在當今的製漿、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，其穩定運行對於造紙終端產品質量起著決定性作用。因此，深入探究紙漿泵內部流動特性，不僅有助於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，這對於整個紙漿泵行業在2025年及未來的發展具有極為重要的意義。

  一、紙漿泵內部流動模擬分析

  (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發展前景分析報告》指出，本研究聚焦於一台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，為簡化研究，忽略了間隙的影響。通過 EDEM 軟體，構建了接近頭髮纖維形態的顆粒模型，以模擬紙漿纖維。採用多個圓球顆粒相連成鏈狀結構，單根頭髮纖維長度設為 6mm，質量為4.60×10−7kg。

  (二)控制方程與參數設置

  在流體模擬計算中，運用了一系列控制方程。流體相在絕對坐標系內，其控制方程包括連續性方程和動量方程。而顆粒相則基於歐拉 - 拉格朗日法，通過 EDEM 軟體追蹤其受力與運動情況，顆粒體積分數均小於 10%。在耦合模擬前，對 EDEM 軟體和 FLUENT 軟體進行了詳細參數設置。在 FLUENT 中，採用歐拉 - 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，採用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，並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後各延伸一段長度為 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 RNG k - ε 湍流模型，採用 SIMPLEC 算法耦合泵內流場的速度和壓力，離散化求解採用二階迎風格式。在 EDEM 軟體中，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 一致，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，確保模擬的準確性。

  (三)網格無關性驗證

  為確保模擬結果的準確性，採用 ICEM 劃分工具創建計算網格，並選用四面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情況下，最終選用網格 B 進行後續數值計算。

  二、紙漿泵內流場的 PIV 實驗研究

  (一)實驗模型與裝置搭建

  為驗證仿真模型並深入分析流場，開展了 PIV 實驗研究。實驗採用的是一台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，採用半螺旋吸水室結構，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。由於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製造，前擋板採用不鏽鋼製造並塗黑處理，以減小對 PIV 雷射的反射。同時，搭建了開式實驗台，主要由模型泵、進出口閥門、罐體和管道等組成。實驗台的測試精度通過泵效率測量的不確定度來評估，經計算，該實驗台精度能夠滿足 GB/T 3216 - 2016 標準規定的 2 級精度要求。PIV 實驗裝置由 PIV 測試系統及外觸發同步控制系統兩部分構成，採用美國 TSI 公司的粒子圖像測速系統，包括 YAG200 - NWL 型脈衝雷射器、光臂及其片光源透鏡系統、同步器、CCD 相機等，並使用 Insight 3G 和 Tecplot 軟體對實驗圖像進行採集處理。

  (二)實驗介質與方案確定

  實驗採用具有較好跟隨性和散射型的二氧化矽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，將頭髮纖維長度嚴格控制在 2 - 8mm，研究質量濃度分別為 0.1%、0.15%、0.2% 及 0.3% 的頭髮纖維懸浮液。實驗時，將離心泵轉速穩定在 1450r/min，先對實驗台進行重複外特性實驗以驗證其可靠性。通過泵參數測量儀測量參數並求得離心泵的揚程及效率。逐步將對應質量的頭髮纖維加入罐中並開啟攪拌器，使其均勻分布，對0.6Qd、0.8Qd、1.0Qd、1.2Qd、1.4Qd5 個工況點進行 PIV 實驗，其中Qd為實驗泵額定工況，大小為 33.5m3/h。PIV 實驗選取葉輪區域內 3 個垂直於泵軸的截面進行拍攝，分別記為截面 Z1、Z2、Z3，以研究扭曲葉片對葉輪流道內流場的影響。

  三、紙漿泵研究結果與討論

  (一)紙漿泵性能分析

  通過對實驗泵的揚程、流量進行重複性實驗，當頭髮纖維質量濃度為 0.1% 時，離心泵的外特性曲線顯示，3 組外特性實驗數據變化較小，曲線基本重合，最大誤差在 4% 以內，證明了實驗台及實驗結果的可靠性。對比清水、0.1%、0.15% 及 0.2% 頭髮纖維質量濃度條件下離心泵性能曲線發現，不同頭髮纖維質量濃度下，泵揚程變化不明顯，但均高於輸送清水時的揚程。並且，隨著泵內頭髮纖維質量濃度的提高，泵效率逐漸增大，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 實驗結果對比發現，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絕對速度高於背面，從葉輪進口到出口，Z2 截面處流體的絕對速度逐漸增大，葉輪出口附近 Z2 截面處流體的絕對速度有所下降，而相對速度從葉輪進口至出口處逐漸增大，且在葉輪流道中段靠近壓力面附近可觀察到低速區域。這表明 CFD - DEM 方法能夠較好地模擬泵內複雜流場下的固液兩相流運動，同時也驗證了 PIV 實驗的準確性。由於L1流道的拍攝效果明顯優於L2、L3，後續採用L1流道的實驗結果對泵內流場進行分析。

  (三)測試結果詳細分析

  不同流量下葉輪流道內流體相對速度分布：在頭髮纖維質量濃度為 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現，在小流量工況下，如0.6Qd和1.0Qd工況，葉片壓力面附近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後增大的趨勢，即在流道中段壓力面附近會產生低速區，且隨著流量逐漸增大，低速區強度和面積逐漸減小，當流量增加到1.4Qd時，低速區基本消失。中間流線流體的速度變化規律與壓力面一致，但低速區強度和面積小於葉片壓力面。在葉片吸力面附近，只有在小流量工況下會形成低速區。總體而言，葉輪流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：對於採用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 實驗分析發現，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，葉片的扭曲程度逐漸降低，各截面上流體的相對速度差值逐漸減小，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於一致。

  額定流量下不同頭髮纖維質量濃度 Z2 截面處流體的相對速度分布：研究不同質量濃度頭髮纖維懸浮液在 Z2 截面上L1流道內的相對速度分布發現，隨著流量逐漸增大，高質量濃度纖維懸浮液 Z2 截面內的相對速度會逐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似度增大，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流道內從吸力面至壓力面的相對速度總體呈下降趨勢。並且，隨著纖維懸浮液質量濃度增大，葉輪出口截面流場的均勻性在各流量工況均有所改善，葉輪流道內各位置處流體的相對速度變化更趨平滑，有利於降低葉輪出口滑移率，提高葉輪效率。

  四、總結

  本研究通過CFD - DEM耦合方法對紙漿泵內纖維顆粒懸浮液流場進行模擬，並結合PIV實驗進行驗證與分析，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，葉輪流道內流體的流動狀態呈現出明顯差異，小流量時流道中段壓力面附近易產生低速區，大流量時流動較為穩定。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，而頭髮纖維質量濃度的變化也會改變流道內流體的相對速度分布。這些研究結果不僅驗證了 CFD - DEM 方法在模擬紙漿泵內纖維懸浮液內流場的可行性，更為深入理解長纖維懸浮液減阻效應提供了關鍵參考。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，深入研究紙漿泵內部流動特性將成為行業發展的關鍵驅動力。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，為製漿造紙及相關行業的可持續發展提供堅實支撐。