破壁機(jī)攪打區(qū)域流體仿真分析

葉國林 朱俊杰

（1.廣東萬家樂燃?xì)饩哂邢薰?佛山 528300； 2.河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河源 517000）

引言

破壁機(jī)是這幾年來比較熱門的養(yǎng)生小家電，它能夠打破食物細(xì)胞壁，實(shí)現(xiàn)細(xì)膩口感以及食物營養(yǎng)的充分釋放，可以制作各種新鮮美味的飲品、果汁、煲粥燉湯等。許多企業(yè)通過調(diào)整破壁機(jī)的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)來改善粉碎效果，但對破壁機(jī)流場中相關(guān)的流動特性及攪打研磨的技術(shù)研究不透徹，導(dǎo)致耗費(fèi)大量的人力和物力。而流體仿真分析使研究者通過圖像來查看流場的流動情況，具有成本低、速度快等優(yōu)點(diǎn)。

本文利用流體動力學(xué)軟件FLUENT對我司某款破壁機(jī)進(jìn)行分析并得出攪打區(qū)域的流動特性，讓我們對破壁機(jī)攪打區(qū)域流體運(yùn)動速度、湍動能、刀片表面的壓力及剪切力的分布規(guī)律有了進(jìn)一步的理解，影響家用破壁機(jī)的攪打研磨的關(guān)鍵因素比較容易分析出來，為破壁機(jī)攪打區(qū)域結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定的理論依據(jù)[1]。

1 流體域處理與網(wǎng)格劃分

1.1 破壁機(jī)流體域的處理

選用我司某款破壁機(jī)的杯體組件，畫出杯體區(qū)域及刀片的UG NX8三維模型并保持刀軸軸線與Z軸重合，如圖1所示，杯體底直徑D1為105.6 mm，杯體頂直徑D5為145.2 mm，動域直徑D2為85 mm，動域高度H1為30 mm，刀片軸直徑D3為12 mm。由于破壁機(jī)的容量范圍一般為1500 mL左右，近似計算攪打區(qū)域高度H2為120 mm，刀片的最大直徑D4為72 mm，刀片與杯體底距離為 21 mm，破壁機(jī)攪打區(qū)域充滿液體水，電機(jī)轉(zhuǎn)速N=20 000轉(zhuǎn)/分鐘，利用布爾運(yùn)算將三維模型簡化為杯體靜止區(qū)域和刀片轉(zhuǎn)動區(qū)域[2]。

圖1 破壁機(jī)的幾何模型

1.2 網(wǎng)格劃分

采用FLUENT前處理軟件ICEM中的四面體和六面體組成的混合網(wǎng)格方式對靜止區(qū)域、轉(zhuǎn)動區(qū)域分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并組合成破壁機(jī)杯體區(qū)域網(wǎng)格如圖2所示，其中轉(zhuǎn)動區(qū)域采用較細(xì)密的網(wǎng)格尺寸為1 mm，靜止區(qū)域的網(wǎng)格可以稀疏一些，其尺寸為5 mm，保證計算精度的情況下且使計算時間最短[3]。

2 流體模型選取與邊界條件

選用多參考系模型方法，定義含有刀片的轉(zhuǎn)動區(qū)域在旋轉(zhuǎn)參考系下計算，按照右手定則將其轉(zhuǎn)速設(shè)置為20 000 r/min，靜止區(qū)域默認(rèn)靜止參考系。將轉(zhuǎn)動區(qū)域的上表面、側(cè)面及下表面與靜止區(qū)域相配合的接觸面分別設(shè)置為3對Mesh Interface，使得轉(zhuǎn)動區(qū)域與靜止區(qū)域之間的數(shù)據(jù)能在接觸面上相互調(diào)用。模擬計算時將破壁機(jī)靜止區(qū)域和轉(zhuǎn)動區(qū)域選擇水作為材料參數(shù)設(shè)置，選用FLUENT標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，重力方向指向Z軸負(fù)向，如圖2所示。壓力-速度耦合選擇SIMPLEC算法，進(jìn)而對模型進(jìn)行3 000步迭代求解[4]。

圖2 破壁機(jī)靜域和動域的合成網(wǎng)格

3 仿真結(jié)果分析

3.1 杯體內(nèi)速度場分布

破壁機(jī)杯體流場剖面的速度矢量圖如圖3所示，從Z截面速度矢量圖可以看出刀片周圍主要形成徑向流，從刀片到杯體內(nèi)壁方向的速度在逐步遞減。從Y截面速度矢量圖可以看出受刀片角度的影響食物被甩出，到達(dá)杯體內(nèi)壁后大部分向上運(yùn)動，小部分向下運(yùn)動，都會沿著杯體的中軸線軸向流回，這種雙循環(huán)流動可以帶動食物從杯底及側(cè)壁面快速流動而不會有沉積現(xiàn)象。而且杯體中心箭頭分布比較稀疏，驗(yàn)證了實(shí)際生活中杯體在高速刀片攪打食物的情況下中心偏上部分會形成空心漩渦[4]。

