年紙漿泵行業趨勢分析：長纖維懸浮液推動紙漿泵節能降耗發展在當今的制漿、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上升，紙漿泵的能耗問題愈發凸顯，約占工藝流程總能耗的15%。同時，其穩定運行對于造紙終端產品質量起著打算性作用。因此，深化探究紙漿泵內部流淌特性，不僅有助于了解長纖維懸浮液的運動規律，更是推動紙漿泵節能降耗的關鍵所在，這對于整個紙漿泵行業在2025年及將來的進展具有極為重要的意義。

一、紙漿泵內部流淌模擬分析

(一)紙漿泵基本參數與模型搭建

《2025-2030年全球及中國紙漿泵行業市場現狀調研及進展前景分析報告》指出，本討論聚焦于一臺具有特定參數的扭曲葉片開式葉輪紙漿泵。其葉輪葉片數為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，為簡化討論，忽視了間隙的影響。通過EDEM軟件，構建了接近頭發纖維形態的顆粒模型，以模擬紙漿纖維。采納多個圓球顆粒相連成鏈狀結構，單根頭發纖維長度設為6mm，質量為4.60×10?7kg。

(二)掌握方程與參數設置

在流體模擬計算中，運用了一系列掌握方程。流體相在肯定坐標系內，其掌握方程包括連續性方程和動量方程。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狀況，顆粒體積分數均小于10%。在耦合模擬前，對EDEM軟件和FLUENT軟件進行了具體參數設置。在FLUENT中，采納歐拉-拉格朗日法對泵內固液兩相流進行數值模擬，考慮流體與顆粒間相互作用，采納雙向耦合的瞬態模擬。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長一段長度為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RNGk-ε湍流模型，采納SIMPLEC算法耦合泵內流場的速度和壓力，離散化求解采納二階迎風格式。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，如密度、泊松比、剪切模量等。同時，設置葉輪轉速與FLUENT全都，在直管入口處設置顆粒工廠，定義不同的顆粒入射數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據，設置FLUENT和EDEM的時間步長等參數，確保模擬的精確?????性。

(三)網格無關性驗證

為確保模擬結果的精確?????性，采納ICEM劃分工具創建計算網格，并選用四周體非結構網格對計算區域進行網格劃分。通過3組不同網格數方案進行計算，驗證網格數對計算結果的影響。在綜合考慮計算精度和計算資源的狀況下，最終選用網格B進行后續數值計算。

二、紙漿泵內流場的PIV試驗討論

(一)試驗模型與裝置搭建

為驗證仿真模型并深化分析流場，開展了PIV試驗討論。試驗采納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、軸和密封系統等。考慮到PIV拍攝需求，采納半螺旋吸水室結構，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，前擋板采納不銹鋼制造并涂黑處理，以減小對PIV激光的反射。同時，搭建了開式試驗臺，主要由模型泵、進出口閥門、罐體和管道等組成。試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，該試驗臺精度能夠滿意GB/T3216-2022標準規定的2級精度要求。PIV試驗裝置由PIV測試系統及外觸發同步掌握系統兩部分構成，采納美國TSI公司的粒子圖像測速系統，包括YAG200-NWL型脈沖激光器、光臂及其片光源透鏡系統、同步器、CCD相機等，并使用Insight3G和Tecplot軟件對試驗圖像進行采集處理。

(二)試驗介質與方案確定

試驗采納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，將頭發纖維長度嚴格掌握在2-8mm，討論質量濃度分別為0.1%、0.15%、0.2%及0.3%的頭發纖維懸浮液。試驗時，將離心泵轉速穩定在1450r/min，先對試驗臺進行重復外特性試驗以驗證其牢靠性。通過泵參數測量儀測量參數并求得離心泵的揚程及效率。逐步將對應質量的頭發纖維加入罐中并開啟攪拌器，使其勻稱分布，對0.6Qd、0.8Qd、1.0Qd、1.2Qd、1.4Qd5個工況點進行PIV試驗，其中Qd為試驗泵額定工況，大小為33.5m3/h。PIV試驗選取葉輪區域內3個垂直于泵軸的截面進行拍攝，分別記為截面Z1、Z2、Z3，以討論扭曲葉片對葉輪番道內流場的影響。

三、紙漿泵討論結果與爭論

(一)紙漿泵性能分析

通過對試驗泵的揚程、流量進行重復性試驗，當頭發纖維質量濃度為0.1%時，離心泵的外特性曲線顯示，3組外特性試驗數據變化較小，曲線基本重合，最大誤差在4%以內，證明白試驗臺及試驗結果的牢靠性。對比清水、0.1%、0.15%及0.2%頭發纖維質量濃度條件下離心泵性能曲線發覺，不同頭發纖維質量濃度下，泵揚程變化不明顯，但均高于輸送清水時的揚程。并且，隨著泵內頭發纖維質量濃度的提高，泵效率漸漸增大，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。

(二)泵內流場驗證

將CFD-DEM耦合計算結果與PIV試驗結果對比發覺，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肯定速度高于背面，從葉輪進口到出口，Z2截面處流體的肯定速度漸漸增大，葉輪出口四周Z2截面處流體的肯定速度有所下降，而相對速度從葉輪進口至出口處漸漸增大，且在葉輪番道中段靠近壓力面四周可觀看到低速區域。這表明CFD-DEM方法能夠較好地模擬泵內簡單流場下的固液兩相流運動，同時也驗證了PIV試驗的精確?????性。由于L1流道的拍攝效果明顯優于L2、L3，后續采納L1流道的試驗結果對泵內流場進行分析。

(三)測試結果具體分析

不同流量下葉輪番道內流體相對速度分布：在頭發纖維質量濃度為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覺，在小流量工況下，如0.6Qd和1.0Qd工況，葉片壓力面四周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四周會產生低速區，且隨著流量漸漸增大，低速區強度和面積漸漸減小，當流量增加到1.4Qd時，低速區基本消逝。中間流線流體的速度變化規律與壓力面全都，但低速區強度和面積小于葉片壓力面。在葉片吸力面四周，只有在小流量工況下會形成低速區。總體而言，葉輪番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：對于采納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試驗分析發覺，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，葉片的扭曲程度漸漸降低，各截面上流體的相對速度差值漸漸減小，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全都。

額定流量下不同頭發纖維質量濃度Z2截面處流體的相對速度分布：討論不同質量濃度頭發纖維懸浮液在Z2截面上L1流道內的相對速度分布發覺，隨著流量漸漸增大，高質量濃度纖維懸浮液Z2截面內的相對速度會漸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像度增大，且隨著位置靠近葉輪出口區域，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番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勻稱性在各流量工況均有所改善，葉輪番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。

四、總結

本討論通過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試驗進行驗證與分析，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，葉輪番道內流體的流淌狀態呈現出明顯差異，小流量時流道中段壓力面四周易產生低速區，大流量時流淌較為穩定。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，而頭發纖維質量濃度的變化也會轉變流道內流體的相對速度分布。這些討論結果不僅驗證了CFD-DEM方法在模擬紙漿泵內纖維懸浮液內流場的可行性，更為深化理解長纖維懸浮液減阻效應供應了關鍵參考。展望2025年紙漿泵行業，隨著對節能減排和產品質量要求的不斷提高，深化討論紙漿泵內部流淌特性將成為行業進展的關鍵驅動力。通過優化紙漿泵的設計和運行參數，有望進一步提高其效率，降低能耗，為制漿造紙及相關行業的可持續進展供應堅實支撐。