Mikrofibrilloidun selluloosan applikaattorin virtaussimulointi

Abstract

Tutkimuksen tavoitteena oli löytää tapa suorittaa virtausmallinnusta applikaattorille, eräänlaiselle perälaatikolle, jossa virtaavana nesteenä on mikrofibrilloitua selluloosaa. Applikaattorin käyttötarkoituksena on paperin tai kartongin päällystys mikrofibrilloidulla selluloosalla. Mielenkiinnonkohteena virtausmallinnuksessa oli varsinkin mikrofibrilloidun selluloosan kuitujen flokkien koon seuranta virtauskanavassa, koska kuitujen flokkaantumisen kanssa oli ollut ongelmia aiemmin testatun prototyyppilaitteen kanssa.

Tutkittavia geometrioita applikaattorille oli kolme ja tarkoituksena on tutkia erilaisten virtauskanavien muotojen vaikutusta virtaukseen, varsinkin virtausnopeuden kehittymiseen ja tasauteen sekä kuitujen flokkaantumiseen. Muutoksia oli tehty esimerkiksi virtauskanavan pituuteen ja muotoon. Virtauksen käyttäytymistä haluttiin tutkia myös usealla eri virtausnopeudella.

Virtausmallinnuksen perusteella havaittiin, että virtausnopeuden tasalaatuisuuteen laitteen suunnassa vaikutti enemmän virtauskanavan kokonaispituus. Virtauskanavan muotoilu taas vaikutti enemmän virtauksen turbulenssiin. Mutkitteleva virtauskanava tuotti myös virtauskanavan poikkileikkausta katsoessa tasalaatuisemmin turbulenssia koko kanavan alueelle toisin kuin suora virtauskanava, jossa turbulenssin kineettinen energia oli keskittynyt virtauskanavan seinille.

Flokkaantumismallin säätämisen jälkeen se otettiin käyttöön applikaattorin geometrian kanssa ja todettiin, että laskentaan kuluva aika tekee mallista todella epäkäytännöllisen teollisuuden tuotekehityskäyttöön, johon mallia oli suunniteltu käytettäväksi.

The aim of this thesis was to find a way to conduct CFD analysis on an applicator, a simplified headbox, where the flowing fluid is a suspension of microfibrillated cellulose. The applicator is to be used to coat paper or paperboard with microfibrillated cellulose. The aim of the CFD modelling was to find a way of simulating the flocculation of the fibers in the suspension of microfibrillated cellulose. A previously built prototype had had problems with the flocculation of the fibers causing blockages in the flow channel of the applicator.

There were three different geometries for the applicator, and the aim was to study the effect the different flow channel shapes had on the flow, especially the evolution and machine direction smoothness of the flow velocity and the flocculation of the fiber phase. The changes to the flow channels were made to the overall length of the channel and the shape of the channel. Multiple different flow velocities were also tested.

From the results of the CFD simulations it was seen that the overall length of the flow channel is what had the most effect of the smoothness of the flow velocity in the machine direction. The shape of the flow channel is what had more effect on the turbulence of the flow. When looking at the cross section of the flow channel it was clear that the wavy flow channel also created turbulence more evenly across the whole channel whereas on the models with straight channels the turbulence kinetic energy was more focused on the walls of the channel.

After the flocculation model was adjusted for microfibrillated cellulose and the model was used with the applicator it was realized that the increase in computational time caused by the flocculation model makes it impractical for industrial product development. Increased computational power or simplifications to the model would be required for the process to be usable.