果粒飲料儲液攪拌缸的設計與參數優化

黃曉華

楊弟洲

丁志輝

朱 燦

(南京理工大學機械工程學院機械工程系，江蘇 南京 210094)

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果粒飲料儲液攪拌缸的設計與參數優化

黃曉華

楊弟洲

丁志輝

朱 燦

(南京理工大學機械工程學院機械工程系，江蘇 南京 210094)

設計一種果粒飲料儲液攪拌缸，對儲液攪拌缸缸體、攪拌槳結構進行設計，并給定其各項參數。采用正交試驗法與FLUENT相結合進行數值模擬，確定攪拌槳安裝高度、攪拌槳葉片直徑、攪拌槳的旋轉速度等因素對攪拌過程的影響程度，并對儲液攪拌缸進行參數優化，得到最佳參數解。結果表明：影響儲液攪拌缸攪拌穩定后果粒濃度幅值的因素主次順序為：槳直徑、攪拌速度、下層槳高度。研究成果可為后續的果粒飲料一體化灌裝機的設計提供參考。

果粒飲料；儲液攪拌缸；結構設計；數值模擬；參數優化

儲液攪拌是一體化灌裝過程中的一個重要工序，這個過程的好壞直接影響到灌裝的精度及飲料的口感。目前對于機械儲液攪拌缸的設計主要依賴經驗與試驗，難以預測實際性能，且設計成本很高。隨著計算機流體動力學(CFD)技術的發展，數值模擬技術成為攪拌器設計的一個重要手段。目前，國內外學者[1-2]利用數值模擬技術對立式單層攪拌研究較多，對多層葉輪攪拌過程研究較少。本試驗擬以市場上最常見的果粒橙為研究對象，設計一種新型儲液攪拌缸，并運用正交試驗法與FLUENT模擬仿真相結合，對儲液攪拌缸進行參數優化，為后續的果粒飲料一體化灌裝機的設計提供理論依據。

1 儲液攪拌缸的結構設計

1.1 缸體的結構

果粒飲料中含有果粒，將其靜置，果粒就會沉積在儲液攪拌缸底，造成后續灌裝成品含果粒不均勻甚至出現液口堵塞現象。使用攪拌槳進行攪拌，能夠使果粒分散在飲料中，但若攪拌槳設計不當，又會造成攪拌不均勻，影響灌裝精度。儲液攪拌缸由缸體、缸蓋、入口、出口、攪拌槳等組成，儲液攪拌缸容量標準見表1。

本研究中采用容量為350 L的儲液攪拌缸，儲液攪拌缸直徑D取700 mm，高度H取900 mm，進出口直徑取40 mm。

近年來，學者對儲液攪拌缸的進口、出口位置做了很多研究。Lunden等[3]對進料位置對混合時間的影響進行研究，結果表明：進料位置對混合時間的影響不大；張慶華等[4]研究表明進料位置對攪拌影響不大。

表1 儲液攪拌缸參數表Table 1 Reservoir parameter

儲液攪拌缸缸蓋主要有平頂缸蓋、凹頂缸蓋、凸頂缸蓋3種形式，對這3種儲料攪拌缸蓋進行研究，發現在灌裝過程中，平頂缸蓋灌裝過程中物料淤積最嚴重，出現了油浮現象，即固液分離現象嚴重；凹頂缸蓋灌裝過程中，高密度區分布集中在軸心區域，在近壁面區物料的堆積現象嚴重，這些不利于物料的均勻灌裝。相比之下凸頂缸蓋物料灌裝過程中，物料分布均勻，堵塞情況明顯減少[5]。因此，本研究采用的是凸頂缸蓋。

儲液攪拌缸缸體結構見圖1。

1. 儲液缸入口 2. 儲液缸缸蓋 3. 儲液缸缸體 4. 儲液缸出口圖1 儲液攪拌缸缸體結構Figure 1 Reservoir cylinder block structure

1.2 攪拌槳的結構設計

在攪拌的過程中，攪拌槳所產生的流型及其自身的參數都會對攪拌精度產生很大的影響。攪拌槳主要產生軸向流與徑向流[6]4-5。軸向流是指：流體沿攪拌軸方向進行循環流動，具有較大的循環速度，有利于混合相中固相的懸浮。葉輪與旋轉平面成小于90°的夾角，在旋轉時產生軸向流。徑向流是指：流體沿著攪拌軸垂直方向流動，剪切作用較大，有利于混合相中固相的分散。葉輪與旋轉平面成90°夾角，旋轉則會產生徑向流[7]。攪拌流型見圖2。

