在當今的制漿、造紙流程以及廢水處理過程中，紙漿泵作為關鍵設備，其重要性不言而喻。隨著紙張消費量的持續(xù)上升，紙漿泵的能耗問題愈發(fā)凸顯，約占工藝流程總能耗的15%。同時，其穩(wěn)定運行對于造紙終端產品質量起著決定性作用。因此，深入探究紙漿泵內部流動特性，不僅有助于了解長纖維懸浮液的運動規(guī)律，更是推動紙漿泵節(jié)能降耗的關鍵所在，這對于整個紙漿泵行業(yè)在2025年及未來的發(fā)展具有極為重要的意義。
《2025-2030年全球及中國紙漿泵行業(yè)市場現(xiàn)狀調研及發(fā)展前景分析報告》指出，本研究聚焦于一臺具有特定參數(shù)的扭曲葉片開式葉輪紙漿泵。其葉輪葉片數(shù)為 3，葉輪進口直徑D1=70mm，出口直徑D2=184mm，葉輪出口寬度b2=17.4mm，葉片出口角β2=43°，蝸殼基圓直徑D3=191mm，蝸殼出口直徑D4=70mm。在模擬過程中，為簡化研究，忽略了間隙的影響。通過 EDEM 軟件，構建了接近頭發(fā)纖維形態(tài)的顆粒模型，以模擬紙漿纖維。采用多個圓球顆粒相連成鏈狀結構，單根頭發(fā)纖維長度設為 6mm，質量為4.60×10?7kg。
在流體模擬計算中，運用了一系列控制方程。流體相在絕對坐標系內，其控制方程包括連續(xù)性方程和動量方程。而顆粒相則基于歐拉 - 拉格朗日法，通過 EDEM 軟件追蹤其受力與運動情況，顆粒體積分數(shù)均小于 10%。在耦合模擬前，對 EDEM 軟件和 FLUENT 軟件進行了詳細參數(shù)設置。在 FLUENT 中，采用歐拉 - 拉格朗日法對泵內固液兩相流進行數(shù)值模擬，考慮流體與顆粒間相互作用，采用雙向耦合的瞬態(tài)模擬。在離心泵入口處定義進口速度為 2.03m/s 以模擬額定工況，設置入口處湍流強度和湍流黏性比，并將出口設為壓力出口，靜壓值為一個標準大氣壓。在葉輪入口前和蝸殼出口之后各延伸一段長度為 3 倍管徑的直管，以確保顆粒與流體充分混合運動。流體計算模型選擇 RNG k - ε 湍流模型，采用 SIMPLEC 算法耦合泵內流場的速度和壓力，離散化求解采用二階迎風格式。在 EDEM 軟件中，顆粒間接觸選用 Hertz - Mindlin(無滑移)連接模型，設置泵表面及顆粒的相關參數(shù)，如密度、泊松比、剪切模量等。同時，設置葉輪轉速與 FLUENT 一致，在直管入口處設置顆粒工廠，定義不同的顆粒入射數(shù)量以表示不同的顆粒質量濃度，如每秒入射 20239、30344 及 40478 個顆粒分別表示顆粒質量濃度為 0.1%、0.15% 和 0.2%。通過建立耦合接口傳遞顆粒與流體的計算數(shù)據，設置 FLUENT 和 EDEM 的時間步長等參數(shù)，確保模擬的準確性。
為確保模擬結果的準確性，采用 ICEM 劃分工具創(chuàng)建計算網格，并選用四面體非結構網格對計算區(qū)域進行網格劃分。通過 3 組不同網格數(shù)方案進行計算，驗證網格數(shù)對計算結果的影響。在綜合考慮計算精度和計算資源的情況下，最終選用網格 B 進行后續(xù)數(shù)值計算。
