果粒飲料儲(chǔ)液攪拌缸的設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化

黃曉華

楊弟洲

丁志輝

朱 燦

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程系，江蘇 南京 210094)

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果粒飲料儲(chǔ)液攪拌缸的設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化

黃曉華

楊弟洲

丁志輝

朱 燦

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程系，江蘇 南京 210094)

設(shè)計(jì)一種果粒飲料儲(chǔ)液攪拌缸，對(duì)儲(chǔ)液攪拌缸缸體、攪拌槳結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并給定其各項(xiàng)參數(shù)。采用正交試驗(yàn)法與FLUENT相結(jié)合進(jìn)行數(shù)值模擬，確定攪拌槳安裝高度、攪拌槳葉片直徑、攪拌槳的旋轉(zhuǎn)速度等因素對(duì)攪拌過(guò)程的影響程度，并對(duì)儲(chǔ)液攪拌缸進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，得到最佳參數(shù)解。結(jié)果表明：影響儲(chǔ)液攪拌缸攪拌穩(wěn)定后果粒濃度幅值的因素主次順序?yàn)椋簶睆?、攪拌速度、下層槳高度。研究成果可為后續(xù)的果粒飲料一體化灌裝機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考。

果粒飲料；儲(chǔ)液攪拌缸；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；數(shù)值模擬；參數(shù)優(yōu)化

儲(chǔ)液攪拌是一體化灌裝過(guò)程中的一個(gè)重要工序，這個(gè)過(guò)程的好壞直接影響到灌裝的精度及飲料的口感。目前對(duì)于機(jī)械儲(chǔ)液攪拌缸的設(shè)計(jì)主要依賴經(jīng)驗(yàn)與試驗(yàn)，難以預(yù)測(cè)實(shí)際性能，且設(shè)計(jì)成本很高。隨著計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)成為攪拌器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要手段。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者[1-2]利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)立式單層攪拌研究較多，對(duì)多層葉輪攪拌過(guò)程研究較少。本試驗(yàn)擬以市場(chǎng)上最常見(jiàn)的果粒橙為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)一種新型儲(chǔ)液攪拌缸，并運(yùn)用正交試驗(yàn)法與FLUENT模擬仿真相結(jié)合，對(duì)儲(chǔ)液攪拌缸進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，為后續(xù)的果粒飲料一體化灌裝機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 儲(chǔ)液攪拌缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 缸體的結(jié)構(gòu)

果粒飲料中含有果粒，將其靜置，果粒就會(huì)沉積在儲(chǔ)液攪拌缸底，造成后續(xù)灌裝成品含果粒不均勻甚至出現(xiàn)液口堵塞現(xiàn)象。使用攪拌槳進(jìn)行攪拌，能夠使果粒分散在飲料中，但若攪拌槳設(shè)計(jì)不當(dāng)，又會(huì)造成攪拌不均勻，影響灌裝精度。儲(chǔ)液攪拌缸由缸體、缸蓋、入口、出口、攪拌槳等組成，儲(chǔ)液攪拌缸容量標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

本研究中采用容量為350 L的儲(chǔ)液攪拌缸，儲(chǔ)液攪拌缸直徑D取700 mm，高度H取900 mm，進(jìn)出口直徑取40 mm。

近年來(lái)，學(xué)者對(duì)儲(chǔ)液攪拌缸的進(jìn)口、出口位置做了很多研究。Lunden等[3]對(duì)進(jìn)料位置對(duì)混合時(shí)間的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明：進(jìn)料位置對(duì)混合時(shí)間的影響不大；張慶華等[4]研究表明進(jìn)料位置對(duì)攪拌影響不大。

表1 儲(chǔ)液攪拌缸參數(shù)表Table 1 Reservoir parameter

儲(chǔ)液攪拌缸缸蓋主要有平頂缸蓋、凹頂缸蓋、凸頂缸蓋3種形式，對(duì)這3種儲(chǔ)料攪拌缸蓋進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在灌裝過(guò)程中，平頂缸蓋灌裝過(guò)程中物料淤積最嚴(yán)重，出現(xiàn)了油浮現(xiàn)象，即固液分離現(xiàn)象嚴(yán)重；凹頂缸蓋灌裝過(guò)程中，高密度區(qū)分布集中在軸心區(qū)域，在近壁面區(qū)物料的堆積現(xiàn)象嚴(yán)重，這些不利于物料的均勻灌裝。相比之下凸頂缸蓋物料灌裝過(guò)程中，物料分布均勻，堵塞情況明顯減少[5]。因此，本研究采用的是凸頂缸蓋。

儲(chǔ)液攪拌缸缸體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

1. 儲(chǔ)液缸入口 2. 儲(chǔ)液缸缸蓋 3. 儲(chǔ)液缸缸體 4. 儲(chǔ)液缸出口圖1 儲(chǔ)液攪拌缸缸體結(jié)構(gòu)Figure 1 Reservoir cylinder block structure

