随着经济、科技和社会的不断发展,对包装用纸或纸板的需求不断增长;加之造纸用纤维资源缺乏,同时倡导废弃资源利用、节能减排、降本、少用化学品等,致使废纸占我国造纸原料的65%以上。碎浆设备是废纸浆生产的第一道重要设备,且大多采用立式水力碎浆机。因此开发研究高效、低能耗、运行稳定的立式水力碎浆机具有重大意义。本文以高效、节能、运行平稳安全为主要依据,在分析国内外现有同类专利及应用中的立式水力碎浆机槽体结构形式基础上,运用FLUENT软件对O形和D形两类槽体结构中5%工作浓度的浆料流场数值模拟,得到两者内部流场的总压、流速和湍流强度的分布并进行对比分析;在现有各种立式水力碎浆机结构型式的定性和定量优缺点的理论研究基础上,提出一种高效、节能和运行平衡稳定的新型槽体结构型式,进而运用FLUENT软件对其内部5%的浆料流场进行数值模拟,得到其内部的总压、流速和湍流强度的分布情况并与O形和D形槽体进行分析对比;最后通过小型碎浆装置碎浆实验验证数值模拟结论。本文主要研究成果如下:(1)传统O形槽体内部流场对称、运行平衡稳定,但其高湍强区域局限于下部转子旋转区域附近,上部和下部流场湍动强度相差1159%,且顶部边缘处浆料圆周切向速度为0而缺乏碎解动力。(2)D形槽体中心低湍流区域半径缩小到O形的13%,湍流强度明显增强,但D形槽由于浆料径向撞击槽壁比O形多造成22.67%的动能浪费、且内部流场不对称使设备运行缺乏平衡稳定性。同时从机械角度来看D形流使槽体产生的较大振动以及转子受力的不对称性会影响机械部件的寿命。(3)提出一种高效、节能和运行平衡稳定的新型槽体结构形式,并获得了授权发明专利(ZL2015100011941):鼓槽体螺旋返流板立式水力碎浆机。其结构特征关键在于槽体采用鼓形结构和槽壁上焊有反流向、45°螺旋线、间断排布、带凹槽的梯形截面返流板。(4)新型鼓槽体结构的椭球弧形收口和返流板的合力作用将浆料同时向槽体中心和槽底转子区域推送,同时返流板附近湍流强度平均增强100%,有效提高了碎浆效率;鼓形槽体倒锥体部壁面处的浆料速度为5m/s,相较于O形和D形槽体壁面为0的速度能够有效降低因径向撞击壁面造成的能量损失。(5)通过小型实体模型模拟碎浆过程可得鼓槽体水力碎浆机的碎浆效率比O形立式水力碎浆机提高了18.22%,比D形立式水力碎浆机提高了1.32%。新型鼓槽体在碎浆过程中振幅有效值较D形水力碎浆机槽体降低了55.22%,保证运行平衡的安全性和稳定性。