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  羅金剛，何玲，王仁偉

 貴州大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室(貴陽550002)

摘要為研究油辣椒制品的灌裝技術(shù)，以油辣椒制品固液兩相流的灌裝過程為研究內(nèi)容，分析固液兩相流油辣椒制品在灌裝過程中的數(shù)值模擬，采用動網(wǎng)格技術(shù)中網(wǎng)格的局部重構(gòu)方法結(jié)合UDF定義運(yùn)動邊界驅(qū)動機(jī)制實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格區(qū)域運(yùn)動，確保模型符合實(shí)際運(yùn)動規(guī)律。探究灌裝過程計量缸活塞在不同的灌裝速度下，灌裝過程流體的流線、密度場、湍流強(qiáng)度場分布規(guī)律，模擬結(jié)果表明：在一定范圍內(nèi)，隨著灌裝速度的增加，在活塞的底面和出口處，高密度區(qū)域減少，隨著灌裝速度的進(jìn)一步增加高密度區(qū)域增加。研究結(jié)果為油辣椒制品的灌裝過程的工藝參數(shù)提供有利的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞  油辣椒制品；固液兩相流；動網(wǎng)格；數(shù)值模擬：灌裝速度

    灌裝機(jī)械作為食品包裝機(jī)械中的主要組成部分，其種類繁多，結(jié)構(gòu)多樣。油辣椒制品屬固液混合體，主要成分包括菜籽油、辣椒等，成品由菜籽油和辣椒等物料經(jīng)高溫熬制而成。加工過程中辣椒與菜籽油互相滲透，成品中油的體積明顯減少形成“辣椒油”，辣椒吸收油份體積增大形成“油辣椒”，此時的油辣椒密度大于辣椒油，成品中油上浮顆粒下沉，從而造成油辣椒在灌裝過程中易出現(xiàn)堵塞的現(xiàn)象，使得產(chǎn)業(yè)不能實(shí)現(xiàn)自動化灌裝。對于高黏稠的油辣椒制品的灌裝問題，主要出現(xiàn)在物料排出過程中，為了了解灌裝排出過程中灌裝裝置內(nèi)部流場的運(yùn)動狀態(tài)�，F(xiàn)有使用流體力學(xué)軟件Fluent數(shù)值模擬主要以單相流體研究，對于兩相流的灌裝過程模擬比較少。試驗主要通過數(shù)值模擬的方法研究油辣椒制品在灌裝排出過程中灌裝速度對流場的分布影響，分析在不同灌裝速度下的兩相流油辣椒的在灌裝裝置中的流線分布和密度分布以及湍流動能的分布。為油辣椒制品的自動化灌裝技術(shù)工藝提供理論指導(dǎo)。

1. 灌裝裝置的工作原理

該灌裝裝置主要由計量缸（直徑50 mm，內(nèi)有活和活塞推桿）、三通閥、攪拌槽、驅(qū)動氣缸和出料塞管（直徑30 mm）組成。其利用推桿帶動活塞在定量缸內(nèi)進(jìn)行上下往復(fù)運(yùn)動，來完成灌裝過程。吸料時活塞往下運(yùn)動時，此時三通閥的固定管口與攪拌槽的人料管口相連。物料由攪拌槽通過三通閥進(jìn)入計量缸內(nèi)排料時，三通閥閥芯轉(zhuǎn)過90。，此時三通閥的固定管

口與出料管相連，活塞往上運(yùn)動，完成排料過程。三通閥的轉(zhuǎn)動由驅(qū)動氣缸和曲柄連桿來進(jìn)行控制；物料的灌裝速度和定量容積由推桿的運(yùn)動速度和位移量控制。灌裝裝置的幾何模型如圖1所示。

2數(shù)值分析模型

2.1求解方程

 1)動網(wǎng)格的計算模型在任意一個控制體中，通量的積分守恒方程為：

2.2網(wǎng)格劃分

  根據(jù)計算所需物料的流動狀態(tài)建立流道幾何模型，試驗對流場區(qū)域的網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格行劃分．對流體的局部網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化加密處理，使得計算精度和網(wǎng)格質(zhì)量得到提高并且加快收斂速度。計算域網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。

兩相流數(shù)值模型參數(shù)中，第一相為液相的菜籽油其密度930 kg/m3，動力黏度為0.118 Pa．s。第二相為固相的辣椒其顆粒密度1 280 kg/m3，辣椒片顆粒平均顆粒直徑為4 mm，體積分?jǐn)?shù)為70%。

2.3邊界條件設(shè)定以及求解器設(shè)置

為了計算灌裝過程中內(nèi)部流場，在Fluent軟件的基礎(chǔ)上，利用動網(wǎng)格( Dynamic Mesh)技術(shù)。配合UDF( User-defined Function)，兩相流模型流動狀態(tài)為不可壓縮流體湍流。在動網(wǎng)格區(qū)域設(shè)置活塞面為剛體運(yùn)動動壁面，計量缸的壁面為變形面，活塞運(yùn)動規(guī)律遵循UDF設(shè)置，其運(yùn)動速度V=0.08 m/s．V=0.10 m／s，V=0.12 m/s，0.14 m/s四種。出口邊界設(shè)置為自由出口，其他壁面采用靜止邊界條件。選用標(biāo)準(zhǔn)K～s湍流模型，并啟用標(biāo)準(zhǔn)逼近函數(shù)，考慮重力影響設(shè)置重力的常數(shù)。對灌裝過程流體運(yùn)動的流場進(jìn)行了仿真研究。

