基于CFD的直噴噴嘴瓶體沖洗效果研究

龔敏浩，林名潤，劉貝，翟瑋昊，杜明俊

基于CFD的直噴噴嘴瓶體沖洗效果研究

龔敏浩，林名潤，劉貝，翟瑋昊，杜明俊

（上海航天設備制造總廠有限公司，上海 200245）

在葡萄酒瓶沖洗過程中，多種因素影響著瓶體的沖洗效果。為了量化不同因素對沖洗效果的影響程度，研究采用控制變量法進行CFD仿真分析。研究發現，噴口氣壓對瓶體沖洗效果影響最大。通過優化輸氣管道，并增加沖洗氣流流量，可實現瓶體沖洗效率的提升。

計算流體力學；葡萄酒瓶；沖洗；噴嘴

1 引言

新生產的葡萄酒瓶內部需進行沖洗，瓶體內部的沖洗效果和其表面的壁面切應力有直接關系[1]。通過獲取壁面切應力數值，瓶體沖洗效率可用數值體現。計算流體力學Computational Fluid Dynamic（CFD）在工程領域被廣泛應用于計算壁面切應力數值[2]。研究應用CFD對不同沖洗變量 下的葡萄酒瓶進行仿真，分析不同因素對于沖洗效果的影響 比重。

2 計算域和邊界條件

波爾多瓶是常見的葡萄酒瓶類型。沖洗過程中，瓶口朝下放置，噴嘴與輸氣管道相連為一體，噴嘴從噴口插入至瓶體內部。瓶體與直噴噴嘴的仿真模型網格剖面如圖1所示，模型設置一個入口邊界層（噴嘴）和一個出口邊界層（瓶口）。直噴噴嘴被簡化為一根與瓶體同軸的直管。

圖1 波爾多瓶仿真模型網格剖面圖

根據不同仿真區域對于網格質量需求不同，選擇相應的網格類型和尺寸。對于瓶底和瓶壁邊界層這些流場較為復雜的區域，其網格應更為密集，設置最大網格尺寸為1 mm。

仿真為穩態分析，流體介質25 ℃空氣，參考氣壓1 atm；入口邊界層相對總壓5 bar，出口邊界層相對總壓0 bar；壁面邊界條件為光滑且無滑動壁面。

湍流模型和壁面函數分別選擇-模型和可伸縮壁面函數[3-4]。25 ℃空氣密度=1.18 kg/m3，粘度=1.845×10-5kg/ms。假設噴嘴截面為直徑1=2 mm的圓，瓶口為直徑2=20 mm的圓，流體為不可壓縮。

根據伯努利方程=0.52，在入口和出口邊界層間5 bar的壓差下，噴嘴處空氣流速1為920 m/s。

又根據流體連續方程1·12=2·22，在瓶口處空氣流速2為9.3 m/s。

3 仿真結果

影響沖洗效果的因素大致可分為噴口至瓶底距離、噴口直徑、噴口氣壓。

3.1 沖洗效果與噴口至瓶底距離關系

保持噴口氣壓5 bar，噴口直徑4 mm，噴口至瓶底距離變量范圍20～100 mm。

仿真結果如表1所示，隨噴口至瓶底距離增加，瓶體各部分壁面切應力均下降，沖洗效果減弱。當噴口至瓶底距離大于等于60 mm時，瓶底最大壁面切應力降低率提升。瓶底最小、瓶身最大、底部拐角壁面切應力與噴口至瓶底距離大致呈線性關系。

表1 壁面切應力與噴口至瓶底距離關系

噴口至瓶底距離/mm20406080100 瓶底最大壁面切應力/Pa1 4631 3651 236956.8680.7 瓶底最小壁面切應力/Pa292415.410.14.24 瓶身最大壁面切應力/Pa161145.3133.8119.391.95 底部拐角壁面切應力/Pa4337.123.613.45.7

注：噴口氣壓5 bar，噴口直徑4 mm。

3.2 沖洗效果與噴口直徑關系

保持噴口氣壓5.3 bar，噴口至瓶底距離101.7 mm，噴口直徑變量范圍2～6 mm。

噴口直徑的平方乘以噴口氣流速度，等于噴口氣流量。噴口氣壓不變，故噴口氣流速度不變，氣流量與噴口直徑的平方呈等比關系。

仿真結果如表2所示，隨噴口直徑增加，氣流量增加，瓶體各部分壁面切應力均上升，沖洗效果提升。瓶底最大壁面切應力與氣流量大致呈線性關系；瓶底最小、瓶身最大、底部拐角壁面切應力與噴口直徑大致呈線性關系。

