雞蛋清洗噴霧系統中噴嘴的模擬優化

2015-12-20 06:27:30陳永剛閻秋生東莞職業技術學院廣東東莞53808廣東工業大學廣東廣州510006

食品與機械 2015年5期

關鍵詞：模型

陳永剛閻秋生（1.東莞職業技術學院，廣東東莞 53808；.廣東工業大學，廣東廣州 510006）

雞蛋營養豐富，適于微生物生長，極易受到沙門氏菌等致病菌的污染，未經清洗的蛋殼表面常含有大量的細菌。在發達國家，諸如美國和加拿大等，提倡通過洗蛋來降低雞蛋表面的細菌總量［1］。在中國，雞蛋的清洗也逐漸受到人們的重視，自動化的清洗設備廣泛地應用于養雞場和蛋類企業。

在清洗噴水裝置（圖1）的設計中，噴嘴的排列間距過密則噴水流量需要相應控制，否則會造成水資源的浪費，而控制流量則造成噴頭材料使用效率低下，也影響結構美觀；而從單純流體輸運的角度，過多的噴嘴還會造成主管道上的壓力降過大，距水源遠端的噴頭噴灑效果不理想，因此噴灑裝置的優化設計在這一環節就顯得尤為重要。本研究對水氣混合的兩相流使用VOF模型，同時對離散相，即液滴的霧化過程采用TAB模型，利用Fluent軟件實現了對雞蛋清洗系統噴水裝置噴水過程的模擬，并對噴頭位置的放置進行了優化。

圖1 蛋殼清洗系統結構示意圖Figure 1 Structure of eggs cleaning system

1 噴嘴的幾何結構

所研究噴嘴的幾何結構如圖2所示，水氣混合流體從左邊進入，壓力水在噴嘴內螺旋運動，與壁面相互作用產生橫向速度，然后在噴嘴前匯集，從右端噴出。由于管道的截面半徑由大變小，在流量恒定的情況下，將加快流速。空氣與水流因密度和壓力不同而產生速度差，兩相相對作用使得離散相的小水滴不斷破碎而完成霧化過程［2］。

圖2 噴嘴的幾何結構簡圖Figure 2 Geometry construction of sprayer

2 數值模擬過程

2.1 控制方程

水與空氣混合的流體同樣遵循流體力學的一般規律，可以根據合理的假設構建相應的控制方程，由于混合流體的可壓縮性不能被忽略，有：① 質量守恒方程，② 動量守恒方程。

其中：

牛頓流體的本構方程：

式中：

ρ——混合流體的密度，kg/m3；

t——時間，s；

?——梯度算子；

u——速度矢量，m/s；

p——壓力，Pa；

t——應力張量，Pa；

S——源項；

D——應變速率張量，s－1；

μ——動力黏度，Pa·s。

對于兩相流模擬，還需要選擇適當的多相流模型。Fluent提供了VOF（volume of fluid）模型，混合物模型和歐拉模型。本研究中，對混合流體噴嘴噴射的模擬采用靜態網格，不考慮空氣和水之間的溶解性，可采用VOF模型［3］，則有：

體積分數連續方程：

湍動能和耗散率方程：

這兩個方程表達的是湍流k—ε模型的k、ε的輸運方程，σk、σε是湍動能和耗散率的普朗克常數，二者將k、ε的擴散聯系到渦粘性系數μt，表達式見（13）：

式中：

g——重力加速度，N/kg；

k——湍流動能，m2/s2；

ε——耗散率；

αi——體積分數；

ρi——混合流體各組分密度［4］，kg/m3；

C1ε，C2ε，Cμ——無量綱常數；

σk——湍動能的普朗克常數；

σε——耗散率的普朗克常數；

μt——渦粘性系數，m2/s。

標準k—ε模型方程中包含的5個參數來自綜合數據和大量的湍流擬合常數：Cμ＝0.09，σk＝1.00，σε＝1.30，C1ε＝1.44，C2ε＝1.92［5，6］。

2.2 離散相模型

對于兩相流的模擬主要是為了得到噴水效果，即離散相的噴灑情況，為了使模擬結果能夠更好地符合實際流場，在模擬過程中考慮了噴嘴出口處初始霧滴的粒徑和速度，采用了TAB模型。

