基于不同轉(zhuǎn)速的醬后皮渣分離裝置內(nèi)部流場分析

袁昌富+王麗紅+坎雜+冉兵+李成松

摘要：番茄產(chǎn)業(yè)被譽為新疆“紅色產(chǎn)業(yè)”的龍頭，每年產(chǎn)生醬后皮渣20萬t以上，深加工潛力巨大。為探索刮板轉(zhuǎn)速對以離心篩分原理與斜板沉降技術(shù)相結(jié)合的雙作用機械化分離裝置內(nèi)部流場和分離質(zhì)量的影響，在不同刮板轉(zhuǎn)速工況下，對離心篩分裝置內(nèi)部流場模擬研究，采用離散相模型對番茄籽在離心篩分滾筒內(nèi)部的運動軌跡進行追蹤，并通過單因素試驗驗證，揭示不同刮板轉(zhuǎn)速對醬后皮渣分離質(zhì)量的顯著性影響。

關(guān)鍵詞：醬后皮渣；流場分析；試驗研究；分離裝置；番茄醬

中圖分類號：S226.5 文獻標志碼：A 文章編號：1002—1302（2016）01—0380—03

加工番茄又稱工業(yè)番茄或醬用番茄，其皮厚汁少，可溶性固形物含量高。新疆地處我國西北邊陲，具有獨特的光熱和水土條件，是僅次于意大利、美國后的世界第三大番茄醬產(chǎn)區(qū)，同時也是亞洲最大的番茄生產(chǎn)和加工基地。2012年新疆加工番茄種植面積約5.87萬hm²，加工番茄產(chǎn)量為579.46萬t，占番茄總產(chǎn)量的84.80%，生產(chǎn)番茄醬62.87萬t，產(chǎn)生醬后皮渣20萬t以上（約占番茄總量的3%～5%）。醬后皮渣深加工潛力巨大，但因醬后皮渣中除番茄籽、皮外，同時含有少量果梗、果膠及未提取干凈的番茄汁，各成分比重相差不大，且在果膠作用下黏結(jié)、包裹在一起，造成分離困難。隨著現(xiàn)代高性能計算機技術(shù)的發(fā)展和流體力學的進步，以理論分析、試驗研究與數(shù)值模擬結(jié)合，成為研究流體流動的重要手段，產(chǎn)生了以有限體積法為主要基礎(chǔ)的新學科——計算流體動力學（computational fluid dynamics），已在工程技術(shù)的各個領(lǐng)域成功應(yīng)用，具有很強的實用性。

王啟龍在機械攪拌制備SiCp/2014復合材料及攪拌過程中應(yīng)用了標準k-ε模型。韓興麗在敏化機設(shè)計及其攪拌槽內(nèi)三維流場數(shù)值模擬中也選擇標準k-ε模型。安自成在機械攪拌槽流場的粒子圖像測速技術(shù)（parirle image veloci-metry，PIV）試驗研究及數(shù)值模擬中發(fā)現(xiàn)RNGk-ε模型和大渦模擬所得到的流場分布圖基本上都能與試驗相匹配。郭立棟應(yīng)用波浪數(shù)值模型耦合模型對斜坡堤上的越浪問題進行研究，分析了越浪過程的流場和紊動特性等。Prajapati等利用流體體積函數(shù)（volume of liuid，VOF）模型對流過絕熱毛細管的制冷劑進行數(shù)值計算，模型的數(shù)值模擬預(yù)測與試驗結(jié)果非常一致。封立英利用VOF模型對混凝土攪拌輸送車攪拌筒內(nèi)的自由液面及出料情況進行模擬分析，并對設(shè)計提出建議。錢忠東等將水沙視為互相滲透的連續(xù)介質(zhì)，并充分考慮水沙問以及沙粒之間的相互作用，對二維淹沒射流作用下的無黏性沙床沖刷進行數(shù)值模擬。龔希武等對顆粒相（沙）進行擬流體化處理，對近岸水域水平流環(huán)境下的潮流行為與海床泥沙起運、耦合運動機理進行模擬研究。陳鑫等對VOF和Mixture多相流模型在空泡流模擬中的應(yīng)用進行了對比，結(jié)果顯示Mixture模型更容易實現(xiàn)復雜多相空泡流動問題的模擬，但模型本身存在較大的數(shù)值耗散，不利于精確捕捉相問交界面。

離散相模型預(yù)測連續(xù)相中，由于湍流渦旋的作用而對顆粒造成影響。李亞林等忽略離散相對連續(xù)相的影響，采用相問非耦合法，以示蹤粒子作為離散相，對離心泵內(nèi)示蹤粒子運動進行了數(shù)值計算；董全成等應(yīng)用離散相模型（discrete phase model，DPM）對氣流式皮棉清理機中的棉纖維以及雜質(zhì)的運動軌跡進行仿真模擬，并通過現(xiàn)場的加工試驗驗證，表明數(shù)值計算所得出的優(yōu)化組合和優(yōu)劣分析是可行的，為氣流式皮棉清理機的加工工藝改善提供了依據(jù)。Ammar等利用多重參考系模型（multiple reference frame，MRF）模擬擋板長度對攪拌槽內(nèi)紊流的影響，計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)非常一致；Cao等對一個新式管狀攪拌反應(yīng)器中的流動使用標準k-ε模型和MRF模型進行了模擬，結(jié)果顯示管內(nèi)流體流動是湍流流動，且攪拌可以提高反應(yīng)器的性能；宋淑然等采用MRF模型，將可動風機的轉(zhuǎn)速作為仿真的初始值，利用數(shù)值及正交試驗的方法，對風送式噴霧機的噴筒結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，結(jié)果顯示MRF模型，以風機轉(zhuǎn)速為初始條件，對噴筒出風口速度的數(shù)值模擬是可信的。