3數(shù)值計算及結(jié)果分析

油辣椒制品灌裝過程的因素很多，試驗僅考慮灌裝速度因素對油辣椒制品對流體運(yùn)動情況的影響。油辣椒制品混合物中的固相密度大于液相，灌裝速度過大或過小都會導(dǎo)致固相的辣椒沉積在灌裝裝置內(nèi)，導(dǎo)致灌裝過程的堵塞。試驗分別對0.15s和0.4s時的灌裝選取了不同灌裝速度(0.08，0.10 m/s和0.12, 0.14m/s)，并對灌裝過程油辣椒制品固相流場的流線分布、固液兩相流的密度場和湍流強(qiáng)度場進(jìn)行模擬分析。

3.1灌裝過程流線的分析

在流場中每一點(diǎn)上都與速度矢量相切的曲線稱為流線。流線在幾何上形象地表示了流體的運(yùn)動形態(tài)，通過對灌裝裝置內(nèi)流線的分析可以更加了解其流體的運(yùn)動形態(tài)，從而了解其運(yùn)動規(guī)律，對灌裝裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計和灌裝工藝提供了幫助。選取軸向截面Z=0 mm處，對不同灌裝速度的流線分析。圖3所示分別給出了t=0.15 s和t=0.40 s時V=0.08 m/s ,V=0.10 m/s,  V=0.12m/s，0.14 m/s四種不同灌裝速度的固相流線圖。圖(a)  V=0.08 m/s,流線稀疏，說明運(yùn)動初始階段速度較小。圖(b)流線變的稍微密集，在計量缸的壁面部分，流線分布較少。圖(c)可以看到計量缸內(nèi)油辣椒有回流現(xiàn)象依然存在，而且和前面兩種相比流線特別密集。圖(d)可以看到灌裝裝置出口的流線速度較大其流線分布特別密集。

3.2灌裝過程密度場的分析

通過模擬分析，得到灌裝過程流場的密度場的分布情況，探究活塞移動速度的變化對密度的影響。為了直觀的描述密度場的分布，試驗分別給出了軸向截面Z=0 mm處的整個灌裝裝置內(nèi)密度分布云圖如圖4所示。在(a)圖中，近活塞面區(qū)域、出口處的壁面出現(xiàn)了高密度區(qū)，由于活塞運(yùn)動速度小，活塞上面的油辣椒沉積，由于各相物料屬性不同，各相之間存在

相對滑移，造成物料的流動性差，因此出現(xiàn)沉積。(b)圖中，隨著灌裝速度的增加，活塞上面的油辣椒沉積相對減少，高密度區(qū)域也減少，在計量缸的頂端低密度區(qū)域現(xiàn)象明顯減少。(c)圖中，整個灌裝裝置內(nèi)的密度基本均勻，高密度區(qū)域和低密度區(qū)域得到明顯的改善效果比前兩種好。

通過對多相流的流線和密度流場的計算分析，為了深入研究油辣椒制品在罐裝過程中計量缸內(nèi)的流動狀況。流體流動過程中，湍流強(qiáng)度作為十分重要的部分，對其湍流強(qiáng)度場的探究也必不可少。湍流對于流體的影響非常大，湍流強(qiáng)度大，就會導(dǎo)致能量的消耗比較多，灌裝的效率得不到提高，為了使得油辣椒制品在灌裝裝置中均勻混合，由于湍流使得流體各速度方向不一致所以適量的湍流是有利的，避免了油辣椒制品固相的沉淀。

試驗分別選取軸向截面Z=0 mm處的整個灌裝裝置內(nèi)湍流強(qiáng)度圖如圖5所示。從(a)中可以發(fā)現(xiàn)湍流強(qiáng)度比較明顯的區(qū)域發(fā)生在計量缸的中心區(qū)域，出現(xiàn)湍流的原因是由于計量缸上方截面變化大導(dǎo)引發(fā)了湍流產(chǎn)生。(b)圖中，隨著速度的增加，相對而言湍流強(qiáng)度減弱，在計量缸在的中心湍流的強(qiáng)度減弱。(c)圖中，在計量缸中心湍流強(qiáng)度弱，整個區(qū)域湍流都相對穩(wěn)定。(d)圖中，湍流強(qiáng)度減弱，在活塞的底部區(qū)域和灌裝裝置的出口區(qū)域湍流強(qiáng)度小，導(dǎo)致該部分出現(xiàn)了固相油辣椒沉積流動性差。

4結(jié)論

試驗采用Fluent軟件模擬灌裝裝置內(nèi)油辣椒制品固液兩相流的運(yùn)動過程，通過分析不同灌裝速度條件下，流體分布和密度場以及湍流強(qiáng)度場得到結(jié)論如下：

1)由灌裝裝置內(nèi)的密度分布圖可知，在不同的灌裝速度下，在一定范圍內(nèi)隨著速度的增加，在灌裝出口和活塞的底部，油辣椒制品的沉積減少，低密度區(qū)域減小但是隨著速度的進(jìn)一步增加在灌裝出口和活塞的底部又出現(xiàn)了高密度區(qū)域。

2)通過對灌裝裝置的流場模擬分析可知在灌裝速度V=0.12 m/s時整灌裝裝置內(nèi)油辣椒制品分布相對均勻，低密度區(qū)域減少，固液分離減弱，是較好的灌裝速度，對于解決堵塞問題有明顯的改進(jìn)。

3)在Fluent中仿真計算了出灌裝裝置在不同灌裝速度下的流線和密度場分布，得出了物料在不同的速度變化趨勢；根據(jù)不同速度的湍流強(qiáng)度分布圖，得出了湍流強(qiáng)度和物料的流速關(guān)系，為灌裝工藝優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。