制浆造纸原理与工程 纸料流送测试系统 华南理工何北海

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1、第一章 纸料的流体和 造纸湿部化学特性 第一章 纸料的流体和 造纸湿部化学特性 何 北 海何 北 海 第二节 纸浆纤维悬浮液的 流体力学特性 第二节 纸浆纤维悬浮液的 流体力学特性 一、纸料悬浮液的流动状态 和流动特性曲线 一、纸料悬浮液的流动状态 和流动特性曲线 ?纸浆纤维悬浮液是一种气、固、液的 三相共存的复杂流体。当其纤维浓度超过 临界浓度后，其流动特性开始与水产生差 异；而当浓度超过一定量（0.1%）时，其 流动特性与水等典型的牛顿型流体有较大 的差别，因此基于牛顿流体导出的一系列 方程均不适用于纸浆纤维悬浮液。 ? ?纸浆的浓度 ?纸浆纤维悬浮液的流体特性与纤维 的固含量有很大的关系

2、。 ?从纸浆输送的角度，可将纸浆按其 纤维的固含量分为低浓、中浓和高浓纤 维悬浮液。一般认为 ?低浓的范围在8%以下， ?中浓的范围在8%-20%， ?20%以上称为高浓。 ?而在纸页成形的领域，一般将纤维 浓度1.5%以下的传统成形称为低浓成 形，而将浓度在1.5%以上的成形称为高 浓成形。本节中讨论所涉及的浓度范围 以纸浆输送的标准进行划分。 （一）纸料悬浮液的流动状态 ?纸料悬浮液的流动状态可以分为三种纸料悬浮液的流动状态可以分为三种 ?塞流塞流 ?混流混流 ?湍流湍流 纸料的三种流动状态 ?塞流塞流 ?流速较低，纤维相互交织形成网络塞 体；网络与管壁之间存在一层很薄的水 膜（水环）；纤

3、维间无相对运动，纤维 网络像塞子一样整体滑移运动。 流速较低，纤维相互交织形成网络塞 体；网络与管壁之间存在一层很薄的水 膜（水环）；纤维间无相对运动，纤维 网络像塞子一样整体滑移运动。 纸料的三种流动状态 ?混流混流 ?随着流速增加，网络塞体表面的纤维逐 渐分散进入水环流，水环厚度逐步增大。 随着流速增加，网络塞体表面的纤维逐 渐分散进入水环流，水环厚度逐步增大。 ?该阶段的流动状态经历了从清晰的塞流 到网络塞体的逐步瓦解的过渡，称为混 流。 该阶段的流动状态经历了从清晰的塞流 到网络塞体的逐步瓦解的过渡，称为混 流。 纸料的三种流动状态 ?湍流湍流 ?流速进一步增加，整个网络塞体全部瓦 解

4、，纤维完全分散，相互间有相对运动。 流速进一步增加，整个网络塞体全部瓦 解，纤维完全分散，相互间有相对运动。 ?由塞流转变为混流称为临界流速的下限由塞流转变为混流称为临界流速的下限 ?由混流转变为湍流称为临界流速的上限由混流转变为湍流称为临界流速的上限 注意：注意： ?临界流速与纸料悬浮液的许多因素 有关，如浆料硬度、打浆度和纸浆浓度 等，其中浓度是主要影响因素。 临界流速与纸料悬浮液的许多因素 有关，如浆料硬度、打浆度和纸浆浓度 等，其中浓度是主要影响因素。 ?浓度越高，临界流速的上下限流 速就越大。 浓度越高，临界流速的上下限流 速就越大。 ?当浓度超过7%后，要使纸浆处于 湍流状态，必须

5、施加很大的能量（如流 体化技术） 当浓度超过7%后，要使纸浆处于 湍流状态，必须施加很大的能量（如流 体化技术） （二）纸料悬浮液的流动特性曲线 各阶段分析各阶段分析 A-B-C:A-B-C: 塞流阶段。到达C点后，塞体外水环形成。塞流阶段。到达C点后，塞体外水环形成。 C-D：C-D： 有连续水环的塞流阶段。到达D点后，水环增 厚，开始进入混流。 有连续水环的塞流阶段。到达D点后，水环增 厚，开始进入混流。流阻降低？ D-H： 流阻降低？ D-H：混流阶段。到达H点后，开始形成湍流。混流阶段。到达H点后，开始形成湍流。 H-F：H-F：湍流阶段。剪切作用加剧，网络受到破 环，到达F点后，网络

