油辣椒制品固液两相流灌装过程的数值模拟

  罗金刚，何玲，王仁伟

 贵州大学现代制造技术教育部重点实验室(贵阳550002)

摘要为研究油辣椒制品的灌装技术，以油辣椒制品固液两相流的灌装过程为研究内容，分析固液两相流油辣椒制品在灌装过程中的数值模拟，采用动网格技术中网格的局部重构方法结合UDF定义运动边界驱动机制实现网格区域运动，确保模型符合实际运动规律。探究灌装过程计量缸活塞在不同的灌装速度下，灌装过程流体的流线、密度场、湍流强度场分布规律，模拟结果表明：在一定范围内，随着灌装速度的增加，在活塞的底面和出口处，高密度区域减少，随着灌装速度的进一步增加高密度区域增加。研究结果为油辣椒制品的灌装过程的工艺参数提供有利的理论依据。

关键词  油辣椒制品；固液两相流；动网格；数值模拟：灌装速度

    灌装机械作为食品包装机械中的主要组成部分，其种类繁多，结构多样。油辣椒制品属固液混合体，主要成分包括菜籽油、辣椒等，成品由菜籽油和辣椒等物料经高温熬制而成。加工过程中辣椒与菜籽油互相渗透，成品中油的体积明显减少形成“辣椒油”，辣椒吸收油份体积增大形成“油辣椒”，此时的油辣椒密度大于辣椒油，成品中油上浮颗粒下沉，从而造成油辣椒在灌装过程中易出现堵塞的现象，使得产业不能实现自动化灌装。对于高黏稠的油辣椒制品的灌装问题，主要出现在物料排出过程中，为了了解灌装排出过程中灌装装置内部流场的运动状态。现有使用流体力学软件Fluent数值模拟主要以单相流体研究，对于两相流的灌装过程模拟比较少。试验主要通过数值模拟的方法研究油辣椒制品在灌装排出过程中灌装速度对流场的分布影响，分析在不同灌装速度下的两相流油辣椒的在灌装装置中的流线分布和密度分布以及湍流动能的分布。为油辣椒制品的自动化灌装技术工艺提供理论指导。

1. 灌装装置的工作原理

该灌装装置主要由计量缸（直径50 mm，内有活和活塞推杆）、三通阀、搅拌槽、驱动气缸和出料塞管（直径30 mm）组成。其利用推杆带动活塞在定量缸内进行上下往复运动，来完成灌装过程。吸料时活塞往下运动时，此时三通阀的固定管口与搅拌槽的人料管口相连。物料由搅拌槽通过三通阀进入计量缸内排料时，三通阀阀芯转过90。，此时三通阀的固定管

口与出料管相连，活塞往上运动，完成排料过程。三通阀的转动由驱动气缸和曲柄连杆来进行控制；物料的灌装速度和定量容积由推杆的运动速度和位移量控制。灌装装置的几何模型如图1所示。

2数值分析模型

2.1求解方程

 1)动网格的计算模型在任意一个控制体中，通量的积分守恒方程为：

2.2网格划分

  根据计算所需物料的流动状态建立流道几何模型，试验对流场区域的网格采用四面体网格行划分．对流体的局部网格进行了细化加密处理，使得计算精度和网格质量得到提高并且加快收敛速度。计算域网格划分情况如图2所示。

两相流数值模型参数中，第一相为液相的菜籽油其密度930 kg/m3，动力黏度为0.118 Pa．s。第二相为固相的辣椒其颗粒密度1 280 kg/m3，辣椒片颗粒平均颗粒直径为4 mm，体积分数为70%。

2.3边界条件设定以及求解器设置

为了计算灌装过程中内部流场，在Fluent软件的基础上，利用动网格( Dynamic Mesh)技术。配合UDF( User-defined Function)，两相流模型流动状态为不可压缩流体湍流。在动网格区域设置活塞面为刚体运动动壁面，计量缸的壁面为变形面，活塞运动规律遵循UDF设置，其运动速度V=0.08 m/s．V=0.10 m／s，V=0.12 m/s，0.14 m/s四种。出口边界设置为自由出口，其他壁面采用静止边界条件。选用标准K～s湍流模型，并启用标准逼近函数，考虑重力影响设置重力的常数。对灌装过程流体运动的流场进行了仿真研究。

