陳永剛 閻秋生（1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 東莞 53808；.廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510006）

雞蛋營(yíng)養(yǎng)豐富，適于微生物生長(zhǎng)，極易受到沙門氏菌等致病菌的污染，未經(jīng)清洗的蛋殼表面常含有大量的細(xì)菌。在發(fā)達(dá)國(guó)家，諸如美國(guó)和加拿大等，提倡通過(guò)洗蛋來(lái)降低雞蛋表面的細(xì)菌總量［1］。在中國(guó)，雞蛋的清洗也逐漸受到人們的重視，自動(dòng)化的清洗設(shè)備廣泛地應(yīng)用于養(yǎng)雞場(chǎng)和蛋類企業(yè)。

在清洗噴水裝置（圖1）的設(shè)計(jì)中，噴嘴的排列間距過(guò)密則噴水流量需要相應(yīng)控制，否則會(huì)造成水資源的浪費(fèi)，而控制流量則造成噴頭材料使用效率低下，也影響結(jié)構(gòu)美觀；而從單純流體輸運(yùn)的角度，過(guò)多的噴嘴還會(huì)造成主管道上的壓力降過(guò)大，距水源遠(yuǎn)端的噴頭噴灑效果不理想，因此噴灑裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)在這一環(huán)節(jié)就顯得尤為重要。本研究對(duì)水氣混合的兩相流使用VOF模型，同時(shí)對(duì)離散相，即液滴的霧化過(guò)程采用TAB模型，利用Fluent軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)雞蛋清洗系統(tǒng)噴水裝置噴水過(guò)程的模擬，并對(duì)噴頭位置的放置進(jìn)行了優(yōu)化。

圖1 蛋殼清洗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Structure of eggs cleaning system

1 噴嘴的幾何結(jié)構(gòu)

所研究噴嘴的幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示，水氣混合流體從左邊進(jìn)入，壓力水在噴嘴內(nèi)螺旋運(yùn)動(dòng)，與壁面相互作用產(chǎn)生橫向速度，然后在噴嘴前匯集，從右端噴出。由于管道的截面半徑由大變小，在流量恒定的情況下，將加快流速?？諝馀c水流因密度和壓力不同而產(chǎn)生速度差，兩相相對(duì)作用使得離散相的小水滴不斷破碎而完成霧化過(guò)程［2］。

圖2 噴嘴的幾何結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Figure 2 Geometry construction of sprayer

2 數(shù)值模擬過(guò)程

2.1 控制方程

水與空氣混合的流體同樣遵循流體力學(xué)的一般規(guī)律，可以根據(jù)合理的假設(shè)構(gòu)建相應(yīng)的控制方程，由于混合流體的可壓縮性不能被忽略，有：① 質(zhì)量守恒方程，② 動(dòng)量守恒方程。

其中：

牛頓流體的本構(gòu)方程：

式中：

ρ——混合流體的密度，kg/m3；

t——時(shí)間，s；

?——梯度算子；

u——速度矢量，m/s；

p——壓力，Pa；

t——應(yīng)力張量，Pa；

S——源項(xiàng)；

D——應(yīng)變速率張量，s－1；

μ——?jiǎng)恿︷ざ龋琍a·s。

對(duì)于兩相流模擬，還需要選擇適當(dāng)?shù)亩嘞嗔髂Ｐ?。Fluent提供了VOF（volume of fluid）模型，混合物模型和歐拉模型。本研究中，對(duì)混合流體噴嘴噴射的模擬采用靜態(tài)網(wǎng)格，不考慮空氣和水之間的溶解性，可采用VOF模型［3］，則有：

體積分?jǐn)?shù)連續(xù)方程：

湍動(dòng)能和耗散率方程：

這兩個(gè)方程表達(dá)的是湍流k—ε模型的k、ε的輸運(yùn)方程，σk、σε是湍動(dòng)能和耗散率的普朗克常數(shù)，二者將k、ε的擴(kuò)散聯(lián)系到渦粘性系數(shù)μt，表達(dá)式見（13）：

