基于不同轉速的醬后皮渣分離裝置內部流場分析

袁昌富+王麗紅+坎雜+冉兵+李成松

摘要：番茄產業被譽為新疆“紅色產業”的龍頭，每年產生醬后皮渣20萬t以上，深加工潛力巨大。為探索刮板轉速對以離心篩分原理與斜板沉降技術相結合的雙作用機械化分離裝置內部流場和分離質量的影響，在不同刮板轉速工況下，對離心篩分裝置內部流場模擬研究，采用離散相模型對番茄籽在離心篩分滾筒內部的運動軌跡進行追蹤，并通過單因素試驗驗證，揭示不同刮板轉速對醬后皮渣分離質量的顯著性影響。

關鍵詞：醬后皮渣；流場分析；試驗研究；分離裝置；番茄醬

中圖分類號：S226.5 文獻標志碼：A 文章編號：1002—1302（2016）01—0380—03

加工番茄又稱工業番茄或醬用番茄，其皮厚汁少，可溶性固形物含量高。新疆地處我國西北邊陲，具有獨特的光熱和水土條件，是僅次于意大利、美國后的世界第三大番茄醬產區，同時也是亞洲最大的番茄生產和加工基地。2012年新疆加工番茄種植面積約5.87萬hm²，加工番茄產量為579.46萬t，占番茄總產量的84.80%，生產番茄醬62.87萬t，產生醬后皮渣20萬t以上（約占番茄總量的3%～5%）。醬后皮渣深加工潛力巨大，但因醬后皮渣中除番茄籽、皮外，同時含有少量果梗、果膠及未提取干凈的番茄汁，各成分比重相差不大，且在果膠作用下黏結、包裹在一起，造成分離困難。隨著現代高性能計算機技術的發展和流體力學的進步，以理論分析、試驗研究與數值模擬結合，成為研究流體流動的重要手段，產生了以有限體積法為主要基礎的新學科——計算流體動力學（computational fluid dynamics），已在工程技術的各個領域成功應用，具有很強的實用性。

王啟龍在機械攪拌制備SiCp/2014復合材料及攪拌過程中應用了標準k-ε模型。韓興麗在敏化機設計及其攪拌槽內三維流場數值模擬中也選擇標準k-ε模型。安自成在機械攪拌槽流場的粒子圖像測速技術（parirle image veloci-metry，PIV）試驗研究及數值模擬中發現RNGk-ε模型和大渦模擬所得到的流場分布圖基本上都能與試驗相匹配。郭立棟應用波浪數值模型耦合模型對斜坡堤上的越浪問題進行研究，分析了越浪過程的流場和紊動特性等。Prajapati等利用流體體積函數（volume of liuid，VOF）模型對流過絕熱毛細管的制冷劑進行數值計算，模型的數值模擬預測與試驗結果非常一致。封立英利用VOF模型對混凝土攪拌輸送車攪拌筒內的自由液面及出料情況進行模擬分析，并對設計提出建議。錢忠東等將水沙視為互相滲透的連續介質，并充分考慮水沙問以及沙粒之間的相互作用，對二維淹沒射流作用下的無黏性沙床沖刷進行數值模擬。龔希武等對顆粒相（沙）進行擬流體化處理，對近岸水域水平流環境下的潮流行為與海床泥沙起運、耦合運動機理進行模擬研究。陳鑫等對VOF和Mixture多相流模型在空泡流模擬中的應用進行了對比，結果顯示Mixture模型更容易實現復雜多相空泡流動問題的模擬，但模型本身存在較大的數值耗散，不利于精確捕捉相問交界面。

離散相模型預測連續相中，由于湍流渦旋的作用而對顆粒造成影響。李亞林等忽略離散相對連續相的影響，采用相問非耦合法，以示蹤粒子作為離散相，對離心泵內示蹤粒子運動進行了數值計算；董全成等應用離散相模型（discrete phase model，DPM）對氣流式皮棉清理機中的棉纖維以及雜質的運動軌跡進行仿真模擬，并通過現場的加工試驗驗證，表明數值計算所得出的優化組合和優劣分析是可行的，為氣流式皮棉清理機的加工工藝改善提供了依據。Ammar等利用多重參考系模型（multiple reference frame，MRF）模擬擋板長度對攪拌槽內紊流的影響，計算結果與試驗數據非常一致；Cao等對一個新式管狀攪拌反應器中的流動使用標準k-ε模型和MRF模型進行了模擬，結果顯示管內流體流動是湍流流動，且攪拌可以提高反應器的性能；宋淑然等采用MRF模型，將可動風機的轉速作為仿真的初始值，利用數值及正交試驗的方法，對風送式噴霧機的噴筒結構進行了優化設計，結果顯示MRF模型，以風機轉速為初始條件，對噴筒出風口速度的數值模擬是可信的。

