一種果蔬清洗機數值和實驗研究

吳燕，金光遠，崔政偉，李靜

（1.江南大學機械工程學院，江蘇無錫214122；2.江南大學食品先進制造裝備技術江蘇省重點實驗室，江蘇無錫214122）

一種果蔬清洗機數值和實驗研究

吳燕，金光遠*，崔政偉，李靜

（1.江南大學機械工程學院，江蘇無錫214122；2.江南大學食品先進制造裝備技術江蘇省重點實驗室，江蘇無錫214122）

設計了具有U型清洗槽的單渦旋式水流果蔬清洗機，對其清洗特性進行數值研究和局部實驗驗證，探討U型清洗槽內橫縱孔淹沒水射流形成單渦旋水流清洗動力的規律，及渦旋流動對清洗湍流的強化作用；考察不同的橫縱孔射流流量比和縱向射流孔位置下清洗槽內三維流動特性，結果表明：橫縱射流流量比為2，縱向射流孔水平位置在左側時清洗槽內單渦旋的三維分布以及橫縱射流的相互作用強度較好，渦旋流動顯著，可促使單渦旋向出口下游遷移，實驗驗證與數值模擬結果一致。

果蔬清洗；水流清洗機；單渦旋式；數值分析

果蔬清洗在果蔬加工中非常重要，通常采用紊流或機械力（如摩擦力、振動力）使粘附在果蔬原料表面的污物脫落［1］。影響果蔬清洗效果的原因很多，如清洗時間、溫度、清洗力作用方式，以及清洗液體的pH值、礦物質含量等［2-6］。目前果蔬清洗的兩大主流技術為水流式清洗和氣泡式清洗，大量的果蔬清洗試驗研究表明［7-9］，水流式清洗具有清洗范圍廣、清洗量大、效果好等優點，優于氣泡式清洗。

水流式清洗技術分為渦旋式和直線式，兩者相比［10］，渦旋清洗可使清洗槽內水流運動軌跡呈螺旋狀，射流沖擊力對流場內的果蔬作用方式產生變化，物料清洗時間延長；且渦旋流動也增強了湍流清洗過程中果蔬受到的摩擦作用，在這些摩擦作用之下，果蔬表面的污物也受到一定程度的破壞。噴口幾何位置、射流流量及清洗槽的結構尺寸和形狀等參數都影響渦旋流場特性［11］。淹沒射流渦旋式水流清洗技術較為復雜，因而深入研究渦旋式水流清洗的機理，探索影響因素，以更好地控制清洗動力特性，實現最優清洗效果，對于為開發高效節能果蔬清洗加工單元，有著重要的指導意義。

作者所設計的單渦旋式水流清洗機具有U型清洗槽，采用計算流體動力學（CFD）方法，對基于淹沒水射流的渦旋式水流清洗強化特性進行研究，并對計算結果進行實驗驗證。考察不同橫縱射流流量比和縱向射流孔位置條件下清洗槽內渦旋流動特性，探討清洗槽內多橫孔淹沒水射流形成單渦旋水流清洗動力的規律，及渦旋流動對清洗的強化作用，為開發高效的水流式果蔬清洗機提供理論參考。

1　物理模型和數值方法

設計的單渦旋式水流清洗槽模型為U型開口結構，側面設有一排橫向射流管路，端面設有縱向射流管路，具有錐形收縮段出口。清洗槽體總長2.9 m，深0.8 m，寬0.8 m，槽底圓弧半徑為0.4 m。其中橫向射流管路，等間距分布8個橫向射流孔P1—P8（孔間距為0.2 m，P1距離槽端面0.3 m），孔徑為0.04 m，總管直徑為0.065 m；縱向射流管路，分布兩個縱向射流孔PZ1—PZ2（孔間距為2 m），孔徑為0.025 m，縱向總管直徑為0.05 m；縱向射流孔垂直方向高于橫向射流孔，高度差為0.013 m。為研究縱向射流水平位置對渦旋流動形成的影響，建立3個清洗槽模型，其縱向射流孔位置，依次在清洗槽的左側、中間和右側位置（Z3，Z2，Z3）。清洗槽主體結構特征如圖1所示。

