道流场特性进行了模拟。模拟结果表明,阶梯扩散管能够缩短稀释水和主浆流完全混合需要的流道长度,表现为阶梯扩散管轴心线上的浆浓曲线在突扩处出现了“台阶”特征。稀释水在突扩处之后的流动中扩散时,阶梯扩散管横截面水平中心线上的浆浓曲线呈现“V”形状,其分布符合高斯模型的特征。随着稀释水注入速度的增加,阶梯扩散管出口横截面中心点的浆浓随之线性降低;随着稀释水注入浓度的增加,阶梯扩散管出口横截面中心点的浆浓随之线性升高。稀释水在圆变方形湍流发生器中扩散时,湍流发生器横截面水平中心线上的浆浓曲线呈现“W”形状,其分布符合由D.Gorinevsky等提出的稀释水横向响应模型。
【关键词】：纸浆纤维悬浮液 流变特性 水力式流浆箱 CFD PIV
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TS713
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-35
• 1.1 稀释水流浆箱的功能与发展12-18
• 1.1.1 流浆箱的发展历史12-14
• 1.1.2 稀释水流浆箱的结构14
• 1.1.3 稀释水流浆箱的类型及其对横幅定量的控制14-18
• 1.2 纸浆纤维悬浮液流变特性的研究进展18-26
• 1.2.1 纸浆纤维悬浮液简述18-23
• 1.2.2 纸浆纤维悬浮液的表观屈服应力23-24
• 1.2.3 纸浆纤维悬浮液的剪切黏度24-25
• 1.2.4 纸浆纤维悬浮液的粘弹性25
• 1.2.5 纸浆纤维悬浮液的流体化25-26
• 1.3 计算机流体动力学模拟与实验验证26-33
• 1.3.1 三维几何建模软件与CFD软件介绍26-28
• 1.3.2 数值计算方法与湍流模型28-31
• 1.3.3 CFD模拟的验证31-33
• 1.4 本文的研究意义、内容和方法33-35
• 第二章 实验用可视化流浆箱系统设计研究35-64
• 2.1 可视化实验系统意义与目标35-36
• 2.2 实验装置设计与加工36-57
• 2.2.1 实验用可视化水力流浆箱结构设计36-54
• 2.2.2 实验用可视化水力流浆箱加工方法54-55
• 2.2.3 循环流送系统设计55-57
• 2.3 可视化实验原理与方法研究57-63
• 2.3.1 PIV在纸浆纤维悬浮液流场测量中的应用57-58
• 2.3.2 PIV实验原理58-60
• 2.3.3 PIV实验装置60-62
• 2.3.4 PIV实验方法62-63
• 2.4 本章小结63-64
• 第三章 纸浆纤维悬浮液的流变特性研究64-83
• 3.1 纸浆纤维悬浮液在剪切作用下的流变特性64-69
• 3.1.1 实验目的65
• 3.1.2 实验原理65-67
• 3.1.3 实验方法与材料67-68
• 3.1.4 实验结果与讨论68-69
• 3.2 纸浆纤维悬浮液在磁力搅拌作用下的流场表征69-77
• 3.2.1 实验目的69-70
• 3.2.2 实验方法与材料70-72
• 3.2.3 实验结果与讨论72-77
• 3.3 纸浆纤维悬浮液与高强微湍流77-82
• 3.3.1 湍流中纤维的运动77-81
• 3.3.2 高强微湍流对流浆箱结构设计提出的要求81-82
• 3.4 本章小结82-83
• 第四章 纸浆在阶梯扩散管中流动的计算机模拟研究83-105
• 4.1 阶梯扩散管中流动的可视化实验83-88
• 4.2 阶梯扩散管中流动的CFD模拟88-92
• 4.2.1 三维几何建模与网格划分88-89
• 4.2.2 模拟的数值计算方法89-90
• 4.2.3 模拟结果可视化实验结果对比90-92
• 4.3 基于CFD的阶梯扩散管结构优化92-103
• 4.3.1 三种结构的阶梯扩散管模型建模及网格划分对比93-95
• 4.3.2 模拟的数值计算方法95-96
• 4.3.3 模拟结果与讨论96-103
• 4.4 本章小结103-105
• 第五章 纸浆在湍流发生器中流动的计算机模拟研究105-124
• 5.1 湍流发生器中流动的可视化实验105-109
• 5.2 湍流发生器中流动的CFD模拟109-112
• 5.2.1 三维几何建模与网格划分109-110
• 5.2.2 模拟的数值计算方法110
• 5.2.3 模拟结果与可视化实验结果对比110-112
• 5.3 基于CFD的湍流发生器结构优化112-123
• 5.3.1 三种结构的湍流发生器模型建模及网格划分对比113-114
• 5.3.2 模拟的数值计算方法114-116
• 5.3.3 模拟结果与讨论116-123
• 5.4 本章小结123-124
• 第六章 稀释水调节的异形流道的流场特性研究124-139
• 6.1 流浆箱稀释水调浓的优点124-125
• 6.2 在流浆箱不同异形流道中注入稀释水的CFD模拟125-127
• 6.2.1 三维几何建模与网格划分126
• 6.2.2 模拟的数值计算方法126-127
• 6.3 基于CFD的稀释水调节流场特性127-137
• 6.3.1 稀释水在阶梯扩散管内扩散的模拟结果与讨论128-134
• 6.3.2 稀释水在湍流发生器内扩散的模拟结果与讨论134-137
• 6.4 本章小结137-139
• 结论139-142
• 本论文的主要研究成果139-140
• 本论文的主要创新点140-141
• 研究工作展望141-142
• 参考文献142-151
• 攻读博士学位期间取得的研究成果151-153
• 致谢153-154
• 附件154

【参考文献】

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本文编号：401475