本研究在離心篩分裝置模擬建立和網(wǎng)格劃分的基礎(chǔ)上，設(shè)定初始條件與邊界條件，采用VOF多相流模型、離散相模型和動參考系模型，對不同刮板轉(zhuǎn)速工況下離心篩分裝置內(nèi)部流場和番茄籽運動軌跡進行分析，通過單因素試驗驗證刮板轉(zhuǎn)速的顯著性影響，為加工番茄醬后皮渣機械化分離裝置的優(yōu)化提供依據(jù)。

1基于不同轉(zhuǎn)速的內(nèi)部流場分析

1.1數(shù)值模擬幾何模型建立

采用多重參考系模型模擬初次分離裝置內(nèi)部流場，在SolidWorks建立三維模型時，分刮板轉(zhuǎn)動區(qū)、非轉(zhuǎn)動區(qū)兩部分建立（圖1），利用Gambit前處理軟件在非轉(zhuǎn)動區(qū)減去刮板轉(zhuǎn)動區(qū)，得到靜止區(qū)；在刮板轉(zhuǎn)動區(qū)中減去轉(zhuǎn)動刮板片，得到轉(zhuǎn)子區(qū)。

1.2幾何模型網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是將建立和分割好的三維實體模型進行連續(xù)地離散化，是數(shù)值模擬前處理的重要組成部分。Gambit為fluent5/6提供的體網(wǎng)格類型（Elements）有四面體網(wǎng)格、六面體網(wǎng)格、錐形和楔形網(wǎng)格，指定的格式類型（type）有結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和混合網(wǎng)格。其中，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格內(nèi)部的所有節(jié)點按照一定規(guī)則排列，網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)所有的內(nèi)部點都具有相同的毗鄰單元，網(wǎng)格生成速度快、質(zhì)量好，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單；非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格是指網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的內(nèi)部點不具有相同的毗鄰單元，節(jié)點和單元的分布是任意的。由于醬后皮渣雙作用分離內(nèi)部流動復雜，為了更好地模擬分離裝備內(nèi)部流動，將初次分離模型分刮板轉(zhuǎn)動區(qū)和非刮板轉(zhuǎn)動區(qū)，將二次分離模型分離心篩分區(qū)和斜板沉降區(qū)，分別進行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格的劃分結(jié)果如圖2所示。

1.3不同刮板轉(zhuǎn)速內(nèi)部流場分析

在不同刮板轉(zhuǎn)速的工況下，離心篩分滾筒內(nèi)空氣與介質(zhì)水的兩相流云和番茄籽的運動狀態(tài)如圖3所示。

從圖3可以看出，在刮板轉(zhuǎn)速為30 r/min時，介質(zhì)水在離心滾筒內(nèi)部上升到一定高度后，又反方向落回滾筒底面，番茄籽交叉上升下落向前推進；在轉(zhuǎn)速為60 r/min時，介質(zhì)水在離心滾筒橫截面內(nèi)上升到一定高度后，近似拋物線下落到滾筒底面，番茄籽在軸向以拋物線下落的形式向出皮口推進；在刮板轉(zhuǎn)速為90 r/min時，介質(zhì)水與空氣相在離心滾筒內(nèi)相互混合，番茄籽在離心滾筒橫截面內(nèi)做近似圓周運動，在刮板的軸向作用力下，向出皮口推進。

2基于不同刮板轉(zhuǎn)速的單因素試驗

通過單因素試驗確定刮板轉(zhuǎn)速對皮渣分離凈度和溢流損失的影響，試驗變量刮板轉(zhuǎn)速取值為30、45、60、75、90 r/min，試驗結(jié)果見表1。

刮板轉(zhuǎn)速對分離凈度和溢流損失影響的變化趨勢如圖4所示。可以看出，在刮板轉(zhuǎn)速為60 r/min左右時皮渣分離凈度取得最優(yōu)值，溢流損失隨著喂入量的增大呈增高趨勢。

從方差分析結(jié)果（表2、表3）可以看出，刮板轉(zhuǎn)速對皮渣分離凈度、溢流損失均存在極顯著影響。綜合刮板轉(zhuǎn)速對皮渣分離凈度、溢流損失的影響（溢流損失控制在5%內(nèi)），確定刮板轉(zhuǎn)速的水平變化范圍為50～65 r/min。

3結(jié)論

本研究利用SolidWorks建立離心篩分裝置的三維幾何模型，并采用Gambit前處理軟件進行網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)定，借助fluent求解器的MRF轉(zhuǎn)動模型VOF多相流模型分析了離心篩分裝置內(nèi)部的流場分布，利用離散相模型追蹤皮渣在分離過程的運動軌跡，通過單因素試驗確定了刮板轉(zhuǎn)速對醬后皮渣雙作用分離的顯著性影響。