油辣椒固液混合多相流灌裝的數(shù)值模擬

羅金剛

（貴陽學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550005）

隨著信息技術(shù)的發(fā)展和流體研究的深入，對灌裝機(jī)械的研究，已可從過去的實體樣機(jī)研究，走向虛擬研究和分析，大大減少了研發(fā)周期和生產(chǎn)成本，油辣椒作為一直固液混合物，主要物質(zhì)組成有菜籽油、辣椒，花生米、調(diào)味料等，油辣椒的制作工藝是將菜籽油和辣椒、花生等物料經(jīng)高溫炒制而成[1]。油辣椒的固相和液相的各相流密度和流動性差異較大，在灌裝過程中容易出現(xiàn)由固相辣椒顆粒、花生和肉丁堆積而導(dǎo)致的堵塞現(xiàn)象，或者出現(xiàn)灌裝過程中固液混合不均勻、每瓶質(zhì)量得不到統(tǒng)一保證等問題[2]。現(xiàn)有的研究主要集中在對多相流的攪拌研究，對于油辣椒灌裝問題，主要表現(xiàn)在灌裝過程中。為了深入研究灌裝過程中油辣椒固液混合多相流在灌裝機(jī)構(gòu)中的流場分布，應(yīng)用流體力學(xué)軟件Fluent，對油辣椒固液混合多相流在灌裝排出過程中菜籽油體積分?jǐn)?shù)對流場的分布影響。

1 灌裝機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

灌裝機(jī)構(gòu)作為灌裝機(jī)的重要組成部分，主要由移動推桿、計量缸、三通閥、轉(zhuǎn)動閥芯、出口管道等部分組成。

灌裝機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)幾何模型見圖1。

圖1 灌裝機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)幾何模型

2 數(shù)值計算模型

2.1 數(shù)值計算方程

以歐拉-歐拉模型作為油辣椒固液混合多相流計算模型，液相為連續(xù)相，將其他兩個固相看成擬連續(xù)相，即將固相液相看成是共同存在相互滲透的連續(xù)介質(zhì)。以下是流體計算的相關(guān)方程[3]：

連續(xù)性方程：

式中：ρm——混合物平均密度；

動量方程：

式中：n——相數(shù)；

μm——混合黏度；

K——多相中的其中一相；

αk——相K 的體積分?jǐn)?shù)。

對于邊界移動的任意控制體積V 上的一般標(biāo)量Φ 的積分守恒方程為：

式中：ρ——流體密度；

Γ——擴(kuò)散系數(shù)；

SΦ——源項；

ΔV——控制體積V 的邊界。

2.2 網(wǎng)格劃分和參數(shù)設(shè)置

流體模型采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分, 對流體幾何模型加以簡化，以便提高計算速度，對部分流體區(qū)域進(jìn)行細(xì)化處理，使網(wǎng)格質(zhì)量提高[4]。

流體風(fēng)格劃分見圖2。

圖2 流體風(fēng)格劃分

油辣椒固液混合多相流中各相參數(shù)為液相的菜籽油密度904 kg/m3，黏度0.075 6 Pa/s。固相辣椒顆粒密度為1 160 kg/m3，直徑為4 mm；花生顆粒密度為1 053 kg/m3，直徑為4 mm[5]。

2.3 邊界條件定義和求解模型的選擇

油辣椒固液混合多相流模型流動狀態(tài)為牛頓流體，在邊界設(shè)置中將推桿的頂面和流體的接觸面為定義為缸體運(yùn)動面，計量缸內(nèi)流體的接觸面定義為變形面，出口定義為壓力出口，采用用戶定義函數(shù)定義缸體運(yùn)動面的速度為0.12 m/s，其他面定義為靜止邊界。

3 數(shù)值計算及結(jié)果分析

以油辣椒固液混合多相流為研究對象，主要討論菜籽油體積分?jǐn)?shù)的比例對整個流場的灌裝特性影響。分析在不同比例的固液相體積分?jǐn)?shù)條件下，流體灌裝過程的密度流場分布特點，為灌裝工藝和機(jī)構(gòu)的設(shè)計提供參考和研究[6-7]。

t=0.2 s 菜籽油不同體積分?jǐn)?shù)下流體縱向截面的密度云圖見圖3，t=0.3 s 菜籽油不同體積分?jǐn)?shù)下流體縱向截面的密度云圖見圖4。

圖3 t=0.2 s 菜籽油不同體積分?jǐn)?shù)下流體縱向截面的密度云圖

圖4 t=0.3 s 菜籽油不同體積分?jǐn)?shù)下流體縱向截面的密度云圖

（1） 密度云圖分析。流體密度場的分布作為灌裝過程中研究的主要分析點，分析菜籽油不同體積分?jǐn)?shù)的情況下的密度云圖。取縱向截面Z=0 mm 處進(jìn)行研究。根據(jù)密度云圖可知，在灌裝過程中，推桿的頂面和灌裝出口管道上均存在高密度區(qū)域，說明存在固相的沉積，隨著灌裝時間的增加，高密度的區(qū)域面積擴(kuò)大，分析發(fā)現(xiàn)在t=0.2 s 和t=0.3 s 時，菜籽油體積分?jǐn)?shù)越大，其推桿頂面和管道上的高密度區(qū)域相對較少，說明菜籽油增加了混合流體的流動性，減少了固相的沉積。在t=0.3 s 時菜籽油體積分?jǐn)?shù)越大，其推桿頂面的高密度堆積區(qū)域減少相對不明顯，但是在出口管道中低密度區(qū)域減少比較多，密度差別較大，說明隨著灌裝時間的延長，密度變化改變較大。

（2） 灌裝管道軸線方向密度場。為了深入研究出口管道內(nèi)密度的變化，選取出口管道軸線方向的直線L1從點（-25，195，0） 到點（110，195，0）。如圖5 所示為0.3 s 時油辣椒固液混合多相流流的密度分布曲線圖。分析曲線圖可知，在出口管道的左端附近不同菜籽油體積分?jǐn)?shù)，由于在灌裝過程中，隨著灌裝時間的延長，混合流體中出現(xiàn)固相和液相的分離現(xiàn)象，高密度的辣椒顆粒和花生顆粒下沉，菜籽油上浮所致左端的密度變小。在管道徑向的中間部分，不同菜籽油體積分?jǐn)?shù)的油辣椒固液混合多相流的密度較為均勻。綜合比較該密度曲線的變化和密度云圖的變化基本相符。

圖5 直線L1 上的密度分布曲線圖

直線L1上的密度分布曲線圖見圖5。

4 結(jié)論

通過分析油辣椒固液混合多相流，在不同菜籽油體積分?jǐn)?shù)的油辣椒固液混合多相流的條件下，其油辣椒固液混合多相流密度場的分布規(guī)律如下：

（1） 對灌裝過程中的流體密度場云圖分析可知，在推桿頂面和出口管道下方，隨著菜籽油的體積分?jǐn)?shù)的增加，高密度區(qū)域減少，固相的堆積較少，菜籽油的體積分?jǐn)?shù)改善了混合流體的流動性。

（2） 對出口管道內(nèi)的直線上各點的密度數(shù)據(jù)分析可得，在管道的左端密度變化較大，中間密度適當(dāng)均勻，其密度場的分布較為均勻，菜籽油體積分?jǐn)?shù)對流場的密度場影響不大。