果粒飲料中含有果粒，將其靜置后，果粒就會沉積在缸底，造成堵塞以及果粒含量不均勻，不利于后續灌裝。所以，要對其進行攪拌，首先需要軸向流，讓果粒懸浮在儲液攪拌缸中，再利用徑向流，使得果粒均勻地分布在果汁中，避免輸液口堵塞及成品中果粒含量不均勻等缺點，提高灌裝精度。像這種既需要產生軸向流，又需要產生徑向流，單一的槳形并不能滿足，則需要設計出相應的多層多種槳形的組合槳。目前，已經有眾多學者對組合槳進行了研究。Aubin等[8]模擬了多層葉輪在高濃度攪拌槽內的流場特性；G.Micale等[9]對中低濃度固體顆粒在單層槳和多層槳的攪拌槽內的分布情況進行模擬，結果表明：多層槳攪拌效果更好；李新明等[10]對不同組合葉輪雙層槳的攪拌效果進行研究，結果表明：當采用上斜下直的槳形時，混合液的湍流動能增強，循環流動增強，混合效果提高。為了提高果粒飲料的攪拌效果，攪拌槳采用上斜下直的三葉槳。

圖2 攪拌流型圖Figure 2 Mixing flow pattern

1.3 儲液攪拌缸初始參數

1. 儲液缸入口 2. 儲液缸缸蓋 3. 儲液缸缸體 4. 儲液缸出口 5. 槳

圖3 儲液攪拌缸模型

Figure 3 Storage tank model

2 利用FLUENT進行模擬仿真

2.1 建立三維模型

2.2 攪拌工況下儲液攪拌缸中流體的流動狀態

在攪拌的過程中，儲液攪拌缸中液體的流動狀態目前主要用攪拌雷諾數Rem來進行判斷。攪拌雷諾數定義為[13]：

圖4 儲液攪拌缸三維圖Figure 4 Three dimensional liquid storage tank

圖5 儲液攪拌缸網格圖Figure 5 Grid drawing of liquid storage tank

(1)

式中：

d——攪拌槽直徑，m；

n——攪拌轉速，r/s；

p——液體密度，kg/m3；

u——液體粘度，Pa·s。

現取參數d=0.7 m，n=200 r/s，p=1 000 kg/m3，u=0.046 5 Pa·s[14]。

將以上參數代入式(1)，得出Rem=2.162×106，大于104，果粒飲料在儲液攪拌缸中的流動狀態為湍流。

2.3 網格劃分

攪拌缸工作時，是通過葉輪旋轉帶動液體進行混合攪拌，因此該模型主要分為兩部分：① 內部主動旋轉的動區域；② 外部的靜區域。將該模型導入Ansys workbench先進行模型的布爾運算，主要完成兩個工作：① 將動區域與靜區域分離開；② 將內部動區域中的槳分離出來，只留下槳面。對處理好的模型進行網格劃分，由于攪拌槳葉輪形狀不規則，整個儲液攪拌缸采用非結構性網格，葉輪處的網格進行加密，整個儲液攪拌缸的網格單元數為362 512個。將兩個葉輪的圓柱形包裹區域設為動區域，儲液攪拌缸其他部分設為靜區域。旋轉葉輪與靜止儲液攪拌缸之間的耦合采用MRF模型[15]。儲液攪拌缸的網格模型見圖5。

2.4 求解設置

將網格模型導入Ansys workbench的FLUENT模塊中，采用隱式耦合求解算法，勾選引力選項，選擇Mixture混合相模型、湍流模型。設定邊界條件：入口設為velocity inlet，速度為0.221 m/s；出口設為outflow；攪拌槳面設為movingwall，相對于動區域旋轉速度設為0 rad/s；靜區域壁面設為固定壁面。

采用MRF方法進行求解，動區域Fluid旋轉速度為20 rad/s。第一相選擇液態水，粘度設為0.046 5 Pa·s，第二相設為固態鈣顆粒，密度設為1 026 kg/s，粘度設為0.1 Pa·s[16]，顆粒直徑設為0.003 m。

2.5 模擬仿真分析

采用以上的模型及初始工作參數，進行FLUENT數值模擬仿真，預計達到的效果是：

(1) 儲液攪拌缸內物料在攪拌槳的作用下進行混合，每一處物料都得有攪拌速度，這樣才能使得物料混合均勻。

(2) 果粒含量為5%，范圍保持在4.5%～5.5%。

將以上模型進行數值模擬仿真，在其收斂后，得到其速度分布圖、第二相濃度分布云圖見圖6。

圖6是采用初始參數進行攪拌得出的豎直面及水平面的速度云圖，分別對豎直面云圖中x=115(槳段)和水平面云圖中y=350進行速度采集，繪制出速度變化圖見圖7。

由圖6可知，攪拌過程中速度充滿了整個平面，這樣可以帶動果粒在整個儲液攪拌缸范圍內進行運動，但是，在下層槳的正下方出現了一小片死區，這部分的果粒無法得到充分攪拌。由于上下層槳形成的渦流進行了疊加，上下層槳中間渦流也得到了加強。這基本達到了設計要求，但是如圖7所示，在槳段的位置，速度達到頂峰，上下層速度趨于對稱，儲液攪拌缸最下面、雙層槳中間靠近軸區以及儲液攪拌缸最上端速度達到最低。