為驗證仿真模型并深入分析流場，開展了 PIV 實驗研究。實驗采用的是一臺典型的開式葉輪離心式紙漿泵，其主要部件包括葉輪、蝸殼、耐磨擋板、軸和密封系統(tǒng)等。考慮到 PIV 拍攝需求，采用半螺旋吸水室結構，電機軸穿過吸水室與葉輪直連，蝸殼與半螺旋吸入室通過 4 個夾具固定。由于有機玻璃具有良好的透光性和較低的粗糙度，模型泵的蝸殼和葉輪均由有機玻璃制造，前擋板采用不銹鋼制造并涂黑處理，以減小對 PIV 激光的反射。同時，搭建了開式實驗臺，主要由模型泵、進出口閥門、罐體和管道等組成。實驗臺的測試精度通過泵效率測量的不確定度來評估，經計算，該實驗臺精度能夠滿足 GB/T 3216 - 2016 標準規(guī)定的 2 級精度要求。PIV 實驗裝置由 PIV 測試系統(tǒng)及外觸發(fā)同步控制系統(tǒng)兩部分構成，采用美國 TSI 公司的粒子圖像測速系統(tǒng)，包括 YAG200 - NWL 型脈沖激光器、光臂及其片光源透鏡系統(tǒng)、同步器、CCD 相機等，并使用 Insight 3G 和 Tecplot 軟件對實驗圖像進行采集處理。
實驗采用具有較好跟隨性和散射型的二氧化硅空心玻璃球作為示蹤粒子，其直徑為 20μm，材質密度為1.05g/cm3。通過人工篩選，將頭發(fā)纖維長度嚴格控制在 2 - 8mm，研究質量濃度分別為 0.1%、0.15%、0.2% 及 0.3% 的頭發(fā)纖維懸浮液。實驗時，將離心泵轉速穩(wěn)定在 1450r/min，先對實驗臺進行重復外特性實驗以驗證其可靠性。通過泵參數(shù)測量儀測量參數(shù)并求得離心泵的揚程及效率。逐步將對應質量的頭發(fā)纖維加入罐中并開啟攪拌器，使其均勻分布，對0.6Qd、0.8Qd、1.0Qd、1.2Qd、1.4Qd5 個工況點進行 PIV 實驗，其中Qd為實驗泵額定工況，大小為 33.5m3/h。PIV 實驗選取葉輪區(qū)域內 3 個垂直于泵軸的截面進行拍攝，分別記為截面 Z1、Z2、Z3，以研究扭曲葉片對葉輪流道內流場的影響。
通過對實驗泵的揚程、流量進行重復性實驗，當頭發(fā)纖維質量濃度為 0.1% 時，離心泵的外特性曲線顯示，3 組外特性實驗數(shù)據變化較小，曲線基本重合，最大誤差在 4% 以內，證明了實驗臺及實驗結果的可靠性。對比清水、0.1%、0.15% 及 0.2% 頭發(fā)纖維質量濃度條件下離心泵性能曲線發(fā)現(xiàn)，不同頭發(fā)纖維質量濃度下，泵揚程變化不明顯，但均高于輸送清水時的揚程。并且，隨著泵內頭發(fā)纖維質量濃度的提高，泵效率逐漸增大，當纖維質量濃度達到 0.2% 時，已完全顯示出泵內因纖維顆粒存在而引起的減阻效應。
將 CFD - DEM 耦合計算結果與 PIV 實驗結果對比發(fā)現(xiàn)，二者在流體速度分布及變化趨勢上吻合較好。例如，在 Z2 截面處，靠近葉片工作面處流體的絕對速度高于背面，從葉輪進口到出口，Z2 截面處流體的絕對速度逐漸增大，葉輪出口附近 Z2 截面處流體的絕對速度有所下降，而相對速度從葉輪進口至出口處逐漸增大，且在葉輪流道中段靠近壓力面附近可觀察到低速區(qū)域。這表明 CFD - DEM 方法能夠較好地模擬泵內復雜流場下的固液兩相流運動，同時也驗證了 PIV 實驗的準確性。由于L1流道的拍攝效果明顯優(yōu)于L2、L3，后續(xù)采用L1流道的實驗結果對泵內流場進行分析。
