基于Fluent的螺旋榨油機壓榨段流場仿真

米國強 黃志剛 胡淑珍 安 琪 李 賀

(1. 北京工商大學人工智能學院，北京 100048；2. 塑料衛生與安全質量評價技術北京市重點實驗室，北京 100048；3. 中國農業機械化科學研究院，北京 100048)

壓榨法是一種借助機械外力作用，將油脂從油料中擠壓出來的取油方法[1]，螺旋榨油機可以連續化生產，更適合于工業化。張學閣[2]結合現有的先進方法，建立了填充系數為1 時榨膛內的油料實體模型；通過模型簡化，建立了榨膛內油料壓力模型，并指出溫度、孔隙度、壓縮比等因素對壓力的影響。Harper等[3]認為單螺桿壓榨機主要依靠油料與油料之間、油料與榨螺外表面及油料與榨籠內表面之間的摩擦力輸送油料；雙螺桿壓榨機具有體積效應，可防止物料隨螺桿旋轉，具有更高的剪切能力和混合能力，油料的破碎效果更好，可用于較小油料的壓榨，并且可以手動控制物料循環和溫度，其設備生產能力受物料本身影響較小，參數更容易設置。余南輝等[4-5]建立了榨螺的三維模型，并運用有限元分析得到榨螺變形及應力分布。

目前有關榨油機的研究主要包括壓榨機理和榨螺受力分析，但均停留在單螺桿榨螺結構理想的小型榨油機階段，以往對螺旋壓榨機的仿真模擬研究多集中在榨螺結構及受力分析上[6]，對于雙螺桿榨螺結構復雜的榨油機內部流場的研究尚未見報道。文章擬借用Fluent軟件，通過對壓榨機理進行分析，探究雙螺桿榨油機壓榨過程中內部壓力場、濃度場和速度場的分布，并在此基礎上分析壓力和溫度對油料濃度的影響，旨在為榨油機的設計提供依據。

1 模型建立

1.1 螺桿模型和網格劃分

雙螺桿榨油機分為嚙合和非嚙合兩類，非嚙合雙螺桿榨油機因兩螺桿之間沒有嚙合，故在設計和制造上未受限制，兩螺桿受力后不會發生干涉和咬住并且可以得到更大的長徑比。實際總壓縮比是指油料經過壓榨之后，剩余餅粕的體積和未壓榨前進入機內的體積之比[7]，壓榨段包括四級壓榨結構，榨螺在Solidworks軟件中建立如圖1所示榨螺三維模型，軸套安裝在螺桿末端與出餅口相連[8]，在Fluent軟件中對流體域進行網格劃分。

Fluent是非結構解法器，支持多種網格結構。劃分模型網格后需對網格質量進行檢查，得到的流體域網格如圖2所示，其剖面圖如圖3所示。

1.2 基本假設

考慮到榨膛內的結構、油料性質，以及壓榨過程中流場的變化[9]，將榨膛內物料的模型簡化：

(1) 將流動的物料簡化為冪律流體。

(2) 膛內油料的流動視為層流。

(3) 慣性力、重力等遠小于黏滯力，忽略不計。

(4) 榨膛內充滿物料。

(5) 流體為連續不可壓縮流體。

1.3 仿真前處理

使用Fluent求解問題主要包括網格劃分、材料性質設定、設置求解器和物理模型等[7]，不考慮時間因素的影響，采用穩態方式迭代求解，輸入連續體的物性參數，得到流體模型。CFD可以分為有限差分法、邊界元法、有限體積法[10]。

圖1 螺桿模型Figure 1 Screw model

圖2 流體域網格劃分Figure 2 Grid partition of fluid field

圖3 流體域網格剖面圖Figure 3 Grid partition profile of fluid field

Fluent提供了多種物理模型，其中k—e模型是應用最廣泛的湍流模型，具有較好的穩定性和計算精度。由于Simplec穩定性較好，特別適用于層流的計算，故采用Simplec算法，同時用二階迎風方程進行離散，設置收斂精度，再初始化流場。

2 模擬結果分析

2.1 壓力場

壓榨過程中膛內壓力會對出油率產生影響，其值既不能太高，也不能太低[11]。試驗流體域的壓力分布云圖如圖4所示。由于設定左側為油料進口端，右側為油餅出口端，沿y軸方向(螺桿長度方向)兩螺桿的嚙合不斷形成和釋放密封腔，隨著油料從左往右運動，流場壓力逐漸遞增，達到壓榨效果，這是因為榨膛內壁與螺桿表面間距離較近，油料主要受螺桿轉動的影響，帶動其連續地運動至出口，與此同時，忽略花生油從四周流出，只考慮其從模型出口位置流出。

