專利名稱：一種流漿箱方錐布漿總管后壁形狀設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高速紙機(jī)的流漿箱的設(shè)計(jì)方法，具體是水力流漿箱方錐總管后壁形狀設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
水力流漿箱是現(xiàn)代高速紙機(jī)的核心部分，而方形錐管布漿器是水力流漿箱的關(guān)鍵部件之一，其作用是沿幅寬均勻分布漿料。方形錐管布漿器布漿是否均勻主要取決于總管的結(jié)構(gòu)。最初采用的設(shè)計(jì)方法是簡化設(shè)計(jì)法，沒有考慮總管中漿流的流動(dòng)損失，僅依據(jù)幾何相似比例關(guān)系所建立。因此，總管中的漿流并非等壓流動(dòng)，漿流不可能沿紙機(jī)幅寬均勻布漿。工程上常用的是Baines方程設(shè)計(jì)法，該方法忽略了總管內(nèi)的分岔流動(dòng)損失和收縮流動(dòng)損失，只考慮摩擦流動(dòng)損失，其設(shè)計(jì)結(jié)果是一條近似拋物線的曲線。但是，假設(shè)水力半徑為常數(shù)成為Baines方程設(shè)計(jì)法的最大缺陷。實(shí)際應(yīng)用中，在Baines方程設(shè)計(jì)法的基礎(chǔ)上，又衍生出分段近似法及Baines方程改進(jìn)法。更進(jìn)一步的設(shè)計(jì)方法是考慮總管中漿流摩擦流動(dòng)損失和分岔流動(dòng)損失的方法。但其在推導(dǎo)過程中，假設(shè)當(dāng)量直徑為常數(shù)及總管的高沿軸線方向不變給結(jié)果帶來了一定的誤差。這些型式的方錐管布漿器由于后壁形狀誤差較大，導(dǎo)致支管束布漿不均勻，嚴(yán)重影響紙頁質(zhì)量。隨著現(xiàn)代紙機(jī)車速及幅寬要求越來越高，紙頁成形質(zhì)量受流漿箱紙漿分布的影響越來越大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種流漿箱方錐布漿總管后壁形狀設(shè)計(jì)方法，探尋布漿總管合理結(jié)構(gòu)，克服現(xiàn)有方錐總管布漿器漿料分布不均勻的缺陷，使布漿更加均勻。本發(fā)明提供的一種流漿箱方錐總管后壁形狀設(shè)計(jì)方法，它包括: a、采用GAMBIT軟件對方錐管布漿器進(jìn)行幾何建模和網(wǎng)格劃分，并設(shè)置邊界類型，生成header, msh 文件；
b、將header,msh文件導(dǎo)入FLUENT軟件，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，設(shè)置流動(dòng)模型、介質(zhì)、邊界條件，進(jìn)行自動(dòng)求解和結(jié)果的后處理，輸出計(jì)算結(jié)果；
C、采用iSIGHT軟件解析計(jì)算結(jié)果；
如果步驟c的計(jì)算結(jié)果中，支管束布漿質(zhì)量流量偏差小于1%，則符合設(shè)計(jì)目標(biāo)的結(jié)果；反之，則調(diào)整方錐形布漿總管后壁高度Iii (χ)的設(shè)計(jì)參數(shù)，再重復(fù)步驟a、步驟b和步驟C，直到得到符合設(shè)計(jì)目標(biāo)的結(jié)果。上述中，方錐形布漿總管后壁高度Iii (χ)的曲線方程為: h (χ) =a+bx+cx2+dx3+ex4+fx5+gx6+hx7+ix8
式中:a=2.1416298 X IO2，b=-l.0012633，c=5.59014648 X 10_3，d=-l.7173753 X 1(Γ5e = 2.98863448 X 1θΛ f = _ 3.0 7 2 5 5 4 X I (Γ11, g= I.8 4 7 3 8 8 5 8 7 X I (Γ14,h=-6.00313156X 10_18, =8.140456361 X 10_22 ;其中χ為總管任意截面到總管大端的距離。
該方法是采用基于參數(shù)化建模和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)相結(jié)合，并引入二次規(guī)劃和遺傳算法對方錐形總管進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件(CAD)進(jìn)行方錐總管布漿器的參數(shù)化建模，應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件(CFD)進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分析，利用二次規(guī)劃法和遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化探索，采用iSIGHT軟件完成過程和數(shù)據(jù)集成。采用GAMBIT軟件進(jìn)行幾何體設(shè)計(jì)，根據(jù)幾何體設(shè)計(jì)變量的變化范圍生成所需的三維模型。按照設(shè)定的要求自動(dòng)進(jìn)行幾何體的網(wǎng)格劃分，并設(shè)置幾何體的邊界類型。流體動(dòng)力學(xué)分析采用FLUENT軟件。