Experimental study and computational simulation of fibre suspension flows - Application to headboxes
Etude expérimentale et simulation d'écoulements de suspensions fibreuses - Application à une caisse de tête
Résumé
The evolution of paper machines in order to get better paper grades at faster production rates imposed paper mills to operate more complex systems and gain in precision. The hydraulic injector which delivers the pulp onto a paper fabric, commonly called headbox, has not escaped from this evolution. In this work a detailed analysis and simulation of each part of a headbox was made. From these simulations and whenever possible from experimental observations and measurements, some basic questions were tried to be answered,
like the need of each part in a modern papermaking operation. Two different approaches were chosen, firstly a hydrodynamical study of the pulp flowing inside the different parts, focusing especially on turbulence scales and intensities and, secondly, the reaction of this pulp to the applied energy. It was observed that water can be used to reasonably predict the behaviour of a weak consistency pulp suspension for most of the important design parameters. The geometrical parameters of a headbox were also studied in order to provide
alternative methods for jet control. Indeed the jet geometrical characteristics are important variables for paper production. Most of the time miscalculated by old methods, no modern solutions were proposed to get a detailed jet angle and contraction coefficient. We have shown in this work that a detailed solution for any nozzle geometry can be computed. The location of the vena contracta is also possible with the proposed method. It was also shown that the real nozzle geometry used normally in a modern headbox with a double convergent configuration, may considerably modify the jet angle.
like the need of each part in a modern papermaking operation. Two different approaches were chosen, firstly a hydrodynamical study of the pulp flowing inside the different parts, focusing especially on turbulence scales and intensities and, secondly, the reaction of this pulp to the applied energy. It was observed that water can be used to reasonably predict the behaviour of a weak consistency pulp suspension for most of the important design parameters. The geometrical parameters of a headbox were also studied in order to provide
alternative methods for jet control. Indeed the jet geometrical characteristics are important variables for paper production. Most of the time miscalculated by old methods, no modern solutions were proposed to get a detailed jet angle and contraction coefficient. We have shown in this work that a detailed solution for any nozzle geometry can be computed. The location of the vena contracta is also possible with the proposed method. It was also shown that the real nozzle geometry used normally in a modern headbox with a double convergent configuration, may considerably modify the jet angle.
L'évolution des machines à papier pour obtenir des qualités de papier supérieures a fait évoluer les
équipements papetiers en complexité et en précision. L'injecteur hydraulique de pâte à papier, appelé caisse de tête dans l'industrie, n'a pas échappé à cette règle. Nous avons analysé chaque partie constituant une caisse de tête, en nous basant sur des observations et mesures directes quand les conditions le permettaient, ou sinon grâce à des simulations numériques, pour répondre à des questions essentielles relatives à l'utilité
et au dimensionnement de chaque partie d'une caisse de tˆete moderne. Pour cela, deux approches ont été retenues : la première est l'étude hydrodynamique de la suspension circulant dans chaque élément, surtout en termes d'´echelle et intensité de turbulence ; la deuxième est l'analyse de la réaction de la pâte à cette énergie.
Nous avons remarqué que l'eau peut être utilisée au lieu d'une suspension fibreuse pour établir les paramètres de dimensionnement. Finalement, nous avons étudié les paramêtres géométriques de la buse terminale d'une caisse de tête pour donner des solutions alternatives aux méthodes actuelles servant au contrôe du jet. Nous
avons démontré que les modèles existants pour caractériser le jet ne sont pas toujours applicables aux caisses de tête modernes et avons observé qu'aucune solution alternative n'est proposée actuellement pour calculer correctement l'angle et le coefficient de contraction du jet. Nous avons montré que le calcul de l'angle du jet est possible pour tout type de géométrie et avons mis en évidence la position de la veine contractée. Nous
avons aussi montré que l'utilisation d'un double convergent peut modifier significativement l'angle de jet et cela devrait être pris en compte.
équipements papetiers en complexité et en précision. L'injecteur hydraulique de pâte à papier, appelé caisse de tête dans l'industrie, n'a pas échappé à cette règle. Nous avons analysé chaque partie constituant une caisse de tête, en nous basant sur des observations et mesures directes quand les conditions le permettaient, ou sinon grâce à des simulations numériques, pour répondre à des questions essentielles relatives à l'utilité
et au dimensionnement de chaque partie d'une caisse de tˆete moderne. Pour cela, deux approches ont été retenues : la première est l'étude hydrodynamique de la suspension circulant dans chaque élément, surtout en termes d'´echelle et intensité de turbulence ; la deuxième est l'analyse de la réaction de la pâte à cette énergie.
Nous avons remarqué que l'eau peut être utilisée au lieu d'une suspension fibreuse pour établir les paramètres de dimensionnement. Finalement, nous avons étudié les paramêtres géométriques de la buse terminale d'une caisse de tête pour donner des solutions alternatives aux méthodes actuelles servant au contrôe du jet. Nous
avons démontré que les modèles existants pour caractériser le jet ne sont pas toujours applicables aux caisses de tête modernes et avons observé qu'aucune solution alternative n'est proposée actuellement pour calculer correctement l'angle et le coefficient de contraction du jet. Nous avons montré que le calcul de l'angle du jet est possible pour tout type de géométrie et avons mis en évidence la position de la veine contractée. Nous
avons aussi montré que l'utilisation d'un double convergent peut modifier significativement l'angle de jet et cela devrait être pris en compte.
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Leandro_Sebastian_Salgueiro_Hartard_PhD_thesis.pdf (23.52 Mo)
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