油辣椒固液混合多相流灌装的数值模拟

罗金刚

（贵阳学院机械工程学院，贵州 贵阳 550005）

随着信息技术的发展和流体研究的深入，对灌装机械的研究，已可从过去的实体样机研究，走向虚拟研究和分析，大大减少了研发周期和生产成本，油辣椒作为一直固液混合物，主要物质组成有菜籽油、辣椒，花生米、调味料等，油辣椒的制作工艺是将菜籽油和辣椒、花生等物料经高温炒制而成[1]。油辣椒的固相和液相的各相流密度和流动性差异较大，在灌装过程中容易出现由固相辣椒颗粒、花生和肉丁堆积而导致的堵塞现象，或者出现灌装过程中固液混合不均匀、每瓶质量得不到统一保证等问题[2]。现有的研究主要集中在对多相流的搅拌研究，对于油辣椒灌装问题，主要表现在灌装过程中。为了深入研究灌装过程中油辣椒固液混合多相流在灌装机构中的流场分布，应用流体力学软件Fluent，对油辣椒固液混合多相流在灌装排出过程中菜籽油体积分数对流场的分布影响。

1 灌装机构的结构参数

灌装机构作为灌装机的重要组成部分，主要由移动推杆、计量缸、三通阀、转动阀芯、出口管道等部分组成。

灌装机构的结构几何模型见图1。

图1 灌装机构的结构几何模型

2 数值计算模型

2.1 数值计算方程

以欧拉-欧拉模型作为油辣椒固液混合多相流计算模型，液相为连续相，将其他两个固相看成拟连续相，即将固相液相看成是共同存在相互渗透的连续介质。以下是流体计算的相关方程[3]：

连续性方程：

式中：ρm——混合物平均密度；

动量方程：

式中：n——相数；

μm——混合黏度；

K——多相中的其中一相；

αk——相K 的体积分数。

对于边界移动的任意控制体积V 上的一般标量Φ 的积分守恒方程为：

式中：ρ——流体密度；

Γ——扩散系数；

SΦ——源项；

ΔV——控制体积V 的边界。

2.2 网格划分和参数设置

流体模型采用四面体网格进行划分, 对流体几何模型加以简化，以便提高计算速度，对部分流体区域进行细化处理，使网格质量提高[4]。

流体风格划分见图2。

图2 流体风格划分

油辣椒固液混合多相流中各相参数为液相的菜籽油密度904 kg/m3，黏度0.075 6 Pa/s。固相辣椒颗粒密度为1 160 kg/m3，直径为4 mm；花生颗粒密度为1 053 kg/m3，直径为4 mm[5]。

2.3 边界条件定义和求解模型的选择

油辣椒固液混合多相流模型流动状态为牛顿流体，在边界设置中将推杆的顶面和流体的接触面为定义为缸体运动面，计量缸内流体的接触面定义为变形面，出口定义为压力出口，采用用户定义函数定义缸体运动面的速度为0.12 m/s，其他面定义为静止边界。

3 数值计算及结果分析

以油辣椒固液混合多相流为研究对象，主要讨论菜籽油体积分数的比例对整个流场的灌装特性影响。分析在不同比例的固液相体积分数条件下，流体灌装过程的密度流场分布特点，为灌装工艺和机构的设计提供参考和研究[6-7]。

t=0.2 s 菜籽油不同体积分数下流体纵向截面的密度云图见图3，t=0.3 s 菜籽油不同体积分数下流体纵向截面的密度云图见图4。

图3 t=0.2 s 菜籽油不同体积分数下流体纵向截面的密度云图

图4 t=0.3 s 菜籽油不同体积分数下流体纵向截面的密度云图

（1） 密度云图分析。流体密度场的分布作为灌装过程中研究的主要分析点，分析菜籽油不同体积分数的情况下的密度云图。取纵向截面Z=0 mm 处进行研究。根据密度云图可知，在灌装过程中，推杆的顶面和灌装出口管道上均存在高密度区域，说明存在固相的沉积，随着灌装时间的增加，高密度的区域面积扩大，分析发现在t=0.2 s 和t=0.3 s 时，菜籽油体积分数越大，其推杆顶面和管道上的高密度区域相对较少，说明菜籽油增加了混合流体的流动性，减少了固相的沉积。在t=0.3 s 时菜籽油体积分数越大，其推杆顶面的高密度堆积区域减少相对不明显，但是在出口管道中低密度区域减少比较多，密度差别较大，说明随着灌装时间的延长，密度变化改变较大。

（2） 灌装管道轴线方向密度场。为了深入研究出口管道内密度的变化，选取出口管道轴线方向的直线L1从点（-25，195，0） 到点（110，195，0）。如图5 所示为0.3 s 时油辣椒固液混合多相流流的密度分布曲线图。分析曲线图可知，在出口管道的左端附近不同菜籽油体积分数，由于在灌装过程中，随着灌装时间的延长，混合流体中出现固相和液相的分离现象，高密度的辣椒颗粒和花生颗粒下沉，菜籽油上浮所致左端的密度变小。在管道径向的中间部分，不同菜籽油体积分数的油辣椒固液混合多相流的密度较为均匀。综合比较该密度曲线的变化和密度云图的变化基本相符。

图5 直线L1 上的密度分布曲线图

直线L1上的密度分布曲线图见图5。

4 结论

通过分析油辣椒固液混合多相流，在不同菜籽油体积分数的油辣椒固液混合多相流的条件下，其油辣椒固液混合多相流密度场的分布规律如下：

（1） 对灌装过程中的流体密度场云图分析可知，在推杆顶面和出口管道下方，随着菜籽油的体积分数的增加，高密度区域减少，固相的堆积较少，菜籽油的体积分数改善了混合流体的流动性。

（2） 对出口管道内的直线上各点的密度数据分析可得，在管道的左端密度变化较大，中间密度适当均匀，其密度场的分布较为均匀，菜籽油体积分数对流场的密度场影响不大。