1.2 攪拌槳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在攪拌的過(guò)程中，攪拌槳所產(chǎn)生的流型及其自身的參數(shù)都會(huì)對(duì)攪拌精度產(chǎn)生很大的影響。攪拌槳主要產(chǎn)生軸向流與徑向流[6]4-5。軸向流是指：流體沿?cái)嚢栎S方向進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)，具有較大的循環(huán)速度，有利于混合相中固相的懸浮。葉輪與旋轉(zhuǎn)平面成小于90°的夾角，在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生軸向流。徑向流是指：流體沿著攪拌軸垂直方向流動(dòng)，剪切作用較大，有利于混合相中固相的分散。葉輪與旋轉(zhuǎn)平面成90°夾角，旋轉(zhuǎn)則會(huì)產(chǎn)生徑向流[7]。攪拌流型見(jiàn)圖2。

果粒飲料中含有果粒，將其靜置后，果粒就會(huì)沉積在缸底，造成堵塞以及果粒含量不均勻，不利于后續(xù)灌裝。所以，要對(duì)其進(jìn)行攪拌，首先需要軸向流，讓果粒懸浮在儲(chǔ)液攪拌缸中，再利用徑向流，使得果粒均勻地分布在果汁中，避免輸液口堵塞及成品中果粒含量不均勻等缺點(diǎn)，提高灌裝精度。像這種既需要產(chǎn)生軸向流，又需要產(chǎn)生徑向流，單一的槳形并不能滿足，則需要設(shè)計(jì)出相應(yīng)的多層多種槳形的組合槳。目前，已經(jīng)有眾多學(xué)者對(duì)組合槳進(jìn)行了研究。Aubin等[8]模擬了多層葉輪在高濃度攪拌槽內(nèi)的流場(chǎng)特性；G.Micale等[9]對(duì)中低濃度固體顆粒在單層槳和多層槳的攪拌槽內(nèi)的分布情況進(jìn)行模擬，結(jié)果表明：多層槳攪拌效果更好；李新明等[10]對(duì)不同組合葉輪雙層槳的攪拌效果進(jìn)行研究，結(jié)果表明：當(dāng)采用上斜下直的槳形時(shí)，混合液的湍流動(dòng)能增強(qiáng)，循環(huán)流動(dòng)增強(qiáng)，混合效果提高。為了提高果粒飲料的攪拌效果，攪拌槳采用上斜下直的三葉槳。

圖2 攪拌流型圖Figure 2 Mixing flow pattern

1.3 儲(chǔ)液攪拌缸初始參數(shù)

1. 儲(chǔ)液缸入口 2. 儲(chǔ)液缸缸蓋 3. 儲(chǔ)液缸缸體 4. 儲(chǔ)液缸出口 5. 槳

圖3 儲(chǔ)液攪拌缸模型

Figure 3 Storage tank model

2 利用FLUENT進(jìn)行模擬仿真

2.1 建立三維模型

2.2 攪拌工況下儲(chǔ)液攪拌缸中流體的流動(dòng)狀態(tài)

在攪拌的過(guò)程中，儲(chǔ)液攪拌缸中液體的流動(dòng)狀態(tài)目前主要用攪拌雷諾數(shù)Rem來(lái)進(jìn)行判斷。攪拌雷諾數(shù)定義為[13]：

圖4 儲(chǔ)液攪拌缸三維圖Figure 4 Three dimensional liquid storage tank

圖5 儲(chǔ)液攪拌缸網(wǎng)格圖Figure 5 Grid drawing of liquid storage tank

(1)

