CN103194926B - 一种流浆箱方锥布浆总管后壁形状设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种流浆箱方锥总管后壁形状设计方法，它包括：a、采用GAMBIT软件对方锥管布浆器进行几何建模和网格划分，并设置边界类型，生成header.msh文件；b、将header.msh文件导入FLUENT软件，检查网格质量，设置流动模型、介质、边界条件，进行自动求解和结果的后处理，输出计算结果；c、采用iSIGHT软件解析计算结果；如果步骤c的计算结果中，支管束布浆质量流量偏差小于1%，则符合设计目标的结果；反之，则调整方锥形布浆总管后壁高度hi(x)的设计参数，再重复步骤a、步骤b和步骤c，直到得到符合设计目标的结果。本发明采用数据集成和过程集成技术进行结构优化设计，使布浆更加均匀。
Description
技术领域
本发明涉及高速纸机的流浆箱的设计方法，具体是水力流浆箱方锥总管后壁形状设计方法。
背景技术
水力流浆箱是现代高速纸机的核心部分，而方形锥管布浆器是水力流浆箱的关键部件之一，其作用是沿幅宽均匀分布浆料。方形锥管布浆器布浆是否均匀主要取决于总管的结构。最初采用的设计方法是简化设计法，没有考虑总管中浆流的流动损失，仅依据几何相似比例关系所建立。因此，总管中的浆流并非等压流动，浆流不可能沿纸机幅宽均匀布浆。工程上常用的是Baines方程设计法，该方法忽略了总管内的分岔流动损失和收缩流动损失，只考虑摩擦流动损失，其设计结果是一条近似抛物线的曲线。但是，假设水力半径为常数成为Baines方程设计法的最大缺陷。实际应用中，在Baines方程设计法的基础上，又衍生出分段近似法及Baines方程改进法。更进一步的设计方法是考虑总管中浆流摩擦流动损失和分岔流动损失的方法。但其在推导过程中，假设当量直径为常数及总管的高沿轴线方向不变给结果带来了一定的误差。这些型式的方锥管布浆器由于后壁形状误差较大，导致支管束布浆不均匀，严重影响纸页质量。随着现代纸机车速及幅宽要求越来越高，纸页成形质量受流浆箱纸浆分布的影响越来越大。
发明内容
本发明的目的是提供一种流浆箱方锥布浆总管后壁形状设计方法，探寻布浆总管合理结构，克服现有方锥总管布浆器浆料分布不均匀的缺陷，使布浆更加均匀。
本发明提供的一种流浆箱方锥总管后壁形状设计方法，它包括：
a、采用GAMBIT软件对方锥管布浆器进行几何建模和网格划分，并设置边界类型，生成header.msh文件；
b、将header.msh文件导入FLUENT软件，检查网格质量，设置流动模型、介质、边界条件，进行自动求解和结果的后处理，输出计算结果；
c、采用iSIGHT软件解析计算结果；
如果步骤c的计算结果中，支管束布浆质量流量偏差小于1%，则符合设计目标的结果；反之，则调整方锥形布浆总管后壁高度hi(x)的设计参数，再重复步骤a、步骤b和步骤c，直到得到符合设计目标的结果。
上述中，方锥形布浆总管后壁高度hi(x)的曲线方程为：
h(x)=a+bx+cx2+dx3+ex4+fx5+gx6+hx7+ix8
式中：a=2.1416298×102，b=-1.0012633，c=5.59014648×10-3，d=-1.7173753×10-5
e=2.98863448×10-8，f=-3.072554×10-11，g=1.847388587×10-14，h=-6.00313156×10-18，i=8.140456361×10-22；其中x为总管任意截面到总管大端的距离。
该方法是采用基于参数化建模和计算流体动力学相结合，并引入二次规划和遗传算法对方锥形总管进行结构优化设计的方法。应用计算机辅助设计软件(CAD)进行方锥总管布浆器的参数化建模，应用计算流体动力学软件(CFD)进行流体动力学分析，利用二次规划法和遗传算法进行优化探索，采用iSIGHT软件完成过程和数据集成。
采用GAMBIT软件进行几何体设计，根据几何体设计变量的变化范围生成所需的三维模型。按照设定的要求自动进行几何体的网格划分，并设置几何体的边界类型。流体动力学分析采用FLUENT软件。将已经划分网格并设置边界类型的几何体导入FLUENT，检查网格质量，设置流动模型、介质、边界条件，进行自动求解和结果的后处理。优化设计平台iSIGHT的作用是集成几何体设计CAD软件、网格生成软件和CFD求解软件。针对方锥管布浆器结构优化设计，选择二次规划和遗传算法等优化算法，快速、有效地探索合理的形状。
本发明采用数据集成和过程集成技术进行结构优化设计。