圖1　單渦旋式水流清洗機物理模型Fig.1Single vortex water washer

假設流體充滿整個清洗槽，液面與清洗槽上端面齊平，流體從橫縱射流管路流入時忽略其他因素影響，計算域由U形清洗槽、出口區域和橫縱向射流管路組成。采用ANSYS ICEM四面體/混合網格非結構化網格技術對計算域進行網格劃分，壁面處進行加密處理，清洗槽模型網格數量約530萬，最小單元尺寸為2 mm，并檢驗網格無關性，如圖2所示，密網格與精密網格下橫向射流孔處平均速度和壓力的差值小于5%。采用基于有限體積法FLUENT求解器求解雷諾平均Navier-Stokes方程組，選用Standard k-e湍流模型，采用壁函數法處理壁面區域流動，采用SIMPLEC壓力—速度耦合算法，以及二階迎風格式的空間離散格式。邊界條件設置為：橫、縱管路入口給定為速度入口，槽體出口和液面出口給定為壓力出口，壁面給定絕熱固體壁面無滑移邊界，環境壓力給定為一個標準大氣壓，給定重力場。當進出口質量流量誤差小于或等于1×10-7認為計算達到收斂。

圖2　不同網格下橫向射流孔處平均速度和壓力比較Fig.2Comparison of average velocity and pressure for transverse jets under different grids

本文重點研討不同橫縱射流流量比和縱向射流孔位置條件下清洗槽內渦旋流場特性，因此在縱射流量一定的條件下（總流量Q=47 m3/h），定義橫縱射流流量比為R，射流工況流量比R=1，2，3。實驗工況為，縱向射流孔位置在清洗槽左側，流量比R= 2，實驗時只考察清洗槽端面水流運動軌跡。

2　結果分析

2.1流動特性的實驗驗證

驗證材料采用塑料小球，小球直徑80 mm，經測量，小球密度為1.071 g/mL，接近水的密度。實驗過程采用熒光色和紅色小球，主要觀察紅色小球的運動狀態。小球在水中很容易隨波逐流，水流運動狀態基本限定了小球的運動［5］，因而小球運動形態可以代表水流運動狀態。圖3（a）（b）為試驗工況下的數值模擬速度流線分布與單渦旋實驗驗證。

圖3　水流在清洗槽內的運動狀態Fig.3Motion state of water in the washing tank

從圖可見，紅色小球在清洗槽內隨水流按順時針運動，運動過程中小球沿清洗槽內壁運動，水流呈渦旋狀運動，與數值模擬結果一致，表明計算結果可靠。

2.2單渦旋流動三維特征

在清洗過程中引入非直線式的渦旋流動，清洗槽內水流運動軌跡呈三維特性。清洗槽內的三維流動發展如圖4所示，圖中給出了縱向射流位于左側Z1位置的清洗槽在橫縱射流比R=1的工況下清洗槽內8個橫向射流孔截面的速度、靜壓、湍流動能、湍流強度及渦量分布。

圖4　清洗槽內單渦旋流的三維特征Fig.4Three-dimensional characteristics of single vortex in the washing tank

由圖4（a）（b）看出，在橫縱射流的共同作用下，清洗槽內產生了由橫向射流主導的單渦旋流動，該渦旋流循序產生并逐漸發展，到射流孔P8時已覆蓋整個清洗槽，清洗槽上游橫向射流孔P1—P4附近存在一個正負壓力交替區域。從宏觀層面分析，清洗槽靠近橫向射流孔一側形成一個具有三維特征的渦流流動，該渦流由清洗槽上游產生，由縱向射流推動渦旋流動向清洗槽出口處擴散。渦流運動軌跡的三維特性表明，一方面，射流沖擊力對果蔬物料的作用方式發生改變，使流體與物料之間摩擦增大，使得物料表面污垢能更大程度被破壞，增加物料在清洗槽內的行程，確保物料的清洗時間及效果。另一方面，由圖4（c）（d）（e）可看出，清洗槽內存在強烈的湍流流動，湍流分布區域由橫向射流孔附近逐漸布滿清洗槽，呈渦旋狀展開；渦量分布主要集中在射流孔口附近，該區域具有高渦量值的流動，存在較高速度梯度，揭示流體微團自旋強烈，對清洗有強化作用。清洗槽內渦旋流動的這種湍流微觀脈動和渦旋，暗示流體與物料之間的微觀摩擦和沖擊力的增加，對果蔬清洗有強化作用。

2.3不同流量比R對渦旋流動形成的影響

清洗槽內的渦旋流動是在橫縱射流的共同作用下產生，其形成特征與橫縱射流流量比有著密切關系。圖5—7給出了縱向射流位于左側Z1位置的清洗槽，橫縱射流流量比R分別取1、2、3時槽內8個射流孔位置截面上的速度分布。

