湍流發(fā)生器是離心式中濃紙漿泵的關(guān)鍵部件，其作用是使紙漿實(shí)現(xiàn)流體化并進(jìn)行氣液分離。本文提出一種采用等螺距和變螺距相結(jié)合的葉片型線的湍流發(fā)生器，推導(dǎo)了其型線方程。為了驗(yàn)證新設(shè)計(jì)葉片型線湍流發(fā)生器的性能，設(shè)計(jì)了4 種不同葉片型線的湍流發(fā)生器。基于CFX 軟件，采用Eeulerian 氣液兩相流模型和RNG k - ε 湍流模型，模擬了不同葉片型線的湍流發(fā)生器中濃紙漿懸浮液的三維流場(chǎng)，預(yù)測(cè)了水力性能和氣液分離效果，分析了不同葉片型線對(duì)湍流發(fā)生器性能的影響。結(jié)果表明，采用等螺距和變螺距相結(jié)合的葉片型線的湍流發(fā)生器具有較好的水力性能和氣液分離效果。該模型在生產(chǎn)實(shí)際中得到了應(yīng)用。

1、前言

　　中濃紙漿懸浮液由于含有大量的纖維，導(dǎo)致其喪失流動(dòng)性。湍流發(fā)生器是離心式中濃紙漿泵的關(guān)鍵部件，其作用是使紙漿實(shí)現(xiàn)流體化并進(jìn)行氣液分離。湍流發(fā)生器通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)，在葉片邊緣處對(duì)紙漿纖維施加高強(qiáng)剪切力使纖維網(wǎng)格分散，從而使紙漿懸浮液表現(xiàn)出類(lèi)似于水的流動(dòng)特性，即使中濃紙漿流體化。湍流發(fā)生器的性能直接影響到整臺(tái)泵的性能。離心式中濃漿泵結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 中濃漿泵結(jié)構(gòu)示意

　　國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)中濃漿泵及湍流發(fā)生器進(jìn)行了大量研究。芬蘭的Gullichsen 等( 1981) 通過(guò)試驗(yàn)總結(jié)出纖維網(wǎng)絡(luò)完全分散，紙漿進(jìn)入完全湍流狀態(tài)的臨界點(diǎn)，即中濃紙漿的流體化點(diǎn)。RewatkarV. B. 等( 2000) 得出部分種類(lèi)的紙漿在攪拌作用下的功率耗散和功率準(zhǔn)數(shù)等數(shù)據(jù)。華南理工大學(xué)陳奇峰等( 1997 ～ 2004) 對(duì)中濃紙漿懸浮液的流動(dòng)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，測(cè)量了不同種類(lèi)紙漿產(chǎn)生流體化所需臨界剪切應(yīng)力，并計(jì)算出實(shí)現(xiàn)流體化時(shí)單位體積紙漿懸浮液的能量耗散。王艷艷等( 2006) 對(duì)中濃紙漿的流體動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了分析研究，確定了流體化的臨界條件; 并對(duì)中高濃紙漿泵湍流發(fā)生器進(jìn)行了設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，確定結(jié)構(gòu)形式和尺寸。耿偉浩等對(duì)帶湍流發(fā)生器的中濃漿泵進(jìn)行了真漿試驗(yàn)，表明三爪式湍流發(fā)生器具有良好的“流體化”效果。耿偉浩等( 2008) 對(duì)2 種常見(jiàn)的湍流發(fā)生器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和數(shù)值模擬，并根據(jù)模擬結(jié)果分析表明三爪式湍流發(fā)生器下的流場(chǎng)具有較好的湍流特性和氣液分離效果，并初步總結(jié)出各結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算公式。陳奇峰等( 2009) 在流態(tài)化研究的基礎(chǔ)上，以氣- 液兩相流歐拉模型及基于雷諾時(shí)均法的混合湍流模型對(duì)10% 紙漿懸浮液的流態(tài)化過(guò)程進(jìn)行了CFD 模擬，并以溫度的變化分布來(lái)反映湍流均勻度，結(jié)果與試驗(yàn)吻合較好。湍流發(fā)生器結(jié)構(gòu)形式多樣，各具特色，目前還未見(jiàn)一致公認(rèn)的優(yōu)秀結(jié)構(gòu)形式，對(duì)葉片型線及其方程的研究較少。

　　本文以中濃漿泵湍流發(fā)生器為研究對(duì)象，推導(dǎo)湍流發(fā)生器葉片型線方程，提出一種新型線，設(shè)計(jì)4 種湍流發(fā)生器。采用RNG k-ε 湍流模型和歐拉氣液兩相流模型對(duì)湍流發(fā)生器流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。通過(guò)分析湍流發(fā)生器水力性能和氣液分離效果，確定最優(yōu)湍流發(fā)生器葉片型線方案方案。

7、結(jié)論

　　( 1) 湍流發(fā)生器的葉片型線決定了湍流發(fā)生器的葉片形狀，直接影響到湍流發(fā)生器的水力性能和氣液分離效果。采用一種等螺距和變螺距相結(jié)合的型線設(shè)計(jì)湍流發(fā)生器，建立葉片型線方程，確定葉片進(jìn)出口安放角的選擇范圍;

　　( 2) 通過(guò)4 種不同型線，即等螺距和變螺距型線結(jié)合、全變螺距、全等螺距等型線方法設(shè)計(jì)湍流發(fā)生器。通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，采用等螺距和變螺距相結(jié)合的葉片型線，揚(yáng)程較高，功率曲線平緩，水力效率高，氣體氣液分離效果較好，綜合性能最佳。該模型在實(shí)際生產(chǎn)中得到采用。