不同流量下葉輪流道內流體相對速度分布：在頭發(fā)纖維質量濃度為 0.1% 時，分析不同流量工況下 Z 截面L1流道內葉片壓力面、中間流線及吸力面上流體的相對速度分布發(fā)現(xiàn)，在小流量工況下，如0.6Qd和1.0Qd工況，葉片壓力面附近流體的相對速度隨著距離葉輪進出口位置的變化呈先減小后增大的趨勢，即在流道中段壓力面附近會產生低速區(qū)，且隨著流量逐漸增大，低速區(qū)強度和面積逐漸減小，當流量增加到1.4Qd時，低速區(qū)基本消失。中間流線流體的速度變化規(guī)律與壓力面一致，但低速區(qū)強度和面積小于葉片壓力面。在葉片吸力面附近，只有在小流量工況下會形成低速區(qū)。總體而言，葉輪流道內流體的相對速度隨著流量的增大而增大。
額定流量下不同軸截面流體相對速度分布：對于采用扭曲葉片葉輪的紙漿泵，在額定工況下對 Z1、Z2 和 Z3 截面進行 PIV 實驗分析發(fā)現(xiàn)，在靠近輪轂側，葉片扭曲程度較大時，各位置處流體相對速度分布相差較大。而隨著位置向出口方向移動，葉片的扭曲程度逐漸降低，各截面上流體的相對速度差值逐漸減小，在靠近葉輪出口處各截面處流體相對速度變化相對平滑且基本歸于一致。
額定流量下不同頭發(fā)纖維質量濃度 Z2 截面處流體的相對速度分布：研究不同質量濃度頭發(fā)纖維懸浮液在 Z2 截面上L1流道內的相對速度分布發(fā)現(xiàn)，隨著流量逐漸增大，高質量濃度纖維懸浮液 Z2 截面內的相對速度會逐漸超過低質量濃度纖維懸浮液，各位置相對速度分布趨勢相似度增大，且隨著位置靠近葉輪出口區(qū)域，上述變化趨勢加快。在大流量工況下，各質量濃度纖維懸浮液在葉輪流道內從吸力面至壓力面的相對速度總體呈下降趨勢。并且，隨著纖維懸浮液質量濃度增大，葉輪出口截面流場的均勻性在各流量工況均有所改善，葉輪流道內各位置處流體的相對速度變化更趨平滑，有利于降低葉輪出口滑移率，提高葉輪效率。
本研究通過CFD - DEM耦合方法對紙漿泵內纖維顆粒懸浮液流場進行模擬，并結合PIV實驗進行驗證與分析，取得了一系列重要成果。隨著泵內纖維質量濃度的增加，泵效率得以提高，當纖維質量濃度達到0.2%時，減阻效應顯著。在不同流量工況下，葉輪流道內流體的流動狀態(tài)呈現(xiàn)出明顯差異，小流量時流道中段壓力面附近易產生低速區(qū)，大流量時流動較為穩(wěn)定。葉片扭曲程度對不同軸截面流體相對速度分布有重要影響，而頭發(fā)纖維質量濃度的變化也會改變流道內流體的相對速度分布。這些研究結果不僅驗證了 CFD - DEM 方法在模擬紙漿泵內纖維懸浮液內流場的可行性，更為深入理解長纖維懸浮液減阻效應提供了關鍵參考。展望2025年紙漿泵行業(yè)，隨著對節(jié)能減排和產品質量要求的不斷提高，深入研究紙漿泵內部流動特性將成為行業(yè)發(fā)展的關鍵驅動力。通過優(yōu)化紙漿泵的設計和運行參數(shù)，有望進一步提高其效率，降低能耗，為制漿造紙及相關行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供堅實支撐。
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