對于應力集中的部位，可以通過優化設計結構、選擇不同材料、改進加工方法或采用不同熱處理方法等方式來有效解決[12]。取各級壓榨段橫截面，得到壓力分布如圖5所示，多級螺旋螺桿和一級螺旋螺桿最大區別在于空余體積逐漸縮小，壓榨壓力逐漸增大，起建壓作用，利于榨油。棱背面由于對油料作用力較小，形成了背壓區域，此處壓力值在截面上最小，即使是在同一截面上，油料所受壓力大小也不同。若要得到更大的壓榨壓力，可以增加錐圈結構或減小榨膛容積。

圖4 流體域壓力分布云圖Figure 4 Pressure distribution of fluid field

圖5 各級壓榨結構壓力云圖Figure 5 Pressure cloud field of pressing structures

2.2 濃度場

用體積分數表示油的濃度，流體域縱截面上的油料濃度分布如圖6所示，隨著螺桿轉動推動油料運動，流場中油料濃度發生變化，進口端濃度為0，是因為油料一開始進入到輸送段，主要受螺桿轉動的影響，向前運動，未起到壓榨效果，油料濃度相對較小，隨后進入一級壓榨階段，油料受到螺桿與榨膛擠壓作用，油脂逐漸從植物細胞壁中被擠出，此時油料濃度逐漸增大，壓榨效果也越明顯，榨油充分。

取如圖7所示的橫截面進行分析，隨著壓榨的進行，油料濃度逐漸變化，壓力越大處油料濃度越大，并且由于離心力的作用，部分油脂會偏離螺桿。

2.3 壓力與溫度對油料濃度的影響

2.3.1 壓力對油料濃度的影響 截取一級壓榨段的橫截面如圖8所示。由圖8可知，當壓力為10 MPa時，油料濃度為0.004 61；當壓力為8 MPa時，油料濃度為0.004 49；當壓力為6 MPa時，油料濃度為0.004 43，一定范圍內，壓力越大，油料濃度越大。

2.3.2 溫度對油料濃度的影響 榨膛溫度是影響榨油機出油率和出油質量的主要因素[13-15]。由圖9可知，當溫度為60 ℃時，油料濃度為0.004 43；當溫度為70 ℃時，油料濃度為0.004 48；當溫度為80 ℃時，油料濃度為0.004 51，一定范圍內，溫度越高，油料濃度越大。但溫度過高會使油料變質，實際壓榨過程中需根據被壓榨的油料盡量選擇適宜的壓榨溫度，溫度過高可以對榨膛進行降溫，溫度過低可以進行加熱。

圖6 流體域濃度分布Figure 6 Concentration distribution of fluid field

圖7 橫截面濃度分布Figure 7 Concentration distribution of cross section

2.4 速度場

2.4.1 整體速度分布 由圖10可知，在螺桿的帶動下，油料大體沿著圓周運動，剛進入壓榨膛內時，速度增加迅速，并且受螺桿轉動的影響會產生波動，壓榨段速度增加緩慢，同一截面處，油料速度存在較大差異，處于中間的油料速度略大。當油料靠近螺紋時，開始對油料進行壓榨，速度急速上升，當油料遠離螺紋時，空間會增加，速度下降。壓榨過程中有油料回流，使得榨油機內部速度的變化更復雜。

2.4.2 壓力對速度的影響 由圖11可知，在一定范圍內，壓力越大，油料速度越大。

圖8 各壓力下的濃度分布Figure 8 Volume distribution under various pressures

圖9 各溫度下的油料濃度分布Figure 9 Volume distribution under various temperature (6 MPa)

圖10 速度分布Figure 10 Volecity distribution

圖11 各壓力下的速度分布Figure 11 Volecity distribution under various pressures

3 結論

通過對雙螺桿榨油機的基本結構和工作原理進行分析，建立了榨油機榨螺和流體域三維模型，運用Fluent軟件對榨油機壓榨段流體域的物理場進行仿真研究。結果表明，流場壓力沿著螺桿逐漸遞增，輸送段壓力增長快，壓榨段增長較慢，出口處壓力達到最大；同一截面處，油料速度存在分層現象，設定溫度一定時，隨著壓力的增大，油料速度增大；流體濃度沿著螺桿長度方向遞增但存在波動。設定壓力不變，溫度越高，油料濃度越高。設定溫度不變，壓力越大，油料濃度越高。后續應根據壓榨理論對現有的模型進行改進，使其更接近于實際狀態。