3数值计算及结果分析

油辣椒制品灌装过程的因素很多，试验仅考虑灌装速度因素对油辣椒制品对流体运动情况的影响。油辣椒制品混合物中的固相密度大于液相，灌装速度过大或过小都会导致固相的辣椒沉积在灌装装置内，导致灌装过程的堵塞。试验分别对0.15s和0.4s时的灌装选取了不同灌装速度(0.08，0.10 m/s和0.12, 0.14m/s)，并对灌装过程油辣椒制品固相流场的流线分布、固液两相流的密度场和湍流强度场进行模拟分析。

3.1灌装过程流线的分析

在流场中每一点上都与速度矢量相切的曲线称为流线。流线在几何上形象地表示了流体的运动形态，通过对灌装装置内流线的分析可以更加了解其流体的运动形态，从而了解其运动规律，对灌装装置的结构设计和灌装工艺提供了帮助。选取轴向截面Z=0 mm处，对不同灌装速度的流线分析。图3所示分别给出了t=0.15 s和t=0.40 s时V=0.08 m/s ,V=0.10 m/s,  V=0.12m/s，0.14 m/s四种不同灌装速度的固相流线图。图(a)  V=0.08 m/s,流线稀疏，说明运动初始阶段速度较小。图(b)流线变的稍微密集，在计量缸的壁面部分，流线分布较少。图(c)可以看到计量缸内油辣椒有回流现象依然存在，而且和前面两种相比流线特别密集。图(d)可以看到灌装装置出口的流线速度较大其流线分布特别密集。

3.2灌装过程密度场的分析

通过模拟分析，得到灌装过程流场的密度场的分布情况，探究活塞移动速度的变化对密度的影响。为了直观的描述密度场的分布，试验分别给出了轴向截面Z=0 mm处的整个灌装装置内密度分布云图如图4所示。在(a)图中，近活塞面区域、出口处的壁面出现了高密度区，由于活塞运动速度小，活塞上面的油辣椒沉积，由于各相物料属性不同，各相之间存在

相对滑移，造成物料的流动性差，因此出现沉积。(b)图中，随着灌装速度的增加，活塞上面的油辣椒沉积相对减少，高密度区域也减少，在计量缸的顶端低密度区域现象明显减少。(c)图中，整个灌装装置内的密度基本均匀，高密度区域和低密度区域得到明显的改善效果比前两种好。

通过对多相流的流线和密度流场的计算分析，为了深入研究油辣椒制品在罐装过程中计量缸内的流动状况。流体流动过程中，湍流强度作为十分重要的部分，对其湍流强度场的探究也必不可少。湍流对于流体的影响非常大，湍流强度大，就会导致能量的消耗比较多，灌装的效率得不到提高，为了使得油辣椒制品在灌装装置中均匀混合，由于湍流使得流体各速度方向不一致所以适量的湍流是有利的，避免了油辣椒制品固相的沉淀。

试验分别选取轴向截面Z=0 mm处的整个灌装装置内湍流强度图如图5所示。从(a)中可以发现湍流强度比较明显的区域发生在计量缸的中心区域，出现湍流的原因是由于计量缸上方截面变化大导引发了湍流产生。(b)图中，随着速度的增加，相对而言湍流强度减弱，在计量缸在的中心湍流的强度减弱。(c)图中，在计量缸中心湍流强度弱，整个区域湍流都相对稳定。(d)图中，湍流强度减弱，在活塞的底部区域和灌装装置的出口区域湍流强度小，导致该部分出现了固相油辣椒沉积流动性差。

4结论

试验采用Fluent软件模拟灌装装置内油辣椒制品固液两相流的运动过程，通过分析不同灌装速度条件下，流体分布和密度场以及湍流强度场得到结论如下：

1)由灌装装置内的密度分布图可知，在不同的灌装速度下，在一定范围内随着速度的增加，在灌装出口和活塞的底部，油辣椒制品的沉积减少，低密度区域减小但是随着速度的进一步增加在灌装出口和活塞的底部又出现了高密度区域。

2)通过对灌装装置的流场模拟分析可知在灌装速度V=0.12 m/s时整灌装装置内油辣椒制品分布相对均匀，低密度区域减少，固液分离减弱，是较好的灌装速度，对于解决堵塞问题有明显的改进。

3)在Fluent中仿真计算了出灌装装置在不同灌装速度下的流线和密度场分布，得出了物料在不同的速度变化趋势；根据不同速度的湍流强度分布图，得出了湍流强度和物料的流速关系，为灌装工艺优化提供了理论基础。