將已經(jīng)劃分網(wǎng)格并設(shè)置邊界類型的幾何體導(dǎo)入FLUENT，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，設(shè)置流動(dòng)模型、介質(zhì)、邊界條件，進(jìn)行自動(dòng)求解和結(jié)果的后處理。優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)iSIGHT的作用是集成幾何體設(shè)計(jì)CAD軟件、網(wǎng)格生成軟件和CFD求解軟件。針對方錐管布漿器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇二次規(guī)劃和遺傳算法等優(yōu)化算法，快速、有效地探索合理的形狀。本發(fā)明采用數(shù)據(jù)集成和過程集成技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。(I) Gambit軟件、Fluent軟件與集成平臺(tái)iSIGHT之間的數(shù)據(jù)集成。先完成方錐管布漿器的三維建模、網(wǎng)格劃分與CFD計(jì)算分析之間的數(shù)據(jù)傳遞，保證數(shù)據(jù)的一致性。三維建模、網(wǎng)格劃分及邊界類型的確定均在Gambit軟件中進(jìn)行,生成“header, msh”文件,然后導(dǎo)入Fluent軟件，進(jìn)行CFD計(jì)算，并輸出計(jì)算結(jié)果；再利用iSIGHT平臺(tái)的文件解析功能，對方錐管布漿器CAD設(shè)計(jì)的輸入文件的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行解析，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)的變量化，將設(shè)計(jì)參數(shù)轉(zhuǎn)化為優(yōu)化環(huán)境中的變量參數(shù)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整。隨著變量參數(shù)的調(diào)整，iSIGHT自動(dòng)更新布漿器三維建模的輸入文件，最終實(shí)現(xiàn)Gambit軟件、Fluent軟件與iSIGHT之間的數(shù)據(jù)傳遞。(2)幾何建模及網(wǎng)格劃分過程、流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算分析過程和優(yōu)化結(jié)果的評價(jià)判別過程的過程集成。在優(yōu)化計(jì)算過程中，通過調(diào)整設(shè)計(jì)變量Iii (χ)來執(zhí)行自動(dòng)記錄的Gambit幾何建模及網(wǎng)格劃分和Fluent分析計(jì)算的運(yùn)行腳本transcript文件,不斷重復(fù)Gambit幾何建模及網(wǎng)格劃分和Fluent計(jì)算分析操作，實(shí)現(xiàn)對CFD分析邊界的自動(dòng)設(shè)定；在優(yōu)化平臺(tái)iSIGHT中制定結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的自動(dòng)評價(jià)判別，以保證方錐管布漿器結(jié)構(gòu)優(yōu)化集成系統(tǒng)的最終結(jié)果的合理性。


圖1是本發(fā)明的流漿箱的方錐管布漿器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明果的方錐總管后壁合理形狀及曲線方程。圖3是本發(fā)明的方錐總管內(nèi)壓力分布圖。圖4是本發(fā)明的方錐管布漿器的支管束質(zhì)量流量偏差圖。
具體實(shí)施例方式參照圖1，本發(fā)明的方錐管布漿器由方錐總管I和支管束2組成，方錐總管I進(jìn)料口一端有過渡管3，另一端為回流端4。本發(fā)明提供的一種流漿箱方錐總管后壁形狀設(shè)計(jì)方法，它包括:
a、采用GAMBIT軟件對方錐管布漿器進(jìn)行幾何建模和網(wǎng)格劃分，并設(shè)置邊界類型，生成header, msh 文件；
b、將header,msh文件導(dǎo)入FLUENT軟件，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，設(shè)置流動(dòng)模型、介質(zhì)、邊界條件，進(jìn)行自動(dòng)求解和結(jié)果的后處理，輸出計(jì)算結(jié)果；
C、采用iSIGHT軟件解析計(jì)算結(jié)果；
如果步驟c的計(jì)算結(jié)果中，支管束布漿質(zhì)量流量偏差小于1%，則符合設(shè)計(jì)目標(biāo)的結(jié)果；反之，則調(diào)整方錐形布漿總管后壁高度Iii (χ)的設(shè)計(jì)參數(shù)，再重復(fù)步驟a、步驟b和步驟C，直到得到符合設(shè)計(jì)目標(biāo)的結(jié)果。按照本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法，得到布漿器后壁曲線，如圖2所示。簡化型總管的后壁為直線型，而優(yōu)化后總管后壁為復(fù)雜曲線型，尤其在總管大端入口和回流端附近后壁形狀變化較大，而中間大部分部位二者較為接近。經(jīng)對曲線擬合得到曲線方程如下:
