基于Fluent 的面團(tuán)流經(jīng)機(jī)筒區(qū)域分析

王莎莎 金向陽(yáng) 施 法 楊玉昆 白鵬程 董子昂

（哈爾濱商業(yè)大學(xué) 輕工學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150000）

1 概述

一個(gè)典型食品加工系統(tǒng)由混合料倉(cāng)、稱重給料裝置、預(yù)處理機(jī)、機(jī)筒裝置、成型模具、切割裝置組成。根據(jù)蕎面面魚(yú)設(shè)備的工作原理可將設(shè)備分為四大階段，第一階段是調(diào)質(zhì)裝置（機(jī)筒和槳葉）進(jìn)行攪拌和面工作并將和好的蕎面送入螺桿擠出裝置；第二階段是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的首次螺桿擠出裝置，蕎面小團(tuán)從其與調(diào)質(zhì)裝置接觸口流入首次螺桿擠出裝置；第三階段是二次機(jī)筒擠出裝置，由于這一階段面團(tuán)的形狀特性基本穩(wěn)定，本論文將主要針對(duì)這一階段進(jìn)行研究分析；第四階段是模具成型階段，在推力作用下蕎面小團(tuán)從其出口端擠出進(jìn)行切割后流入模具成型階段，形成蕎面面魚(yú)。

面團(tuán)擠壓時(shí)是利用機(jī)筒裝置來(lái)推動(dòng)面團(tuán)進(jìn)行工作，因?yàn)闄C(jī)筒裝置中的螺桿將其全部能量完全作用于面團(tuán)，所以能夠產(chǎn)生非常高效的推動(dòng)作用。螺旋進(jìn)行旋轉(zhuǎn)工作時(shí)對(duì)面團(tuán)的作用主要有以下幾個(gè)方面：（1）螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)促使面團(tuán)介質(zhì)之間相互撞擊并起到能量傳遞的作用。（2）螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)促使面團(tuán)在螺桿與機(jī)筒共同作用下受到撞擊力、擠壓力、剪切力進(jìn)行揉搓工作。

2 有限元分析建模

對(duì)于機(jī)筒裝置裝置的性能參數(shù)的測(cè)定和其在機(jī)筒裝置運(yùn)行過(guò)程中面團(tuán)的流動(dòng)細(xì)節(jié)的了解是十分重要的，CFD 為螺桿擠壓裝置的仿真提供了理論基礎(chǔ)，利用有限元軟件的FlUENT 流體仿真模塊能夠相對(duì)準(zhǔn)確的仿真出面團(tuán)在機(jī)筒中的運(yùn)動(dòng)變化情況。仿真過(guò)程的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 仿真過(guò)程結(jié)構(gòu)圖

2.1 機(jī)筒裝置的三維模型

機(jī)筒裝置由筒體、螺桿、機(jī)架、傳動(dòng)部分等部件組成。但是仿真的部件主要是筒體和螺旋擠壓桿，所以只對(duì)這兩部分進(jìn)行三維建模，利用三維模型軟件Solidworks 通過(guò)拉伸、螺桿、組合求差對(duì)面所流經(jīng)區(qū)域的三維模型進(jìn)行建模。建模需要的尺寸如下：

螺旋攪拌桿：螺距15mm，軸的直徑12mm，螺旋攪拌葉片直徑32mm，葉片厚6mm，螺旋葉片高200mm。

筒體：直徑35mm 高：205mm。

通過(guò)具體尺寸建立完成的三維模型如圖2（a）所示，通過(guò)求差得到面所流經(jīng)區(qū)域的三維模型建模如圖2（b）所示。

圖2 三維模型

從流體域的輪廓線圖可以明顯看到面所流經(jīng)區(qū)域的螺旋紋路，同時(shí)可以看到螺旋葉片是一直延伸到機(jī)筒底部。

2.2 面團(tuán)流經(jīng)區(qū)域模型的ICEM CFD 網(wǎng)格劃分

研究面流經(jīng)區(qū)域的流體特征是以CFD 作為理論基礎(chǔ)，ICEM CFD 仿真過(guò)程中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)就是網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的精度將直接影響后續(xù)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。CFD 對(duì)導(dǎo)入的三維模型只有線單元和面單元概念存在，三維實(shí)體創(chuàng)建完成后，將其另保存為step 格式的文件，CFD 通過(guò)File-Import model導(dǎo)入流體域的三維模型，線、面單元將流體域的輪廓線表示如圖3（a）所示。導(dǎo)入到ICEM CFD 的中的三維模型透視圖如圖3（b）所示，可以清楚的看到螺旋軸的外表面與筒體之間的流體域。