(1) Gambit软件、Fluent软件与集成平台iSIGHT之间的数据集成。先完成方锥管布浆器的三维建模、网格划分与CFD计算分析之间的数据传递，保证数据的一致性。三维建模、网格划分及边界类型的确定均在Gambit软件中进行，生成“header.msh”文件，然后导入Fluent软件，进行CFD计算，并输出计算结果；再利用iSIGHT平台的文件解析功能，对方锥管布浆器CAD设计的输入文件的设计参数进行解析，实现设计参数的变量化，将设计参数转化为优化环境中的变量参数，实现参数的动态调整。随着变量参数的调整，iSIGHT自动更新布浆器三维建模的输入文件，最终实现Gambit软件、Fluent软件与iSIGHT之间的数据传递。
(2) 几何建模及网格划分过程、流体动力学计算分析过程和优化结果的评价判别过程的过程集成。在优化计算过程中，通过调整设计变量hi(x)来执行自动记录的Gambit几何建模及网格划分和Fluent分析计算的运行脚本transcript文件，不断重复Gambit几何建模及网格划分和Fluent计算分析操作，实现对CFD分析边界的自动设定；在优化平台iSIGHT中制定结构优化设计策略，进行结构优化设计结果的自动评价判别，以保证方锥管布浆器结构优化集成系统的最终结果的合理性。
附图说明
图1是本发明的流浆箱的方锥管布浆器结构示意图。
图2是本发明果的方锥总管后壁合理形状及曲线方程。
图3是本发明的方锥总管内压力分布图。
图4是本发明的方锥管布浆器的支管束质量流量偏差图。
具体实施方式
参照图1，本发明的方锥管布浆器由方锥总管1和支管束2组成，方锥总管1进料口一端有过渡管3，另一端为回流端4。
本发明提供的一种流浆箱方锥总管后壁形状设计方法，它包括：
a、采用GAMBIT软件对方锥管布浆器进行几何建模和网格划分，并设置边界类型，生成header.msh文件；
b、将header.msh文件导入FLUENT软件，检查网格质量，设置流动模型、介质、边界条件，进行自动求解和结果的后处理，输出计算结果；
c、采用iSIGHT软件解析计算结果；
如果步骤c的计算结果中，支管束布浆质量流量偏差小于1%，则符合设计目标的结果；反之，则调整方锥形布浆总管后壁高度hi(x)的设计参数，再重复步骤a、步骤b和步骤c，直到得到符合设计目标的结果。
按照本发明的设计方法，得到布浆器后壁曲线，如图2所示。简化型总管的后壁为直线型，而优化后总管后壁为复杂曲线型，尤其在总管大端入口和回流端附近后壁形状变化较大，而中间大部分部位二者较为接近。经对曲线拟合得到曲线方程如下：
h(x)=a+bx+cx2+dx3+ex4+fx5+gx6+hx7+ix8
式中：a=2.1416298×102，b=-1.0012633，c=5.59014648×10-3，d=-1.7173753×10-5
e=2.98863448×10-8，f=-3.072554×10-11，g=1.847388587×10-14，h=-6.00313156×10-18，i=8.140456361×10-22，其中x为总管任意截面到总管大端的距离。
按照本发明的设计方法，得到布浆器内压力分布如图3所示。优化前的简化型方锥总管内压力分布非常不均匀，各支管对应位置的压力相差很大。而优化后总管内压力分布明显比优化前更均匀，各支管对应位置的压力非常接近，近似于水平线型分布。
按照本发明的设计方法，得到布浆器布浆支管质量流量偏差如图4所示。优化后质量流量偏差明显小于优化前，而且各支管的质量流量偏差绝对值均小于1%。尤其在总管进口和回流口，质量流量偏差改善最为明显，进口处支管的质量流量偏差由-5.4%减小到-0.039%，回流口处支管的质量流量偏差由11%减小到0.69%，其余各支管的质量流量偏差也都有非常明显的改善，围绕偏差0值线微幅波动，满足了设计要求。
Claims (1)
1.一种流浆箱方锥总管后壁形状设计方法，其特征在于，它包括：
a、采用GAMBIT软件对方锥管布浆器进行几何建模和网格划分，并设置边界类型，生成header.msh文件；
b、将header.msh文件导入FLUENT软件，检查网格质量，设置流动模型、介质、边界条件，进行自动求解和结果的后处理，输出计算结果；
c、采用iSIGHT软件解析计算结果；
如果步骤c的计算结果中，支管束布浆质量流量偏差小于1%，则符合设计目标的结果；反之，则调整方锥形布浆总管后壁高度hi(x)的设计参数，再重复步骤a、步骤b和步骤c，直到得到符合设计目标的结果；
方锥形布浆总管后壁高度hi(x)的曲线方程为：
h(x)=a+bx+cx2+dx3+ex4+fx5+gx6+hx7+ix8
式中：a=2.1416298×102，b=-1.0012633，c=5.59014648×10-3，d=-1.7173753×10-5
e=2.98863448×10-8，f=-3.072554×10-11，g=1.847388587×10-14，h=-6.00313156×10-18，i=8.140456361×10-22；其中x为总管任意截面到总管大端的距离。
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