中浓浆泵湍流发生器叶片型线设计研究

　　湍流发生器是离心式中浓纸浆泵的关键部件，其作用是使纸浆实现流体化并进行气液分离。本文提出一种采用等螺距和变螺距相结合的叶片型线的湍流发生器，推导了其型线方程。为了验证新设计叶片型线湍流发生器的性能，设计了4 种不同叶片型线的湍流发生器。基于CFX 软件，采用Eeulerian 气液两相流模型和RNG k - ε 湍流模型，模拟了不同叶片型线的湍流发生器中浓纸浆悬浮液的三维流场，预测了水力性能和气液分离效果，分析了不同叶片型线对湍流发生器性能的影响。结果表明，采用等螺距和变螺距相结合的叶片型线的湍流发生器具有较好的水力性能和气液分离效果。该模型在生产实际中得到了应用。

1、前言

　　中浓纸浆悬浮液由于含有大量的纤维，导致其丧失流动性。湍流发生器是离心式中浓纸浆泵的关键部件，其作用是使纸浆实现流体化并进行气液分离。湍流发生器通过高速旋转，在叶片边缘处对纸浆纤维施加高强剪切力使纤维网格分散，从而使纸浆悬浮液表现出类似于水的流动特性，即使中浓纸浆流体化。湍流发生器的性能直接影响到整台泵的性能。离心式中浓浆泵结构如图1 所示。

图1 中浓浆泵结构示意

　　国内外学者对中浓浆泵及湍流发生器进行了大量研究。芬兰的Gullichsen 等( 1981) 通过试验总结出纤维网络完全分散，纸浆进入完全湍流状态的临界点，即中浓纸浆的流体化点。RewatkarV. B. 等( 2000) 得出部分种类的纸浆在搅拌作用下的功率耗散和功率准数等数据。华南理工大学陈奇峰等( 1997 ～ 2004) 对中浓纸浆悬浮液的流动特性进行了试验研究，测量了不同种类纸浆产生流体化所需临界剪切应力，并计算出实现流体化时单位体积纸浆悬浮液的能量耗散。王艳艳等( 2006) 对中浓纸浆的流体动力学特性进行了分析研究，确定了流体化的临界条件; 并对中高浓纸浆泵湍流发生器进行了设计和验证，确定结构形式和尺寸。耿伟浩等对带湍流发生器的中浓浆泵进行了真浆试验，表明三爪式湍流发生器具有良好的“流体化”效果。耿伟浩等( 2008) 对2 种常见的湍流发生器的结构进行分析和数值模拟，并根据模拟结果分析表明三爪式湍流发生器下的流场具有较好的湍流特性和气液分离效果，并初步总结出各结构尺寸的计算公式。陈奇峰等( 2009) 在流态化研究的基础上，以气- 液两相流欧拉模型及基于雷诺时均法的混合湍流模型对10% 纸浆悬浮液的流态化过程进行了CFD 模拟，并以温度的变化分布来反映湍流均匀度，结果与试验吻合较好。湍流发生器结构形式多样，各具特色，目前还未见一致公认的优秀结构形式，对叶片型线及其方程的研究较少。

　　本文以中浓浆泵湍流发生器为研究对象，推导湍流发生器叶片型线方程，提出一种新型线，设计4 种湍流发生器。采用RNG k-ε 湍流模型和欧拉气液两相流模型对湍流发生器流场进行数值模拟。通过分析湍流发生器水力性能和气液分离效果，确定最优湍流发生器叶片型线方案方案。

7、结论

　　( 1) 湍流发生器的叶片型线决定了湍流发生器的叶片形状，直接影响到湍流发生器的水力性能和气液分离效果。采用一种等螺距和变螺距相结合的型线设计湍流发生器，建立叶片型线方程，确定叶片进出口安放角的选择范围;

　　( 2) 通过4 种不同型线，即等螺距和变螺距型线结合、全变螺距、全等螺距等型线方法设计湍流发生器。通过数值模拟发现，采用等螺距和变螺距相结合的叶片型线，扬程较高，功率曲线平缓，水力效率高，气体气液分离效果较好，综合性能最佳。该模型在实际生产中得到采用。