圖3 ICEM CFD 中流體域

從圖3 中也可清楚的看到面所流經(jīng)區(qū)域模型導(dǎo)入ICEM CFD 中的立體模型是由一個(gè)螺旋攪拌葉片內(nèi)表面、圓柱機(jī)筒外表面以及上、下兩個(gè)圓面所組成。

由于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格在計(jì)算不規(guī)則模型存在很大的局限性和困難性，所以使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)流體域進(jìn)行劃分網(wǎng)格，在網(wǎng)格劃分之前需要重新生成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以方便檢查流體域是否存在多余的線，通過(guò)修補(bǔ)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得整個(gè)模型各處具有完整性，劃分網(wǎng)格是設(shè)置Max element 為100，劃分好的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖4所示，在網(wǎng)格劃分好之后需要保存mesh 文件。

圖4 CFD 網(wǎng)格劃分

2.3 面團(tuán)流經(jīng)區(qū)域模型的FLUENT 仿真

2.3.1 FLUENT 仿真模型

ICEMCFD 劃分并保存好的.msh 文件導(dǎo)入FLUENT 中的網(wǎng)格模型如圖5 所示。在圖中能夠明顯得看到兩種顏色區(qū)域，其中白色區(qū)域是在ICEM CFD 中定義的WALL 面，藍(lán)色區(qū)域是定義的INLET 和OUTLET 面。

圖5 FLUENT 中的網(wǎng)格模型

2.3.2 FLUENT 參數(shù)設(shè)定

（1）定義材料

FLUENT 仿真需要對(duì)材料進(jìn)行設(shè)置，面團(tuán)機(jī)筒裝置中主要的材料是面團(tuán)，通過(guò)查閱資料得知面團(tuán)密度ρ=520kg/m3，面團(tuán)屬于粘流態(tài)非牛頓流體。

（2）邊界條件設(shè)定

面團(tuán)從輸入端流入輸出端擠出，設(shè)定入口為速度入口（Velocity inlet），入口流速設(shè)定為0.02m/s，出口設(shè)定為壓力出口（Pressure outlet）。

（3）求解算法

在Solution Methods 設(shè)置中，使用Pressure-based 求解器時(shí)，在求解時(shí)涉及到算法的問(wèn)題，這里的算法一般有以下幾種：SIMPLE、SIMPLEC、PISO 和Coupled。在高速可壓流動(dòng)時(shí)，耦合式求解器比分離式求解器更有優(yōu)勢(shì)。采用Coupled 算法，求解計(jì)算五十步殘差收斂如圖6 所示。Coupled 算法同時(shí)求解連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程。計(jì)算過(guò)程也需要經(jīng)過(guò)迭代。

圖6 殘差曲線

2.3.3 結(jié)果分析

（1）壓力云圖見(jiàn)圖7，出口階段受到的壓力大于入口壓力，可以清楚看到圓型底面有一部分所受壓力較大，整體壓力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖7 壓力云圖

（2）性能云圖見(jiàn)圖8，整體面流經(jīng)區(qū)域性能較好，同樣在圓型底面出現(xiàn)性能不太穩(wěn)定情況。

圖8 性能云圖

（3）速度云圖見(jiàn)圖9，外層流速基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，隨后流速沿著近似圓環(huán)狀在逐漸減小。

圖9 速度云圖

綜合以上分析，螺桿擠壓裝置中的面食在受到進(jìn)口速度與出口壓力的作用下發(fā)生擠出運(yùn)動(dòng)。

3 結(jié)論

本文通過(guò)ICEM CFD、FLUENT 軟件對(duì)機(jī)筒裝置中面所流經(jīng)區(qū)域進(jìn)行仿真分析，同時(shí)可根據(jù)需要設(shè)定不同參數(shù)及模型進(jìn)行求解分析，繪制面流經(jīng)區(qū)域的速度云圖、壓力云圖等，模擬了面食在機(jī)筒中的情況，對(duì)螺桿擠壓裝置的設(shè)計(jì)優(yōu)化具有一定的意義。