h (χ) =a+bx+cx2+dx3+ex4+fx5+gx6+hx7+ix8
式中:a=2.1416298 X IO2，b=-l.0012633，c=5.59014648 X 10_3，d=-l.7173753 X 1(Γ5e = 2.98863448 X 1θΛ f = _ 3.0 7 2 5 5 4 X I (Γ11, g= I.8 4 7 3 8 8 5 8 7 X I (Γ14,h=-6.00313156X 1(Γ18， =8.140456361 X 1(Γ22，其中χ為總管任意截面到總管大端的距離。按照本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法，得到布漿器內(nèi)壓力分布如圖3所示。優(yōu)化前的簡化型方錐總管內(nèi)壓力分 布非常不均勻，各支管對應(yīng)位置的壓力相差很大。而優(yōu)化后總管內(nèi)壓力分布明顯比優(yōu)化前更均勻，各支管對應(yīng)位置的壓力非常接近，近似于水平線型分布。按照本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法，得到布漿器布漿支管質(zhì)量流量偏差如圖4所示。優(yōu)化后質(zhì)量流量偏差明顯小于優(yōu)化前，而且各支管的質(zhì)量流量偏差絕對值均小于1%。尤其在總管進(jìn)口和回流口，質(zhì)量流量偏差改善最為明顯，進(jìn)口處支管的質(zhì)量流量偏差由-5.4%減小到-0.039%,回流口處支管的質(zhì)量流量偏差由11%減小到0.69%，其余各支管的質(zhì)量流量偏差也都有非常明顯的改善，圍繞偏差O值線微幅波動(dòng)，滿足了設(shè)計(jì)要求。
權(quán)利要求
1.一種流漿箱方錐總管后壁形狀設(shè)計(jì)方法，其特征在于，它包括: a、采用GAMBIT軟件對方錐管布漿器進(jìn)行幾何建模和網(wǎng)格劃分，并設(shè)置邊界類型，生成header, msh 文件； b、將header,msh文件導(dǎo)入FLUENT軟件，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，設(shè)置流動(dòng)模型、介質(zhì)、邊界條件，進(jìn)行自動(dòng)求解和結(jié)果的后處理，輸出計(jì)算結(jié)果； C、采用iSIGHT軟件解析計(jì)算結(jié)果； 如果步驟c的計(jì)算結(jié)果中，支管束布漿質(zhì)量流量偏差小于1%，則符合設(shè)計(jì)目標(biāo)的結(jié)果；反之，則調(diào)整方錐形布漿總管后壁高度Iii (x)的設(shè)計(jì)參數(shù)，再重復(fù)步驟a、步驟b和步驟C，直到得到符合設(shè)計(jì)目標(biāo)的結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種流漿箱方錐總管后壁形狀設(shè)計(jì)方法，其特征在于，方錐形布漿總管后壁高度h (X)的曲線方程為:h (X) =a+bx+cx2+dx3+ex4+fx5+gx6+hx7+ix8式中:a=2.1416298X IO2, b=-l.0012633，c=5.59014648X 10_3，d=-l.7173753X 1(Γ5 e = 2.98863448 X 1θΛ f = _ 3.0 7 2 5 5 4 X I (Γ11, g= I.8 4 7 3 8 8 5 8 7 X I (Γ14,h=-6.00313156X 1 0_18, =8.140456361 X 10_22 ;其中χ為總管任意截面到總管大端的距離。
全文摘要
一種流漿箱方錐總管后壁形狀設(shè)計(jì)方法，它包括a、采用GAMBIT軟件對方錐管布漿器進(jìn)行幾何建模和網(wǎng)格劃分，并設(shè)置邊界類型，生成header.msh文件；b、將header.msh文件導(dǎo)入FLUENT軟件，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，設(shè)置流動(dòng)模型、介質(zhì)、邊界條件，進(jìn)行自動(dòng)求解和結(jié)果的后處理，輸出計(jì)算結(jié)果；c、采用iSIGHT軟件解析計(jì)算結(jié)果；如果步驟c的計(jì)算結(jié)果中，支管束布漿質(zhì)量流量偏差小于1%，則符合設(shè)計(jì)目標(biāo)的結(jié)果；反之，則調(diào)整方錐形布漿總管后壁高度hi(x)的設(shè)計(jì)參數(shù)，再重復(fù)步驟a、步驟b和步驟c，直到得到符合設(shè)計(jì)目標(biāo)的結(jié)果。本發(fā)明采用數(shù)據(jù)集成和過程集成技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使布漿更加均勻。
文檔編號(hào)D21F1/06GK103194926SQ2013101524
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月28日
發(fā)明者劉偉, 冀曉輝, 陳克復(fù) 申請人:廣東石油化工學(xué)院