油辣椒固液混合多相流灌裝的數值模擬

羅金剛

（貴陽學院機械工程學院，貴州 貴陽 550005）

隨著信息技術的發展和流體研究的深入，對灌裝機械的研究，已可從過去的實體樣機研究，走向虛擬研究和分析，大大減少了研發周期和生產成本，油辣椒作為一直固液混合物，主要物質組成有菜籽油、辣椒，花生米、調味料等，油辣椒的制作工藝是將菜籽油和辣椒、花生等物料經高溫炒制而成[1]。油辣椒的固相和液相的各相流密度和流動性差異較大，在灌裝過程中容易出現由固相辣椒顆粒、花生和肉丁堆積而導致的堵塞現象，或者出現灌裝過程中固液混合不均勻、每瓶質量得不到統一保證等問題[2]。現有的研究主要集中在對多相流的攪拌研究，對于油辣椒灌裝問題，主要表現在灌裝過程中。為了深入研究灌裝過程中油辣椒固液混合多相流在灌裝機構中的流場分布，應用流體力學軟件Fluent，對油辣椒固液混合多相流在灌裝排出過程中菜籽油體積分數對流場的分布影響。

1 灌裝機構的結構參數

灌裝機構作為灌裝機的重要組成部分，主要由移動推桿、計量缸、三通閥、轉動閥芯、出口管道等部分組成。

灌裝機構的結構幾何模型見圖1。

圖1 灌裝機構的結構幾何模型

2 數值計算模型

2.1 數值計算方程

以歐拉-歐拉模型作為油辣椒固液混合多相流計算模型，液相為連續相，將其他兩個固相看成擬連續相，即將固相液相看成是共同存在相互滲透的連續介質。以下是流體計算的相關方程[3]：

連續性方程：

式中：ρm——混合物平均密度；

動量方程：

式中：n——相數；

μm——混合黏度；

K——多相中的其中一相；

αk——相K 的體積分數。

對于邊界移動的任意控制體積V 上的一般標量Φ 的積分守恒方程為：

式中：ρ——流體密度；

Γ——擴散系數；

SΦ——源項；

ΔV——控制體積V 的邊界。

2.2 網格劃分和參數設置

流體模型采用四面體網格進行劃分, 對流體幾何模型加以簡化，以便提高計算速度，對部分流體區域進行細化處理，使網格質量提高[4]。

流體風格劃分見圖2。

圖2 流體風格劃分

油辣椒固液混合多相流中各相參數為液相的菜籽油密度904 kg/m3，黏度0.075 6 Pa/s。固相辣椒顆粒密度為1 160 kg/m3，直徑為4 mm；花生顆粒密度為1 053 kg/m3，直徑為4 mm[5]。

2.3 邊界條件定義和求解模型的選擇

油辣椒固液混合多相流模型流動狀態為牛頓流體，在邊界設置中將推桿的頂面和流體的接觸面為定義為缸體運動面，計量缸內流體的接觸面定義為變形面，出口定義為壓力出口，采用用戶定義函數定義缸體運動面的速度為0.12 m/s，其他面定義為靜止邊界。

3 數值計算及結果分析

以油辣椒固液混合多相流為研究對象，主要討論菜籽油體積分數的比例對整個流場的灌裝特性影響。分析在不同比例的固液相體積分數條件下，流體灌裝過程的密度流場分布特點，為灌裝工藝和機構的設計提供參考和研究[6-7]。

t=0.2 s 菜籽油不同體積分數下流體縱向截面的密度云圖見圖3，t=0.3 s 菜籽油不同體積分數下流體縱向截面的密度云圖見圖4。

圖3 t=0.2 s 菜籽油不同體積分數下流體縱向截面的密度云圖

圖4 t=0.3 s 菜籽油不同體積分數下流體縱向截面的密度云圖

（1） 密度云圖分析。流體密度場的分布作為灌裝過程中研究的主要分析點，分析菜籽油不同體積分數的情況下的密度云圖。取縱向截面Z=0 mm 處進行研究。根據密度云圖可知，在灌裝過程中，推桿的頂面和灌裝出口管道上均存在高密度區域，說明存在固相的沉積，隨著灌裝時間的增加，高密度的區域面積擴大，分析發現在t=0.2 s 和t=0.3 s 時，菜籽油體積分數越大，其推桿頂面和管道上的高密度區域相對較少，說明菜籽油增加了混合流體的流動性，減少了固相的沉積。在t=0.3 s 時菜籽油體積分數越大，其推桿頂面的高密度堆積區域減少相對不明顯，但是在出口管道中低密度區域減少比較多，密度差別較大，說明隨著灌裝時間的延長，密度變化改變較大。

（2） 灌裝管道軸線方向密度場。為了深入研究出口管道內密度的變化，選取出口管道軸線方向的直線L1從點（-25，195，0） 到點（110，195，0）。如圖5 所示為0.3 s 時油辣椒固液混合多相流流的密度分布曲線圖。分析曲線圖可知，在出口管道的左端附近不同菜籽油體積分數，由于在灌裝過程中，隨著灌裝時間的延長，混合流體中出現固相和液相的分離現象，高密度的辣椒顆粒和花生顆粒下沉，菜籽油上浮所致左端的密度變小。在管道徑向的中間部分，不同菜籽油體積分數的油辣椒固液混合多相流的密度較為均勻。綜合比較該密度曲線的變化和密度云圖的變化基本相符。

圖5 直線L1 上的密度分布曲線圖

直線L1上的密度分布曲線圖見圖5。

4 結論

通過分析油辣椒固液混合多相流，在不同菜籽油體積分數的油辣椒固液混合多相流的條件下，其油辣椒固液混合多相流密度場的分布規律如下：

（1） 對灌裝過程中的流體密度場云圖分析可知，在推桿頂面和出口管道下方，隨著菜籽油的體積分數的增加，高密度區域減少，固相的堆積較少，菜籽油的體積分數改善了混合流體的流動性。

（2） 對出口管道內的直線上各點的密度數據分析可得，在管道的左端密度變化較大，中間密度適當均勻，其密度場的分布較為均勻，菜籽油體積分數對流場的密度場影響不大。