表2 壁面切應力與噴口直徑關系

噴口直徑/mm246 瓶底最大壁面切應力/Pa146.66181 443 瓶底最小壁面切應力/Pa1.337.0611.96 瓶身最大壁面切應力/Pa24.23103.7207 底部拐角壁面切應力/Pa1.9410.0616.51

注：噴口氣壓5.3 bar，噴口至瓶底距離101.7 mm。

3.3 沖洗效果與噴口氣壓關系

保持噴口至瓶底距離20 mm，噴口直徑4 mm，噴口氣壓變量范圍5～20 bar。

仿真結果如表3所示，隨噴口氣壓增加，瓶體各部分壁面切應力上升，且與噴口氣壓大致呈線性關系。

表3 壁面切應力與噴口氣壓關系

噴口氣壓/bar5101520 瓶底最大壁面切應力/Pa1 4632 7011 236956.8 瓶底最小壁面切應力/Pa2967103.8139 瓶身最大壁面切應力/Pa161302440580 底部拐角壁面切應力/Pa4386122177

注：噴口至瓶底距離20 mm，噴口直徑4 mm。

4 分析與建議

灰塵顆粒更易堆積于底部，瓶底最小壁面切應力是衡量沖洗效率的關鍵數值。通過上述仿真，結合各變量因素進行線性擬合后，得到以下方程：

bm=﹣0.317 1+35.574，（=5，=4）

bm=2.657 5－3.846 7，（=5.3，=101.7）

bm=7.336－7，（=20，=40）

其中，bm為最小壁面切應力，Pa；為噴口至瓶底距離，mm；為噴口氣壓，bar；為噴口直徑，mm。

整合上述方程，得到以下簡化公式：

bm=7.336－0.317 1+2.657 5－10.234 3

基于該公式，讓噴口靠近瓶底能提升沖洗效果，但提升幅度有限，即無限接近于0；增加噴口直徑對沖洗效果的提升則受限于瓶口直徑，常規酒瓶瓶口直徑6 mm，考慮噴嘴壁厚，噴口最大允許直徑為4 mm；噴口氣壓是對瓶底最小壁面切應力影響最大的因素，提升噴口氣壓需在滿足不超過壓力容器氣壓上限的同時，保證氣流沖擊力不會使瓶體破裂。

在玻璃表面沖洗具有較強黏附性的灰塵顆粒，壁面切應力需要約99.64 Pa[5]。根據簡化公式，假設噴口無限接近瓶底，噴口直徑4 mm，為滿足100 Pa的瓶底最小壁面切應力，噴口氣壓需達14 bar，玻璃瓶最大能承受約15 bar的氣壓沖擊。

綜上，提升沖洗效果的有效方法是增大噴口氣壓、增加沖洗氣流流量。氣體在輸氣管道中存在壓力損失，噴口氣壓越大，壓力損失越大，兩者呈等比關系。為減小壓力損失，需優化管道設計，例如優化管路拐角和管路直徑等。

5 結論

本研究中，波爾多瓶搭配直噴噴嘴的模型被用于CFD仿真。瓶體沖洗效果主要與噴口至瓶底距離、噴口直徑、噴口氣壓有關，其中噴口氣壓對沖洗效果影響最大。為進一步提升沖洗效率，需在優化管道設計的同時，增加沖洗氣流流量。

［1］JENSEN B，FRIIS A.Critical wall shear stress for the EHEDG test method［J］.Chemical engineering and processing，2004，43（7）：831-840．

［2］VERSTEEG H，MALALASEKERA W.An introduction to computational fluid dynamics:the finite volume method［M］.2nd ed.Prentice Hall:Essex，2007.

［3］何茵楠，宋赫男.醫用射流錐直型噴嘴流動特性仿真研究［J］.液壓與氣動，2020（4）：140-144．

［4］陳冰冰，張立，閆如忠.磨料射流噴嘴壓力場與速度場的研究［J］.組合機床與自動化加工技術，2020（1）：47-50．

［5］TAN C，GAO S，WEE B，et al.Adhesion of dust particles to common indoor surfaces in an air-conditioned environment［J］.Aerosol science and technology，2014，48（5）：541-551.

2095－6835（2021）06－0008－02

TH137

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.06.003

龔敏浩（1994—），男，碩士，設計員，助理工程師，研究方向為航空航天、機械工程和流體力學。

〔編輯：丁琳〕