式中：

g——重力加速度，N/kg；

k——湍流動(dòng)能，m2/s2；

ε——耗散率；

αi——體積分?jǐn)?shù)；

ρi——混合流體各組分密度［4］，kg/m3；

C1ε，C2ε，Cμ——無(wú)量綱常數(shù)；

σk——湍動(dòng)能的普朗克常數(shù)；

σε——耗散率的普朗克常數(shù)；

μt——渦粘性系數(shù)，m2/s。

標(biāo)準(zhǔn)k—ε模型方程中包含的5個(gè)參數(shù)來(lái)自綜合數(shù)據(jù)和大量的湍流擬合常數(shù)：Cμ＝0.09，σk＝1.00，σε＝1.30，C1ε＝1.44，C2ε＝1.92［5，6］。

2.2 離散相模型

對(duì)于兩相流的模擬主要是為了得到噴水效果，即離散相的噴灑情況，為了使模擬結(jié)果能夠更好地符合實(shí)際流場(chǎng)，在模擬過(guò)程中考慮了噴嘴出口處初始霧滴的粒徑和速度，采用了TAB模型。

式中：

Fa——?dú)鈩?dòng)力，N；

Fσ——表面張力，N；

Fμ——粘性力，N；

σ——水滴的表面張力，N/m；

CF、Ck、Cd——無(wú)量綱參數(shù)，其值根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論擬合通常分別取1/3，8和5；

μ2——水滴動(dòng)力黏度，kg/（m·s）；

y——變形率；

x——初始液滴赤道處半徑的變形量，m；

Cb——常數(shù)，取0.5；

r——初始的水滴半徑，m。

當(dāng)y＝1，即x＝0.5r時(shí)，認(rèn)為液滴已經(jīng)破碎［7，8］。

2.3 網(wǎng)格劃分與邊界條件

由于噴嘴為圓形，可假設(shè)整個(gè)流場(chǎng)為軸對(duì)稱，因此選擇軸向任一截面上的1/2作為研究對(duì)象。使用ICEM構(gòu)建幾何模型，并對(duì)噴嘴內(nèi)部距出口30mm區(qū)域及噴嘴外部300×200的矩形計(jì)算區(qū)域采用四邊形網(wǎng)格離散。由于噴嘴內(nèi)部，靠近噴嘴出口處發(fā)生尺寸的變化，而在噴嘴外部液體噴灑區(qū)域主要集中在中軸線附近，所以在保證不發(fā)生網(wǎng)格畸變的前提下對(duì)噴嘴出口及軸線附近進(jìn)行網(wǎng)格加密。網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖3、4。

對(duì)網(wǎng)格劃分結(jié)果進(jìn)行檢查，得到 Minimum Orthogonal quality為0.933 276。該數(shù)值越接近1網(wǎng)格質(zhì)量越高，證明通過(guò)適當(dāng)?shù)募用埽?jì)算區(qū)域劃分的網(wǎng)格質(zhì)量已經(jīng)符合要求。

圖3 四邊形網(wǎng)格離散結(jié)果Figure 3 Quadrangular meshes of computational domain

3 模擬結(jié)果

由于蛋殼清洗系統(tǒng)內(nèi)的混合流體可以選擇多種流速，在噴嘴結(jié)構(gòu)不變的情況下，為了得到實(shí)際流速與水流噴灑效果的關(guān)系，從而確定噴嘴安放間距和安放高度，混合流體的初始速度選擇15mm/s和150mm/s兩種。假設(shè)流場(chǎng)為穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)，采用壓力修正算法求解標(biāo)量控制方程，由于噴嘴豎直放置，考慮重力對(duì)流場(chǎng)的影響，設(shè)置x方向（即混合流體噴射的軸線方向）為重力加速度方向。材料物性參數(shù)從Fluent材料庫(kù)中選擇，分別迭代1 000步得到空氣和水的模擬結(jié)果見圖5。

