基于Fluent砂糖橘空氣破皮效果模擬

韋進文 阮士倡

（廣西大學 廣西南寧 530000）

砂糖橘作為柑橘類水果的一種，其果皮特性相較于其他品種柑橘類水果較脆，容易碎裂，現有的機械加工去皮方法不利于對其進行果皮剝離[1]。文章提出一種高壓空氣內爆的砂糖橘去皮方法，即往果實內部注入高壓空氣使果皮爆裂，通過Fluent 建模仿真，討論該方法對砂糖橘果皮的破壞情況，并與實驗結果相比較。

1 實驗設計

為方便后續建模，采用Box-Benhnken 中心組合實驗設計方法，得到的實驗設計的因素與水平表如表1所示。

對于氣嘴的壓力范圍，考慮到自行車胎內氣壓可以達到8 個大氣壓，但砂糖橘果皮易碎，在一定壓力下果皮會發生破裂，故氣嘴壓力范圍試選取5～8 個大氣壓。對于氣嘴出口數量，分別為2、3、4 個。對于果皮內部間隙，根據經驗選取為1.5～2 mm。

2 流場理論分析

Fluent 軟件在計算流體力學的研究中起著重要作用[2]，可用于流體力學與熱力學方面的分析?；谟邢摅w積法，用待求解微分方程對所有控制方程積分，得到離散方程組。

使用Fluent 軟件對空氣在果內流動的流場進行分析，則應當滿足質量守恒方程、動量守恒方程以及能量守恒方程[3,4]。

（1）質量守恒方程

（2）動量守恒方程

（3）能量守恒方程

3 破皮效果仿真模擬

由于Fluent 所建立的模型是流道模型，即模仿的是空氣在果實中所能流動的區域。根據表1中果皮內隙建立流體模型，進行一些優化，將原本以四面體為主的網格進行部分分割，以六面體網格的方式進行劃分，網格模型如圖1所示。

圖1 網格模型

將網格化的模型導入Fluent 中，選擇流體類型為空氣，將空氣設置為理想氣體，設置入口邊界條件為壓力入口邊界條件，出口邊界設置為壓力出口邊界條件，壓力值為標準大氣壓101 325 Pa，外層果皮設置為壁面邊界條件，采用SIMPLE 算法計算。

圖2 仿真效果

對建立的流道模型進行計算求解，得到其仿真結果如圖2所示。由仿真結果可以看出，其高壓分布區域位于氣體從氣嘴噴出接觸果皮的區域，則最高壓區域中的果皮最可能發生開裂破壞。氣孔數量的變化，可能會導致果皮破裂時所產生的破壞裂紋數量不同，因此需要對實物進行驗證。

4 模擬效果的實物實驗驗證

利用實物對上述仿真實驗結果進行驗證，實驗所用砂糖橘為市場所賣新鮮砂糖橘，實驗裝置包括空壓機、氣嘴等。由于果實內隙不便測量，故對控制表1中的因素a和因素b進行實驗。選擇砂糖橘的臍部和側面兩個不同部位進行充氣，并以圖像記錄果皮的開裂情況，以氣孔數量為2 的圓形截面氣嘴的實驗結果為例，如圖3所示。

圖3 臍部與側面破裂情況

由實驗所得結果圖像與仿真結果圖像對比，在臍部位置進行充氣時，所得到的果皮破裂情況圖像中一部分與仿真結果有所不同，除了沿氣體射流方向發生破裂外，還形成了其他方向的裂縫；而在果實側面充氣時，所得到的破裂情況與仿真結果預測情況基本一致，出現這一情況的原因可能是仿真模型理想化所導致。

5 結論

基于Fluent 軟件對砂糖橘高壓空氣破皮進行建模仿真，預測其果皮的破裂情況，并通過實物實驗對仿真預測結果進行驗證，在臍部充氣時某些結果相差較大，可能需要考慮其他因素；側面充氣時仿真與實物實驗結果較為吻合，可以得到相同的破裂情況。