圖3 杯體流場截面的速度矢量圖

3.2 刀片橫截面的流場分布

如圖4刀片橫截面的速度云圖，可以看出最大速度出現(xiàn)在刀刃刀齒邊緣，在杯體壁面以及刀片軸心處速度較小。圖5為刀片周圍湍動能分布，刀刃刀齒處產(chǎn)生的湍動能較強(qiáng)可以提高食物的混合與粉粹效果，而在遠(yuǎn)離刀片的大部分區(qū)域，湍動能逐漸減小[5]。圖6是刀片橫截面上壓力分布規(guī)律，可以看出刀片的刀刃刀齒處總壓力、靜壓力較大，而在刀片的刀背處壓力較小，由于整個刀片上所承受的壓力不相同，使得不少破壁機(jī)刀片在工作過程中磨損鈍化、甚至出現(xiàn)刀刃刀齒變形及龜裂現(xiàn)象[6]。

圖4 刀片橫截面的速度云圖

圖5 刀片橫截面湍動能分布

圖6 刀片橫截面壓力分布

4 杯體結(jié)構(gòu)優(yōu)化對比分析

目前，家用破壁機(jī)刀片有四葉、六葉及八葉等不同結(jié)構(gòu)形式，刀片形狀及數(shù)量的不同杯體內(nèi)流場也會發(fā)生變化，以四葉刀為基礎(chǔ)進(jìn)行仿真分析，并對刀片的偏角、擾流筋數(shù)量及刀片數(shù)量參數(shù)的不同進(jìn)行仿真分析，如圖7所示，選取刀片偏角分別為0 °、向上偏轉(zhuǎn)31 °；刀片直徑D為72 mm；擾流筋數(shù)量為零；刀片離杯底距離H為21 mm。如圖8所示，偏角為0度對應(yīng)的軸向速度是15.9 m/s；偏角為 31 °對應(yīng)的軸向速度是24.9 m/s，偏角為31 °時軸向速度有所增加，有利于杯體內(nèi)形成雙循環(huán)流動。如圖9所示，偏角0度的湍動能為195 m2/s2，偏角31 °的湍動能為407 m2/s2；偏角0 °的剪切力為15 400 Pa，偏角31 °的剪切力為29 900 Pa，可以看出偏角31 °的湍動能和剪切力都有所增強(qiáng)，杯體內(nèi)流場的湍動能越大，食物的混合能力越強(qiáng)[7]。

圖7 刀體參數(shù)優(yōu)化示意圖

圖8 刀片不同偏角的軸向速度云圖

圖9 刀片不同偏角的湍動能和剪切力云圖

如圖10所示，選取刀片偏角向上31 °；刀片直徑D為72 mm；刀片離底距離H為21 mm；擾流筋數(shù)量為零或?yàn)樗臈l擾流筋。如圖11所示，擾流筋為零的速度為89 m/s,擾流筋為四的速度為89 m/s；擾流筋為零的湍動能為407 m2/s2,擾流筋為四的湍動能為544 m2/s2；擾流筋為零的剪切力為29 900 Pa，擾流筋為四的剪切力為35 100 Pa。可以看出擾流筋為零的湍動能和剪切力比較低，由于旋轉(zhuǎn)刀片的離心力作用，使得食物被甩出后沿著杯體壁面一直做離心運(yùn)動，造成食物與粉碎刀片的碰撞機(jī)會減少。擾流筋為四的速度并沒有減少，然而湍動能和剪切力有所增強(qiáng)，因?yàn)閿_流筋的擾流作用，使得杯體內(nèi)部渦流數(shù)量增多、湍動能增強(qiáng)，同時被甩出的食物碰到擾流筋時減弱食物受高速旋轉(zhuǎn)刀片的離心力作用而一直在刀片上方做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，使食物能夠及時的沿著杯體的中軸線返回，增加了食物與粉碎刀片的切割粉粹次數(shù)，達(dá)到打破食物細(xì)胞壁的效果[8]。

圖10 杯體擾流筋幾何模型

圖11 杯體不同擾流筋的速度云圖、湍動能和剪切力

如圖12所示，選取刀片偏角向上31 °；刀片直徑D為72 mm；刀片離底距離H為21 mm；擾流筋數(shù)量為四；刀片數(shù)量為四或?yàn)榱~。如圖13所示，四葉刀的徑向速度為18.9 m/s，六葉刀的徑向速度為28.9 m/s；四葉刀的湍動能為544 m2/s2，六葉刀的湍動能為576 m2/s2；四葉刀的剪切力為35 100 Pa，六葉刀的剪切力為36 700 Pa，可以看出六葉刀的徑向速度、湍動能和剪切力有所增強(qiáng)，提高食物被粉碎刀片的切割粉粹效率，實(shí)現(xiàn)出渣率少、細(xì)膩口感以及食物營養(yǎng)的充分釋放[9]。

圖12 四葉刀、六葉刀幾何模型

圖13 四葉刀和六葉刀的徑向速度云圖、湍動能和剪切力

5 結(jié)論

本文使用FLUENT流體仿真軟件對我司某款破壁機(jī)流場進(jìn)行仿真分析，得出刀片周圍的流動主要是徑向流，在刀片上下形成雙循環(huán)流動區(qū)域。通過對刀片的偏角、擾流筋數(shù)量及刀片數(shù)量的結(jié)構(gòu)改進(jìn)分析比較，可知增加刀片的偏角、擾流筋數(shù)量及刀片數(shù)量后流場的徑向速度、湍動能和剪切力在增加，增加食物被粉碎刀片碰撞切割的機(jī)會，從而在一定程度上提高了食物的粉碎效率。使人們初步了解杯體內(nèi)流場分布規(guī)律，優(yōu)化杯體組件各參數(shù)指標(biāo)，為提高家用破壁機(jī)攪打粉碎效果提供了重要理論依據(jù)。