該儲液攪拌缸主要是為了將果粒與果汁進行均勻混合，使得果粒含量保持在4.5%～5.5%，提高灌裝精度。如圖8所示，豎直面和水平面的果粒分布是比較均勻，由于重力的影響，下層果粒含量還是比上層高，特別是下層攪拌槳正下方，由于攪拌過程中，在下層攪拌槳的正下方出現了死區，該區域的果粒含量比較高。在x=115處進行果粒含量采集，并與5%的標準進行對比，繪制成折線圖見圖9。

圖6 攪拌穩定后豎直面徑向速度以及水平面周向速度云圖Figure 6 The radial velocity of the horizontal plane and the circumferential velocity of the vertical face after mixing and stability

由圖9可知，隨著液面高度的增加，果粒含量逐漸降低，且都在5%附近，但是，在液位最低點，果粒含量為7.34%，還是過高；當高度大于350 mm時(上下層攪拌槳中間)果粒含量為4.67%，接近需求值的。果粒濃度分布的幅值為2.67%。

由以上的速度圖及果粒濃度分布圖可知，該攪拌效果基本達到了設計要求，但還是存在缺陷：

(1) 用攪拌槳對果粒飲料進行攪拌穩定后，下層攪拌槳的正下方存在死區，對攪拌效果會產生很大的影響。

(2) 攪拌后，果粒含量超出基本要求范圍，將會導致后續灌裝果粒含量不均勻。

所以，前文所述儲液攪拌缸參數還存在不足之處，需進一步優化。

3 儲液攪拌缸的參數優化

攪拌槳的轉速[17]、攪拌槳的安裝位置(下層槳距離缸底的位置)以及攪拌槳的直徑對攪拌過程都有很大的影響[4]。采用正交試驗法與FLUENT數值模擬相結合的方法[18]對各參數進行優化，判定各個參數對攪拌過程的影響程度并選取最優解。

3.1 正交試驗法的步驟

3.1.1 確定試驗指標 攪拌穩定后，儲液攪拌缸果粒含量保持在4.5%～5.5%，濃度幅值越小越好。

圖7 速度采集曲線圖Figure 7 Velocity acquisition map

圖8 攪拌穩定后豎直面以及水平面果粒分布云圖Figure 8 The level of fruit grain distribution of the vertical face andthe vertical face

圖9 x=115處果粒含量折線圖Figure 9 x=115, Fruit grain content line char

3.1.2 確定影響因子及水平 影響儲液攪拌缸的攪拌效果的因素主要有攪拌槳轉速、安裝位置和直徑。根據相關參考文獻[6]146-148以及實際加工經驗，儲液攪拌缸的參數優化設計中影響因子及水平選取見表2。

3.2 試驗結果與分析

按照正交試驗法的方案，應用FLUENT軟件進行模擬仿真，得出果粒含量幅值，見表3。

采用極差分析法對試驗結果進行分析(見表3)，極差越大，該列因素的水平改變對試驗結果的影響就越大，因此主次順序為B>C>A，根據K值，最佳參數組合為A1B2C2，即安裝高度100 mm，槳直徑350 mm，速度300 r/min，恰如表2中果粒幅值最低。并且該組參數的試驗結果中，果粒含量為4.71%～5.38%，試驗結果完全滿足要求。

表2 試驗因素水平表Table 2 Factors and levels of the experiments

表3 試驗方案及試驗結果表Table 3 Experimental scheme and experimental result

4 結論

本試驗先根據設計手冊及其他學者的研究成果設計出儲液攪拌缸的初始模型，并給定其各項參數。再利用FLUENT軟件對該模型進行仿真試驗，發現其缺陷，并對結果進行研究發現攪拌槳安裝高度、攪拌槳葉片直徑、攪拌槳的旋轉速度都是影響果粒濃度的重要因素。最后采用正交試驗法與FLUENT數值模擬相結合的方式，得到了果粒濃度分布云圖，判定了影響攪拌過程的3個因素的主次順序，并選出最佳組合A1B2C2。

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Tank design and parameter optimization of the fruit grain liquid storage殷水忠YIN Shui-zhong

HUANGXiao-hua

YANGDi-zhou

DINGZhi-hui

ZHUCan

(SchoolofMechanicalEngineering,NanjingUnivisityofScienceandTechnology,Nanjing,Jiangsu210094,China)

A fruit grain beverage liquid mixing tank was designed in this study, including the structure of the cylinder block and the mixing paddle, and related parameters were provided. The numerical simulation was carried out by orthogonal test and FLUENT,to determine the influence degree of the factors, such as the installation height of the agitator, the diameter of the impeller and the rotation speed of the propeller, and the parameters of the stirred tank, were optimized to obtain the optimal parameter solution. Results: The main order of the factors that influenced the stability of the agitator concentration was as follows: the diameter of the paddle, the stirring speed, the height of the lower paddle. The results in the present study could provide contribution to the follow-up design of fruit juice beverage filling machine.

fruit grain beverage; liquid storage stirring cylinder; structure design; numerical simulation; parameter optimization

殷水忠，男，南京理工大學在讀碩士研究生。

黃曉華(1969—)，男，南京理工大學副教授，博士，碩士研究生導師。E-mail：34420969@qq.com

2016—05—06

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.11.013