6、完全解体，进入完全湍 流阶段。 湍流阶段。剪切作用加剧，网络受到破 环，到达F点后，网络完全解体，进入完全湍 流阶段。减阻现象？减阻现象？ 低浓纸浆流阻（压力降）曲线低浓纸浆流阻（压力降）曲线 纸浆流阻测试实验系统 二、流动曲线的主要影响因素二、流动曲线的主要影响因素 ?（一）流速（一）流速 ?纸料悬浮液的流速是 其流动状态的决定因 素。一般来说，流速 增加则流阻增加，但 其中也有部分反常现 象，如图1-1-2的C-D 段。 纸料悬浮液的流速是 其流动状态的决定因 素。一般来说，流速 增加则流阻增加，但 其中也有部分反常现 象，如图1-1-2的C-D 段。 二、流动曲线的主要影响因素二、流动曲

7、线的主要影响因素 ?（二）浓度（二）浓度 ?纸 料 悬 浮 液 的浓度增高，压头 损失增大。但到达 D区后（H点后）， 压头损失比水小， 而浓度影响减小。 纸 料 悬 浮 液 的浓度增高，压头 损失增大。但到达 D区后（H点后）， 压头损失比水小， 而浓度影响减小。 二、流动曲线的主要影响因素二、流动曲线的主要影响因素 ?（三）纤维物化特性（三）纤维物化特性 ?纤维长度纤维长度 ?纤维柔软度纤维柔软度 ?原料种类原料种类 ?制浆方法制浆方法 拓展：拓展：纤维柔软度的动态测量纤维柔软度的动态测量 ?90年代初， 加拿大多伦多大学 制浆造纸研究中心 的D.C.S. Kuhn和 X.Lu (卢昕彤)

8、等 人在前人的基础 上，应用简支梁理 论成功地进行了纤 维柔软度的动态测 量。 90年代初， 加拿大多伦多大学 制浆造纸研究中心 的D.C.S. Kuhn和 X.Lu (卢昕彤)等 人在前人的基础 上，应用简支梁理 论成功地进行了纤 维柔软度的动态测 量。 拓展：拓展：纤维柔软度的动态测量原理纤维柔软度的动态测量原理 拓展：纤维柔软度测量装置 流速选择原则： ?对于低浓纸浆：对于低浓纸浆： ?1、由于H点前流阻波动较大，设计时不宜 选择H点前的流速； 1、由于H点前流阻波动较大，设计时不宜 选择H点前的流速； ?2、当流速超过H点后，浆流进入湍流状 态，其流阻与水相近（低于水），工程上 可近似

9、按照水来处理。 2、当流速超过H点后，浆流进入湍流状 态，其流阻与水相近（低于水），工程上 可近似按照水来处理。 三、纸料悬浮液的流动特性 ?（一）湍动（一）湍动 ?1、基本概念、基本概念 ?当流体雷诺数超过一定值时，流 体就处于湍流状态，此时流道中每一 个质点都作不规则的、速度和方向瞬 时都在变化的脉动，这种流体微团的 不规则脉动在工程上称为湍动。 当流体雷诺数超过一定值时，流 体就处于湍流状态，此时流道中每一 个质点都作不规则的、速度和方向瞬 时都在变化的脉动，这种流体微团的 不规则脉动在工程上称为湍动。 2、湍动的表示方法、湍动的表示方法 ?湍流规模与湍动强度 ?纤维悬浮体中的湍动，是大

10、浆 流中无定向的、局部的流动，即涡流。 涡流的尺寸大小称为湍流规模湍流规模，而它 相对于总浆流的流速变化称为湍动强 度。 湍动强 度。 湍流规模湍流规模 ?湍流规模就是湍流的尺度，一般是根据 流体表面单位面积内的波峰数来确定的 湍流规模就是湍流的尺度，一般是根据 流体表面单位面积内的波峰数来确定的。 湍动强度湍动强度 从流体力学的角度来说，湍流强度是 流道内流体的瞬时速度与时均速度差值的 均方根与时均速度的比值。即 从流体力学的角度来说，湍流强度是 流道内流体的瞬时速度与时均速度差值的 均方根与时均速度的比值。即 ? ? (u - u(u - ut t) )2 2 ?T -T - ?u ut

11、t ?式中T湍动强度； u瞬时速度；式中T湍动强度； u瞬时速度； ?u ut t时均速度。时均速度。 湍流强度湍流强度 在纸页成形的研究中，湍动强度是根据湍 流时流体的波峰高度来确定的。由Schmidt和 Brabet等人开发的湍动强度分级方法，把无湍流 (浆面平静如镜)时的湍动强度定为0，把浆料开 始有浆柱跳离网案(跳浆)时的湍动强度定为10， 其他的级别则依次相对而定。 3、湍动的特点3、湍动的特点 ?湍动发生后，如果不外加能量，其衰减较快， 一般以毫秒或几分之一毫秒计算。 湍动发生后，如果不外加能量，其衰减较快， 一般以毫秒或几分之一毫秒计算。 ?湍动可以分散纤维絮聚，一旦湍动衰减，纤