本研究在離心篩分裝置模擬建立和網格劃分的基礎上，設定初始條件與邊界條件，采用VOF多相流模型、離散相模型和動參考系模型，對不同刮板轉速工況下離心篩分裝置內部流場和番茄籽運動軌跡進行分析，通過單因素試驗驗證刮板轉速的顯著性影響，為加工番茄醬后皮渣機械化分離裝置的優化提供依據。

1基于不同轉速的內部流場分析

1.1數值模擬幾何模型建立

采用多重參考系模型模擬初次分離裝置內部流場，在SolidWorks建立三維模型時，分刮板轉動區、非轉動區兩部分建立（圖1），利用Gambit前處理軟件在非轉動區減去刮板轉動區，得到靜止區；在刮板轉動區中減去轉動刮板片，得到轉子區。

1.2幾何模型網格劃分

網格劃分是將建立和分割好的三維實體模型進行連續地離散化，是數值模擬前處理的重要組成部分。Gambit為fluent5/6提供的體網格類型（Elements）有四面體網格、六面體網格、錐形和楔形網格，指定的格式類型（type）有結構化網格、非結構化網格和混合網格。其中，結構化網格內部的所有節點按照一定規則排列，網格區域內所有的內部點都具有相同的毗鄰單元，網格生成速度快、質量好，數據結構簡單；非結構化網格是指網格區域內的內部點不具有相同的毗鄰單元，節點和單元的分布是任意的。由于醬后皮渣雙作用分離內部流動復雜，為了更好地模擬分離裝備內部流動，將初次分離模型分刮板轉動區和非刮板轉動區，將二次分離模型分離心篩分區和斜板沉降區，分別進行非結構化網格劃分。網格的劃分結果如圖2所示。

1.3不同刮板轉速內部流場分析

在不同刮板轉速的工況下，離心篩分滾筒內空氣與介質水的兩相流云和番茄籽的運動狀態如圖3所示。

從圖3可以看出，在刮板轉速為30 r/min時，介質水在離心滾筒內部上升到一定高度后，又反方向落回滾筒底面，番茄籽交叉上升下落向前推進；在轉速為60 r/min時，介質水在離心滾筒橫截面內上升到一定高度后，近似拋物線下落到滾筒底面，番茄籽在軸向以拋物線下落的形式向出皮口推進；在刮板轉速為90 r/min時，介質水與空氣相在離心滾筒內相互混合，番茄籽在離心滾筒橫截面內做近似圓周運動，在刮板的軸向作用力下，向出皮口推進。

2基于不同刮板轉速的單因素試驗

通過單因素試驗確定刮板轉速對皮渣分離凈度和溢流損失的影響，試驗變量刮板轉速取值為30、45、60、75、90 r/min，試驗結果見表1。

刮板轉速對分離凈度和溢流損失影響的變化趨勢如圖4所示。可以看出，在刮板轉速為60 r/min左右時皮渣分離凈度取得最優值，溢流損失隨著喂入量的增大呈增高趨勢。

從方差分析結果（表2、表3）可以看出，刮板轉速對皮渣分離凈度、溢流損失均存在極顯著影響。綜合刮板轉速對皮渣分離凈度、溢流損失的影響（溢流損失控制在5%內），確定刮板轉速的水平變化范圍為50～65 r/min。

3結論

本研究利用SolidWorks建立離心篩分裝置的三維幾何模型，并采用Gambit前處理軟件進行網格劃分和邊界條件設定，借助fluent求解器的MRF轉動模型VOF多相流模型分析了離心篩分裝置內部的流場分布，利用離散相模型追蹤皮渣在分離過程的運動軌跡，通過單因素試驗確定了刮板轉速對醬后皮渣雙作用分離的顯著性影響。