式中：

d——攪拌槽直徑，m；

n——攪拌轉(zhuǎn)速，r/s；

p——液體密度，kg/m3；

u——液體粘度，Pa·s。

現(xiàn)取參數(shù)d=0.7 m，n=200 r/s，p=1 000 kg/m3，u=0.046 5 Pa·s[14]。

將以上參數(shù)代入式(1)，得出Rem=2.162×106，大于104，果粒飲料在儲(chǔ)液攪拌缸中的流動(dòng)狀態(tài)為湍流。

2.3 網(wǎng)格劃分

攪拌缸工作時(shí)，是通過(guò)葉輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)液體進(jìn)行混合攪拌，因此該模型主要分為兩部分：① 內(nèi)部主動(dòng)旋轉(zhuǎn)的動(dòng)區(qū)域；② 外部的靜區(qū)域。將該模型導(dǎo)入Ansys workbench先進(jìn)行模型的布爾運(yùn)算，主要完成兩個(gè)工作：① 將動(dòng)區(qū)域與靜區(qū)域分離開(kāi)；② 將內(nèi)部動(dòng)區(qū)域中的槳分離出來(lái)，只留下槳面。對(duì)處理好的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于攪拌槳葉輪形狀不規(guī)則，整個(gè)儲(chǔ)液攪拌缸采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，葉輪處的網(wǎng)格進(jìn)行加密，整個(gè)儲(chǔ)液攪拌缸的網(wǎng)格單元數(shù)為362 512個(gè)。將兩個(gè)葉輪的圓柱形包裹區(qū)域設(shè)為動(dòng)區(qū)域，儲(chǔ)液攪拌缸其他部分設(shè)為靜區(qū)域。旋轉(zhuǎn)葉輪與靜止儲(chǔ)液攪拌缸之間的耦合采用MRF模型[15]。儲(chǔ)液攪拌缸的網(wǎng)格模型見(jiàn)圖5。

2.4 求解設(shè)置

將網(wǎng)格模型導(dǎo)入Ansys workbench的FLUENT模塊中，采用隱式耦合求解算法，勾選引力選項(xiàng)，選擇Mixture混合相模型、湍流模型。設(shè)定邊界條件：入口設(shè)為velocity inlet，速度為0.221 m/s；出口設(shè)為outflow；攪拌槳面設(shè)為movingwall，相對(duì)于動(dòng)區(qū)域旋轉(zhuǎn)速度設(shè)為0 rad/s；靜區(qū)域壁面設(shè)為固定壁面。

采用MRF方法進(jìn)行求解，動(dòng)區(qū)域Fluid旋轉(zhuǎn)速度為20 rad/s。第一相選擇液態(tài)水，粘度設(shè)為0.046 5 Pa·s，第二相設(shè)為固態(tài)鈣顆粒，密度設(shè)為1 026 kg/s，粘度設(shè)為0.1 Pa·s[16]，顆粒直徑設(shè)為0.003 m。

2.5 模擬仿真分析

采用以上的模型及初始工作參數(shù)，進(jìn)行FLUENT數(shù)值模擬仿真，預(yù)計(jì)達(dá)到的效果是：

(1) 儲(chǔ)液攪拌缸內(nèi)物料在攪拌槳的作用下進(jìn)行混合，每一處物料都得有攪拌速度，這樣才能使得物料混合均勻。

(2) 果粒含量為5%，范圍保持在4.5%～5.5%。

將以上模型進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，在其收斂后，得到其速度分布圖、第二相濃度分布云圖見(jiàn)圖6。

圖6是采用初始參數(shù)進(jìn)行攪拌得出的豎直面及水平面的速度云圖，分別對(duì)豎直面云圖中x=115(槳段)和水平面云圖中y=350進(jìn)行速度采集，繪制出速度變化圖見(jiàn)圖7。

由圖6可知，攪拌過(guò)程中速度充滿了整個(gè)平面，這樣可以帶動(dòng)果粒在整個(gè)儲(chǔ)液攪拌缸范圍內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，但是，在下層槳的正下方出現(xiàn)了一小片死區(qū)，這部分的果粒無(wú)法得到充分?jǐn)嚢?。由于上下層槳形成的渦流進(jìn)行了疊加，上下層槳中間渦流也得到了加強(qiáng)。這基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，但是如圖7所示，在槳段的位置，速度達(dá)到頂峰，上下層速度趨于對(duì)稱，儲(chǔ)液攪拌缸最下面、雙層槳中間靠近軸區(qū)以及儲(chǔ)液攪拌缸最上端速度達(dá)到最低。

該儲(chǔ)液攪拌缸主要是為了將果粒與果汁進(jìn)行均勻混合，使得果粒含量保持在4.5%～5.5%，提高灌裝精度。如圖8所示，豎直面和水平面的果粒分布是比較均勻，由于重力的影響，下層果粒含量還是比上層高，特別是下層攪拌槳正下方，由于攪拌過(guò)程中，在下層攪拌槳的正下方出現(xiàn)了死區(qū)，該區(qū)域的果粒含量比較高。在x=115處進(jìn)行果粒含量采集，并與5%的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，繪制成折線圖見(jiàn)圖9。

圖6 攪拌穩(wěn)定后豎直面徑向速度以及水平面周向速度云圖Figure 6 The radial velocity of the horizontal plane and the circumferential velocity of the vertical face after mixing and stability

由圖9可知，隨著液面高度的增加，果粒含量逐漸降低，且都在5%附近，但是，在液位最低點(diǎn)，果粒含量為7.34%，還是過(guò)高；當(dāng)高度大于350 mm時(shí)(上下層攪拌槳中間)果粒含量為4.67%，接近需求值的。果粒濃度分布的幅值為2.67%。

由以上的速度圖及果粒濃度分布圖可知，該攪拌效果基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，但還是存在缺陷：

