基于Fluent 的面團流經機筒區域分析

王莎莎 金向陽 施 法 楊玉昆 白鵬程 董子昂

（哈爾濱商業大學 輕工學院，黑龍江 哈爾濱150000）

1 概述

一個典型食品加工系統由混合料倉、稱重給料裝置、預處理機、機筒裝置、成型模具、切割裝置組成。根據蕎面面魚設備的工作原理可將設備分為四大階段，第一階段是調質裝置（機筒和槳葉）進行攪拌和面工作并將和好的蕎面送入螺桿擠出裝置；第二階段是由電機驅動的首次螺桿擠出裝置，蕎面小團從其與調質裝置接觸口流入首次螺桿擠出裝置；第三階段是二次機筒擠出裝置，由于這一階段面團的形狀特性基本穩定，本論文將主要針對這一階段進行研究分析；第四階段是模具成型階段，在推力作用下蕎面小團從其出口端擠出進行切割后流入模具成型階段，形成蕎面面魚。

面團擠壓時是利用機筒裝置來推動面團進行工作，因為機筒裝置中的螺桿將其全部能量完全作用于面團，所以能夠產生非常高效的推動作用。螺旋進行旋轉工作時對面團的作用主要有以下幾個方面：（1）螺桿旋轉時促使面團介質之間相互撞擊并起到能量傳遞的作用。（2）螺桿旋轉時促使面團在螺桿與機筒共同作用下受到撞擊力、擠壓力、剪切力進行揉搓工作。

2 有限元分析建模

對于機筒裝置裝置的性能參數的測定和其在機筒裝置運行過程中面團的流動細節的了解是十分重要的，CFD 為螺桿擠壓裝置的仿真提供了理論基礎，利用有限元軟件的FlUENT 流體仿真模塊能夠相對準確的仿真出面團在機筒中的運動變化情況。仿真過程的基礎結構如圖1 所示。

圖1 仿真過程結構圖

2.1 機筒裝置的三維模型

機筒裝置由筒體、螺桿、機架、傳動部分等部件組成。但是仿真的部件主要是筒體和螺旋擠壓桿，所以只對這兩部分進行三維建模，利用三維模型軟件Solidworks 通過拉伸、螺桿、組合求差對面所流經區域的三維模型進行建模。建模需要的尺寸如下：

螺旋攪拌桿：螺距15mm，軸的直徑12mm，螺旋攪拌葉片直徑32mm，葉片厚6mm，螺旋葉片高200mm。

筒體：直徑35mm 高：205mm。

通過具體尺寸建立完成的三維模型如圖2（a）所示，通過求差得到面所流經區域的三維模型建模如圖2（b）所示。

圖2 三維模型

從流體域的輪廓線圖可以明顯看到面所流經區域的螺旋紋路，同時可以看到螺旋葉片是一直延伸到機筒底部。

2.2 面團流經區域模型的ICEM CFD 網格劃分

研究面流經區域的流體特征是以CFD 作為理論基礎，ICEM CFD 仿真過程中最重要的一個環節就是網格劃分，網格劃分的精度將直接影響后續仿真結果的準確性。CFD 對導入的三維模型只有線單元和面單元概念存在，三維實體創建完成后，將其另保存為step 格式的文件，CFD 通過File-Import model導入流體域的三維模型，線、面單元將流體域的輪廓線表示如圖3（a）所示。導入到ICEM CFD 的中的三維模型透視圖如圖3（b）所示，可以清楚的看到螺旋軸的外表面與筒體之間的流體域。

圖3 ICEM CFD 中流體域

從圖3 中也可清楚的看到面所流經區域模型導入ICEM CFD 中的立體模型是由一個螺旋攪拌葉片內表面、圓柱機筒外表面以及上、下兩個圓面所組成。

由于結構化網格在計算不規則模型存在很大的局限性和困難性，所以使用非結構網格對流體域進行劃分網格，在網格劃分之前需要重新生成拓撲結構以方便檢查流體域是否存在多余的線，通過修補拓撲結構使得整個模型各處具有完整性，劃分網格是設置Max element 為100，劃分好的網格結構如圖4所示，在網格劃分好之后需要保存mesh 文件。

圖4 CFD 網格劃分

2.3 面團流經區域模型的FLUENT 仿真

2.3.1 FLUENT 仿真模型

ICEMCFD 劃分并保存好的.msh 文件導入FLUENT 中的網格模型如圖5 所示。在圖中能夠明顯得看到兩種顏色區域，其中白色區域是在ICEM CFD 中定義的WALL 面，藍色區域是定義的INLET 和OUTLET 面。

圖5 FLUENT 中的網格模型

2.3.2 FLUENT 參數設定

（1）定義材料

FLUENT 仿真需要對材料進行設置，面團機筒裝置中主要的材料是面團，通過查閱資料得知面團密度ρ=520kg/m3，面團屬于粘流態非牛頓流體。

（2）邊界條件設定

面團從輸入端流入輸出端擠出，設定入口為速度入口（Velocity inlet），入口流速設定為0.02m/s，出口設定為壓力出口（Pressure outlet）。

（3）求解算法

在Solution Methods 設置中，使用Pressure-based 求解器時，在求解時涉及到算法的問題，這里的算法一般有以下幾種：SIMPLE、SIMPLEC、PISO 和Coupled。在高速可壓流動時，耦合式求解器比分離式求解器更有優勢。采用Coupled 算法，求解計算五十步殘差收斂如圖6 所示。Coupled 算法同時求解連續方程、動量方程和能量方程。計算過程也需要經過迭代。

圖6 殘差曲線

2.3.3 結果分析

（1）壓力云圖見圖7，出口階段受到的壓力大于入口壓力，可以清楚看到圓型底面有一部分所受壓力較大，整體壓力呈現下降趨勢。

圖7 壓力云圖

（2）性能云圖見圖8，整體面流經區域性能較好，同樣在圓型底面出現性能不太穩定情況。

圖8 性能云圖

（3）速度云圖見圖9，外層流速基本處于穩定狀態，隨后流速沿著近似圓環狀在逐漸減小。

圖9 速度云圖

綜合以上分析，螺桿擠壓裝置中的面食在受到進口速度與出口壓力的作用下發生擠出運動。

3 結論

本文通過ICEM CFD、FLUENT 軟件對機筒裝置中面所流經區域進行仿真分析，同時可根據需要設定不同參數及模型進行求解分析，繪制面流經區域的速度云圖、壓力云圖等，模擬了面食在機筒中的情況，對螺桿擠壓裝置的設計優化具有一定的意義。