對比可看出，3種流量比下都出現了渦旋現象，但形成較好渦旋的位置以及覆蓋區域不同。渦旋現象循序漸進產生，在渦旋形成過程中，主體區域與邊界之間都出現了部分低速區域。根據渦旋形成的形狀，圖5中P7位置、圖6中P4位置，以及圖7中P3位置的渦旋效果較好。

圖8為3種工況下縱向射流孔水平截面內的速度分布。可看出流量比R=1時橫向射流速度小，流體不能到達清洗槽另一側壁面；流量比R=2時，橫向射流流動可到達清洗槽另一側壁，縱向射流可推動渦旋流體向清洗槽出口處運動；當流量比R=3時，縱向射流在第一個橫向射流孔P1處發生轉折，不能有效推動渦旋流動向出口處運動，清洗槽中部到出口之間存在較大的低速區域。因此當清洗槽內橫向流動可到達清洗槽另一側壁面，且縱向射流有效推動渦流向下游出口方向運動，此時橫縱射流流量比為最佳射流流量之比，可使清洗槽內中部位置產生較好的渦旋流動，具有較好的清洗動力。

圖5　橫縱射流流量比R=1時清洗槽體內渦旋流動分布Fig.5Distribution of vortex flow in the washing tank for a transverse and longitudinal jet flow ratio R=1

圖6　橫縱射流流量比R=2時清洗槽體內渦旋流動分布Fig.6Distribution of vortex flow in the washing tank for a transverse and longitudinal jet flow ratio R=2

圖7　橫縱射流流量比R=3時清洗槽體內渦旋流動分布Fig.7Distribution of vortex flow in the washing tank for a transverse and longitudinal jet flow ratio R=3

圖8　縱向射流孔水平截面內的速度分布Fig.8Distribution of velocity in the longitudinal jet horizontal cross section

2.4不同縱向射流孔位置下渦旋流動特征

清洗槽內渦旋流動是橫縱射流的相互作用下產生，縱向射流又有推動橫向射流形成的渦旋流動向出口下游方向遷移的作用，其不同的射流位置對渦旋流動形成和其運動軌跡有著重要影響。由上節分析可知，橫縱射流比R=2時可獲得較好清洗動力的渦旋流動分布，圖9、10給出了射流工況R=2時，縱向射流位置位于Z2和Z3清洗槽內，8個橫向射流孔位置以及P1—P4噴水孔位置截面的速度分布。

與縱向射流位于Z1時相比，縱向射流位于中部位置Z2清洗槽，縱向射流在清洗槽中間區域運動，與橫向射流作用形成很好的渦旋效果；而在右側Z3位置時縱向射流貼近清洗槽壁面處運動，與橫向射流的相互作用較弱，清洗槽底部有流體產生回旋流動，整體上形成渦旋流動不明顯。

圖9　縱向射流位于Z2清洗槽內速度分布Fig.9Distribution of velocity for the longitudinal jet located Z2in the washing tank

圖10　縱向射流位于Z3清洗槽內速度分布Fig.10Distribution of velocity for the longitudinal jet located Z3in the washing tank

圖11為清洗槽內縱向射流孔中心面內的速度分布。縱向射流位置位于中間Z2及右側Z3時，橫縱向射流相互作用不明顯，橫向射流未發生明顯偏轉，靠近出口處存在較大面積的低速區；縱向射流在左側Z1時，橫向射流孔P3處發生明顯偏轉，結合圖6中P3、P4速度分布，可知縱向射流位置在左側Z1時，可與橫向射流發生顯著相互作用并推動其向下游遷移，形成顯著的渦流流動和三維流動特征。

圖11　不同縱向射流位置縱向射流孔水平截面內的速度分布Fig.11Distribution of velocity in the longitudinal jet horizontal cross section for different longitudinal jet locations

3　結語

對單渦旋式水流清洗機清洗槽內流體運動特性進行了數值模擬研究和實驗驗證，結論如下：

1）清洗槽內流體宏觀的運動特性和微觀的湍動特性對最終清洗效果具有重要的影響。即在清洗槽整體區域內，具有顯著的三維渦旋流動和較高的湍動能，以及湍流強度。意味著湍流流動顯著，宏觀射流沖擊力和微觀摩擦力越佳，對物料清洗具有強化作用。