(1) 用攪拌槳對(duì)果粒飲料進(jìn)行攪拌穩(wěn)定后，下層攪拌槳的正下方存在死區(qū)，對(duì)攪拌效果會(huì)產(chǎn)生很大的影響。

(2) 攪拌后，果粒含量超出基本要求范圍，將會(huì)導(dǎo)致后續(xù)灌裝果粒含量不均勻。

所以，前文所述儲(chǔ)液攪拌缸參數(shù)還存在不足之處，需進(jìn)一步優(yōu)化。

3 儲(chǔ)液攪拌缸的參數(shù)優(yōu)化

攪拌槳的轉(zhuǎn)速[17]、攪拌槳的安裝位置(下層槳距離缸底的位置)以及攪拌槳的直徑對(duì)攪拌過(guò)程都有很大的影響[4]。采用正交試驗(yàn)法與FLUENT數(shù)值模擬相結(jié)合的方法[18]對(duì)各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，判定各個(gè)參數(shù)對(duì)攪拌過(guò)程的影響程度并選取最優(yōu)解。

3.1 正交試驗(yàn)法的步驟

3.1.1 確定試驗(yàn)指標(biāo) 攪拌穩(wěn)定后，儲(chǔ)液攪拌缸果粒含量保持在4.5%～5.5%，濃度幅值越小越好。

圖7 速度采集曲線圖Figure 7 Velocity acquisition map

圖8 攪拌穩(wěn)定后豎直面以及水平面果粒分布云圖Figure 8 The level of fruit grain distribution of the vertical face andthe vertical face

圖9 x=115處果粒含量折線圖Figure 9 x=115, Fruit grain content line char

3.1.2 確定影響因子及水平 影響儲(chǔ)液攪拌缸的攪拌效果的因素主要有攪拌槳轉(zhuǎn)速、安裝位置和直徑。根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)[6]146-148以及實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)，儲(chǔ)液攪拌缸的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)中影響因子及水平選取見(jiàn)表2。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

按照正交試驗(yàn)法的方案，應(yīng)用FLUENT軟件進(jìn)行模擬仿真，得出果粒含量幅值，見(jiàn)表3。

采用極差分析法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析(見(jiàn)表3)，極差越大，該列因素的水平改變對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響就越大，因此主次順序?yàn)锽>C>A，根據(jù)K值，最佳參數(shù)組合為A1B2C2，即安裝高度100 mm，槳直徑350 mm，速度300 r/min，恰如表2中果粒幅值最低。并且該組參數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果中，果粒含量為4.71%～5.38%，試驗(yàn)結(jié)果完全滿足要求。

表2 試驗(yàn)因素水平表Table 2 Factors and levels of the experiments

表3 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果表Table 3 Experimental scheme and experimental result

4 結(jié)論

本試驗(yàn)先根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)及其他學(xué)者的研究成果設(shè)計(jì)出儲(chǔ)液攪拌缸的初始模型，并給定其各項(xiàng)參數(shù)。再利用FLUENT軟件對(duì)該模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其缺陷，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)攪拌槳安裝高度、攪拌槳葉片直徑、攪拌槳的旋轉(zhuǎn)速度都是影響果粒濃度的重要因素。最后采用正交試驗(yàn)法與FLUENT數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，得到了果粒濃度分布云圖，判定了影響攪拌過(guò)程的3個(gè)因素的主次順序，并選出最佳組合A1B2C2。

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Tank design and parameter optimization of the fruit grain liquid storage殷水忠YIN Shui-zhong

HUANGXiao-hua

YANGDi-zhou

DINGZhi-hui

ZHUCan

(SchoolofMechanicalEngineering,NanjingUnivisityofScienceandTechnology,Nanjing,Jiangsu210094,China)

A fruit grain beverage liquid mixing tank was designed in this study, including the structure of the cylinder block and the mixing paddle, and related parameters were provided. The numerical simulation was carried out by orthogonal test and FLUENT,to determine the influence degree of the factors, such as the installation height of the agitator, the diameter of the impeller and the rotation speed of the propeller, and the parameters of the stirred tank, were optimized to obtain the optimal parameter solution. Results: The main order of the factors that influenced the stability of the agitator concentration was as follows: the diameter of the paddle, the stirring speed, the height of the lower paddle. The results in the present study could provide contribution to the follow-up design of fruit juice beverage filling machine.

fruit grain beverage; liquid storage stirring cylinder; structure design; numerical simulation; parameter optimization

殷水忠，男，南京理工大學(xué)在讀碩士研究生。

黃曉華(1969—)，男，南京理工大學(xué)副教授，博士，碩士研究生導(dǎo)師。E-mail：34420969@qq.com

2016—05—06

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.11.013