圖4 局部網(wǎng)格的加密Figure 4 Mesh encryption of local computational domain

圖5 不同流速下的噴霧情況Figure 5 The results of spraying for different flow rate

由圖5可知，對(duì)于同一噴嘴尺寸，不同流體速度所產(chǎn)生的效果不同，液體噴灑覆蓋的范圍有相應(yīng)的差別。當(dāng)流速增大時(shí)，噴嘴以外水沿徑向方向擴(kuò)散的程度變小，水霧擴(kuò)散半徑最大的位置距噴嘴出口的軸向距離變大。流速較慢的情況下，混合流體噴出較短的距離就會(huì)與周圍空氣發(fā)生相互作用，產(chǎn)生更為明顯的卷吸作用。通過(guò)模擬可以得到最大噴灑半徑，從而優(yōu)化設(shè)置噴嘴安放的間距；同時(shí)最大噴灑半徑位置距噴嘴的軸向距離可以為確定噴嘴與傳送帶的豎直距離提供依據(jù)。

如圖6所示，壓力曲線在噴嘴出口附近有波動(dòng)，在其余位置基本恒定，符合射流力學(xué)中壓強(qiáng)與周圍流體壓強(qiáng)相同的理論［9］，即：

圖6 噴嘴外部軸向壓力分布Figure 6 Distribution of static pressure along axis

4 噴嘴放置位置的優(yōu)化

對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行具體的分析測(cè)量，得到入口速度分別為15mm/s和150mm/s時(shí)的噴霧各部分尺寸。由于噴灑環(huán)境位于室內(nèi)，且噴灑過(guò)程連續(xù)無(wú)間斷，灑水附近區(qū)域的空氣含水量較高，固模擬過(guò)程沒有考慮蒸發(fā)效應(yīng)。如圖7所示，最大有效噴霧距離為L(zhǎng)，假設(shè)噴嘴與傳送帶之間的距離為H，當(dāng)H＜L時(shí)，噴出的水霧沒有完全散開，效率較低；當(dāng)H＞L時(shí)，如果考慮蒸發(fā)效應(yīng)或其他未知因素，則到達(dá)傳送帶上的水汽將會(huì)低于預(yù)期值。所以設(shè)置傳送帶和噴嘴之間垂直距離的時(shí)候，盡量滿足H＝L。

對(duì)于噴嘴安放的密度，由于噴嘴沿傳送帶的徑向排布，為了保證效率的最大化，兩個(gè)噴嘴之間的距離最大應(yīng)為2R2，如果間距超過(guò)2R2，則噴嘴之間的噴灑區(qū)域會(huì)出現(xiàn)噴不到的情況；噴嘴最小間距應(yīng)大于2R1，如果小于這個(gè)距離，則噴霧區(qū)域重疊過(guò)多，噴灑效率下降，需要安放更多的噴嘴。綜上所述，合理的噴嘴安置間距應(yīng)該在R1，R2之間。在初始速度為15mm/s的模擬結(jié)果中測(cè)量得到R1≈4.44mm，R2≈8.89mm，L≈15mm；150mm/s的測(cè)量結(jié)果為：R1≈3.36mm，R2≈12mm，L≈30mm。

圖7 噴霧尺寸示意圖Figure 7 Spray dimensions diagram

5 噴霧試驗(yàn)

圖8 試驗(yàn)流程圖Figure 8 Test flow chart

由于試驗(yàn)條件的限制，試驗(yàn)測(cè)量數(shù)值精度較低，由于紙張上濕潤(rùn)部分無(wú)法區(qū)分R1和R2位置，固不同流速測(cè)量噴幅值只有一個(gè)，且實(shí)際測(cè)量值比理論值普遍偏大，考慮是由紙張的吸水性引起的，試驗(yàn)結(jié)果見表1。不過(guò)整體數(shù)值變化的規(guī)律與模擬得到的結(jié)果吻合較好，由此證明模擬過(guò)程是合理的，成功的。

表1 試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results

6 結(jié)論

利用Fluent對(duì)蛋殼清洗系統(tǒng)的噴水過(guò)程進(jìn)行模擬，采用VOF模型來(lái)模擬空氣—水的兩相流動(dòng)，并采用標(biāo)準(zhǔn)k—ε模型，在低雷諾數(shù)情況下，加入TAB霧化模型分析了離散相。最終得到了15mm/s和150mm/s初始流速條件下的模擬結(jié)果，進(jìn)而利用該結(jié)果確定了噴嘴的最優(yōu)安放位置。

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