纖維懸浮液內(nèi)流復(fù)雜運動研究及其在紙漿研制中的應(yīng)用.pdf

1、纖維懸浮流在化工、紡織、復(fù)合材料及造紙等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。纖維在懸浮流中的運動規(guī)律以及纖維的取向分布狀態(tài)造成的流變特征,是纖維懸浮流研究的兩個主要方面。從微觀結(jié)構(gòu)上觀察,紙漿懸浮液也是一種典型的纖維懸浮流。由纖維懸浮流的微觀結(jié)構(gòu)研究懸浮流的宏觀屬性通常涉及到諸如多相流、非牛頓流體力學(xué)、統(tǒng)計力學(xué)、多體動力學(xué)等多個方面。
　　 以往紙漿泵的研究者為避開懸浮流微觀上的復(fù)雜性,而直接將其視為一般的固液兩相流。很明顯,這類模型不能反映出

2、纖維懸浮流的物理特征,即它忽略了纖維具有取向及取向分布的特征。而紙漿泵設(shè)計中通常采用加大流量設(shè)計法,使用中需要結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗和試驗資料。可見,目前紙漿泵的設(shè)計中缺乏物理意義明確的設(shè)計準則。
　　 國內(nèi)造紙行業(yè)長期以來采用低濃打漿技術(shù),而低濃紙漿泵的性能普遍偏低。為推進設(shè)計革新,本文采取內(nèi)流研究的方法,以纖維懸浮流為物理模型,進行了一系列的理論和數(shù)值模擬的研究。主要內(nèi)容包括:
　　 (一)旋轉(zhuǎn)直擴張通道內(nèi)懸浮流中的纖維取向演

3、變及穩(wěn)態(tài)取向分布的數(shù)值模擬,結(jié)果顯示:(1)進口速度越小,纖維旋轉(zhuǎn)速度減慢,纖維取向轉(zhuǎn)到流向的時間變長;(2)纖維所處的初始位置對后續(xù)的取向變化有重要影響,纖維越靠近流道中心線,其取向趨于流向的速度越慢;(3)纖維長徑比存在一臨界值,長徑比大于5時,纖維取向分布對長徑比不敏感,而當(dāng)長徑比小于5時,長徑比越小,纖維旋轉(zhuǎn)的速度越快,并且取向圍繞流動方向振蕩的情況越頻繁;(4)當(dāng)考慮半稀態(tài)時纖維間的相互作用,纖維的穩(wěn)態(tài)取向總體朝著流線方向,在

4、壁面附近這一現(xiàn)象更為明顯。
　　 (二)彎曲擴張通道內(nèi)纖維取向的演變及穩(wěn)態(tài)取向分布的模擬,結(jié)論與直擴張通道的類似,只是此時的臨界長徑比為3。
　　 (三)旋轉(zhuǎn)彎曲擴張通道內(nèi)懸浮流中纖維的三維取向演變的計算,結(jié)果顯示:(1)纖維在進口附近偏轉(zhuǎn)最快;(2)旋轉(zhuǎn)速度和進口流速對取向演變的影響不明顯;(3)長徑比對取向演變的影響最顯著。在靠近壁面區(qū)域,纖維的平面內(nèi)取向趨向于流動方向。而沿中間流線,纖維平面內(nèi)取向則與流向有明顯的偏

5、離。隨著長徑比的減小,纖維取向的振蕩特征變得頻繁;(4)纖維的初始取向明顯影響其在進口及中間段的取向演變過程。而在下游區(qū)域,纖維的取向演變幾乎與初始取向無關(guān)。
　　 (四)纖維取向概率分布函數(shù)Fokker-Planck方程的直接數(shù)值解法研究。
　　 (五)纖維一流動耦合的計算方法研究,并模擬了彎曲擴張通道內(nèi)纖維懸浮流流變特征,結(jié)果表明:(1)附加剪應(yīng)力從進口向出口逐漸降低;(2)沿跨通道方向的附加剪應(yīng)力在進口區(qū)域非常不平

6、坦,而隨著遠離進口,附加剪應(yīng)力分布趨于平均;(3)法向應(yīng)力差沿進口至出口方向逐步減小。隨著距離進口越遠,法向應(yīng)力差的分布變得越均勻。
　　 (六)在上述研究的基礎(chǔ)上,對葉輪通道內(nèi)懸浮流流變特征進行模擬,主要的結(jié)論為:(1)在流道進口段,由于速度較快,纖維尚未充分偏轉(zhuǎn)便進入中間段;(2)在中間段,流場的剪切有充分時間完成對纖維偏轉(zhuǎn)及取向分布的作用;(3)在下游區(qū)域,纖維取向分布趨于穩(wěn)定;(4)纖維取向不均勻程度在流道進口靠近凹壁面