式中：

Fa——氣動力，N；

Fσ——表面張力，N；

Fμ——粘性力，N；

σ——水滴的表面張力，N/m；

CF、Ck、Cd——無量綱參數，其值根據試驗數據和理論擬合通常分別取1/3，8和5；

μ2——水滴動力黏度，kg/（m·s）；

y——變形率；

x——初始液滴赤道處半徑的變形量，m；

Cb——常數，取0.5；

r——初始的水滴半徑，m。

當y＝1，即x＝0.5r時，認為液滴已經破碎［7，8］。

2.3 網格劃分與邊界條件

由于噴嘴為圓形，可假設整個流場為軸對稱，因此選擇軸向任一截面上的1/2作為研究對象。使用ICEM構建幾何模型，并對噴嘴內部距出口30mm區域及噴嘴外部300×200的矩形計算區域采用四邊形網格離散。由于噴嘴內部，靠近噴嘴出口處發生尺寸的變化，而在噴嘴外部液體噴灑區域主要集中在中軸線附近，所以在保證不發生網格畸變的前提下對噴嘴出口及軸線附近進行網格加密。網格劃分結果見圖3、4。

對網格劃分結果進行檢查，得到 Minimum Orthogonal quality為0.933 276。該數值越接近1網格質量越高，證明通過適當的加密，計算區域劃分的網格質量已經符合要求。

圖3 四邊形網格離散結果Figure 3 Quadrangular meshes of computational domain

3 模擬結果

由于蛋殼清洗系統內的混合流體可以選擇多種流速，在噴嘴結構不變的情況下，為了得到實際流速與水流噴灑效果的關系，從而確定噴嘴安放間距和安放高度，混合流體的初始速度選擇15mm/s和150mm/s兩種。假設流場為穩態流場，采用壓力修正算法求解標量控制方程，由于噴嘴豎直放置，考慮重力對流場的影響，設置x方向（即混合流體噴射的軸線方向）為重力加速度方向。材料物性參數從Fluent材料庫中選擇，分別迭代1 000步得到空氣和水的模擬結果見圖5。

圖4 局部網格的加密Figure 4 Mesh encryption of local computational domain

圖5 不同流速下的噴霧情況Figure 5 The results of spraying for different flow rate

由圖5可知，對于同一噴嘴尺寸，不同流體速度所產生的效果不同，液體噴灑覆蓋的范圍有相應的差別。當流速增大時，噴嘴以外水沿徑向方向擴散的程度變小，水霧擴散半徑最大的位置距噴嘴出口的軸向距離變大。流速較慢的情況下，混合流體噴出較短的距離就會與周圍空氣發生相互作用，產生更為明顯的卷吸作用。通過模擬可以得到最大噴灑半徑，從而優化設置噴嘴安放的間距；同時最大噴灑半徑位置距噴嘴的軸向距離可以為確定噴嘴與傳送帶的豎直距離提供依據。

如圖6所示，壓力曲線在噴嘴出口附近有波動，在其余位置基本恒定，符合射流力學中壓強與周圍流體壓強相同的理論［9］，即：

圖6 噴嘴外部軸向壓力分布Figure 6 Distribution of static pressure along axis

4 噴嘴放置位置的優化

對模擬結果進行具體的分析測量，得到入口速度分別為15mm/s和150mm/s時的噴霧各部分尺寸。由于噴灑環境位于室內，且噴灑過程連續無間斷，灑水附近區域的空氣含水量較高，固模擬過程沒有考慮蒸發效應。如圖7所示，最大有效噴霧距離為L，假設噴嘴與傳送帶之間的距離為H，當H＜L時，噴出的水霧沒有完全散開，效率較低；當H＞L時，如果考慮蒸發效應或其他未知因素，則到達傳送帶上的水汽將會低于預期值。所以設置傳送帶和噴嘴之間垂直距離的時候，盡量滿足H＝L。

對于噴嘴安放的密度，由于噴嘴沿傳送帶的徑向排布，為了保證效率的最大化，兩個噴嘴之間的距離最大應為2R2，如果間距超過2R2，則噴嘴之間的噴灑區域會出現噴不到的情況；噴嘴最小間距應大于2R1，如果小于這個距離，則噴霧區域重疊過多，噴灑效率下降，需要安放更多的噴嘴。綜上所述，合理的噴嘴安置間距應該在R1，R2之間。在初始速度為15mm/s的模擬結果中測量得到R1≈4.44mm，R2≈8.89mm，L≈15mm；150mm/s的測量結果為：R1≈3.36mm，R2≈12mm，L≈30mm。