2）渦旋水流式清洗的動力特性與清洗槽結構、橫縱射流流量比，以及縱向射流孔位置密切相關。對應具有U型開口清洗槽，適當的橫縱射流流量比，是清洗槽內形成較好的渦旋流動的關鍵。計算結果表明，在一定的射流流量下，橫縱射流流量比為2時可獲得較好的三維渦旋流動。

3）縱向射流有助于形成三維渦旋流，并推動渦旋流動向出口遷移，其位置影響橫縱射流的相互作用強度。縱向射流孔位置在左側時，兩者作用愈強，可獲得顯著的渦旋流動。

［1］楊紅兵，丁為民，陳坤杰，等.新型蔬菜清洗機的研制［J］.農業工程學報，2005，21（1）：92-96.

YANG Hongbing，DING Weimin，CHEN Kunjie，et al.Research and development of a new-style washer of vegetable［J］. Transactions of the CSAE，2005，21（1）：92-96.（in Chinese）

［2］陳勤超.流體式與氣泡式蔬菜清洗機清洗效果的比較與研究［D］.武漢：華中農業大學，2007.

［3］Butz P，Fernández Garcia A，Lindauer R，et al.Influence of ultra high pressure processing on fruit and vegetable products［J］. Journal of Food Engineering，2003，56（2）：233-236.

［4］Mulugeta E，Geyer M.Characterising the washing processes of vegetables and potatoes［J］.Biosystems Engineering，2005，91（4）：441-453.

［5］王莉.淹沒水射流清洗機清洗蔬菜的作用原理與運動分析［J］.農業工程學報，2007，23（6）：130-135.

WANG Li.Working principle and kinematic analysis of submerge jet vegetable washer［J］.Transactions of the CSAE，2007，23（6）：130-135.（in Chinese）

［6］Zhou B，Feng H，Pearlstein A J.Continuous-flow ultrasonic washing system for fresh produce surface decontamination［J］. Innovative Food Science&Emerging Technologies，2012，16：427-435.

［7］王莉，陳勤超.淹沒水射流方式清洗櫻桃番茄的試驗研究［J］.農業工程學報，2007，23（9）：86-90.

WANG Li，CHEN Qinchao.Experimental study on washing cherry tomatoes with submerged jets mechanism［J］.Transactions of the CSAE，2007，23（9）：86-90.（in Chinese）

［8］王莉，丁小明.淹沒水射流方式清洗蔬菜的探索研究［J］.農業工程學報，2007，23（12）：124-130.

WANG Li，DING Xiaoming.Experimental investigation of washing vegetables with submerged jets of water［J］.Transactions of the CSAE，2007，23（12）：124-130.（in Chinese）

［9］陳勤超，朱明，王莉.淹沒射流清洗方式清洗物料的效果研究［J］.中國水運：學術版，2007（5）：1.

CHEN Qinchao，ZHU Ming，WANG Li.Study on the effects of washing materiels by submerged jets cleaning［J］.China Water Transport：Academic Version，2007（5）：1.（in Chinese）

［10］Ball C G，Fellouah H，Pollard A.The flow field in turbulent round free jets［J］. Progress in Aerospace Sciences，2012，50：1-26.

［11］許曉東，史桂宏.一種果蔬渦旋清洗機：中國，200910031700［P］.2010-12-29.

Study on Numerical and Experimental of Fruits and Vegetables Washer

WUYan，JINGuangyuan*，CUIZhengwei，LIJing
（1.School of Mechanical Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China；2.Jiangsu Province Key Laboratory of Advanced Food Manufacturing Equipment and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

A U-shaped single vortex water washer for fruits and vegetables was designed and its effect on vortex water washing was investigated.Results showed that the three-dimensional distribution and the intensity of interaction between transverse and longitudinal jets were optimal when the ratio of transverse to longitudinal jet flow was 2 and the longitudinal jet hole was left，significantly forming vortex and promoting the migration of single vortex to outlets.The experimental results were consistent with those from the numerical simulation.

Fruit and vegetable washing，water washer，single vortex，numerical analysis

TH 122

A

1673—1689（2015）12—1308—07

2014-10-13

江蘇省自然科學基金青年基金項目（BK20130150）；江蘇省產學研前瞻性聯合研究項目（SBY201320100）。

金光遠（1979—），女，遼寧鐵嶺人，工學博士，副教授，主要從事食品加工裝備研究。E-mail：gyuanjin@jiangnan.edu.cn