12、维 又开始重新絮聚。 湍动可以分散纤维絮聚，一旦湍动衰减，纤维 又开始重新絮聚。 ?纸料的适宜的湍动规模为“纤维规模”的微湍 动，因此在纸料流送过程中，应保持这样程度 的湍动。 纸料的适宜的湍动规模为“纤维规模”的微湍 动，因此在纸料流送过程中，应保持这样程度 的湍动。 （二）纸料悬浮液的纤维絮聚 1、絮聚的原因1、絮聚的原因 ?在一般情况下，长网造纸机的上网浓 度为0.31.0，这些均比临界浓度(约为 0.05)大得多。这样在实际纸页成形过程 中，浆流单位体积内的纤维太多，以致不可避 免地相互接触。因而每根纤维在所有时间中都 有机会碰到其他纤维，而与该纤维接触的纤维 又与其他的纤维碰撞。 在

13、一般情况下，长网造纸机的上网浓 度为0.31.0，这些均比临界浓度(约为 0.05)大得多。这样在实际纸页成形过程 中，浆流单位体积内的纤维太多，以致不可避 免地相互接触。因而每根纤维在所有时间中都 有机会碰到其他纤维，而与该纤维接触的纤维 又与其他的纤维碰撞。 拓展内容拓展内容： 构成絮聚的最少纤维根数构成絮聚的最少纤维根数 ?有研究表明，对于纸料纤维网络来 说，每根纤维与其他纤维间至少有三 个接触点，即构成絮聚的最少纤维数 N 有研究表明，对于纸料纤维网络来 说，每根纤维与其他纤维间至少有三 个接触点，即构成絮聚的最少纤维数 Nfloc,min floc,min是： 是： ? ?Nfloc

14、,min4 拓展内容：拓展内容：联锁力的分析联锁力的分析 三种可能的网络模型三种可能的网络模型 拓展内容:拓展内容: 纤维网络内聚力的分析模型纤维网络内聚力的分析模型 拓展内容:拓展内容:集聚因子的概念 （CROWDING FACTOR） 集聚因子的概念 （CROWDING FACTOR） ?2 C L2 C L2 2 ?N= -N= - ?3 d3 d2 2 ?N 60，纤维易缠绕絮聚。 ?高浓成形时， ?N 200，极易絮聚。N 200，极易絮聚。 拓展拓展集聚因子的验证研究集聚因子的验证研究 ?加拿大UBC大 学制浆造纸研究 中心的KEREKES教 授课题组，用自 制的实验装置验 证了集

15、聚因子对 评价纤维絮聚的 作用，同时也发 现了一些不足， 有待进一步完善。 加拿大UBC大 学制浆造纸研究 中心的KEREKES教 授课题组，用自 制的实验装置验 证了集聚因子对 评价纤维絮聚的 作用，同时也发 现了一些不足， 有待进一步完善。 拓展拓展 集聚因子与絮聚趋势集聚因子与絮聚趋势用化学纤维验证用化学纤维验证 拓展拓展集聚因子与絮聚趋势集聚因子与絮聚趋势 用木材（冷杉）纤维验证用木材（冷杉）纤维验证 2、湍动与絮聚的关系 ?湍动与絮聚有密切的关系。在一定的条 件下，如湍动强度较大而湍流规模较小时， 湍动能够分散纤维絮聚物。但是如果湍动的 强度很低，则絮聚物的内在强度可以抵御湍 动的作

16、用，而保持絮聚而不被分散。如果湍 流的尺度很大，则所有的浆团都可以存在于 大涡流之内而仍保持原样，这些均不利于絮 聚物的分散。 湍动与絮聚有密切的关系。在一定的条 件下，如湍动强度较大而湍流规模较小时， 湍动能够分散纤维絮聚物。但是如果湍动的 强度很低，则絮聚物的内在强度可以抵御湍 动的作用，而保持絮聚而不被分散。如果湍 流的尺度很大，则所有的浆团都可以存在于 大涡流之内而仍保持原样，这些均不利于絮 聚物的分散。 “高强微湍”的概念 ?随着成形理论 研究的深入，认识 到“高湍流强度和 微细的湍流规模” 有助于纸页的成 形，从而概括出 “高强微湍”的纸 浆流送概念。 随着成形理论 研究的深入，认识 到“高湍流强度和 微细的湍流规模” 有助于纸页的成 形，从而概括出 “高强微湍”的纸 浆流送概念。 湍动与絮聚的关系 ?微湍动-即涡 流尺度在2m