褚宏奎,張若宇,齊妍杰,坎 雜

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003)

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鮮杏無水清洗噴嘴收口角度的仿真研究

褚宏奎,張若宇,齊妍杰,坎 雜

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003)

為確定適用于鮮杏無水清洗噴嘴的最優(yōu)收口角度，利用FLUENT軟件分別對收口角度為1°，2°，…，30°的柱錐形噴嘴進(jìn)行數(shù)值模擬分析，確定了相同的無水清洗噴嘴工作截面，并以鮮杏物料特性和噴嘴外流場特性作為噴嘴最優(yōu)收口角度參考依據(jù)。結(jié)果表明：外流場氣流速度隨著收口角度的增大而增強(qiáng)；入口速度為80m/s，當(dāng)收口角度超過30°時(shí)，無水清洗工作截面的氣流速度超過鮮杏表皮所能承受最大速度；收口角度為15°時(shí)，工作截面平均氣流速度可達(dá)32.35m/s、有效清洗寬度為70mm，且其速度不均勻系數(shù)最小。故本文鮮杏無水清洗噴嘴的最優(yōu)收口角度為15°。本研究可為鮮杏無水清洗噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一種參考。

鮮杏；無水清洗；噴嘴；收口角度；數(shù)值模擬

0 引言

杏原產(chǎn)自我國，屬薔薇科落葉喬木植物，因其營養(yǎng)豐富又兼具藥用價(jià)值，深受廣大人民喜愛[1-2]。2014年，全疆杏種植面積13.2萬hm2，產(chǎn)量近200萬t[3]。杏主要用于鮮食、制干、制脯和制果醬[4]，截至目前,杏的加工比例較低，近90%的鮮杏以鮮食形式進(jìn)入市場[5]。鮮杏屬易損水果，為避免多次轉(zhuǎn)運(yùn)和加工所造成的機(jī)械損傷，一般采摘后直接裝箱進(jìn)入市場；但由于新疆少雨且沙塵天氣較多，采摘后的鮮杏表面附有大量沙塵顆粒，嚴(yán)重影響鮮杏的外部品質(zhì)。

目前，針對水果的清洗方式多以水洗為主。鮮杏的表面附有在生長過程中形成的蠟質(zhì)保護(hù)層，可以抵御病菌侵染，使之更易貯藏[6-7]。鮮杏經(jīng)水洗后易造成表面蠟質(zhì)層被破壞[8-9]，大大增加了其在運(yùn)輸、儲存過程中的質(zhì)變率[5]，進(jìn)而對果農(nóng)和水果加工企業(yè)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

本研究擬針對采摘后的鮮杏表面附有大量沙塵顆粒的特點(diǎn)，提出在田間裝箱前利用高壓氣流完成對鮮杏的無水清洗。噴嘴作為關(guān)鍵部件，對無水清洗效果影響較大，作者在前期研究中發(fā)現(xiàn)：柱錐形噴嘴更適用于鮮杏的無水清洗，但對其收口角度的研究尚未開展。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，數(shù)值模擬技術(shù)具有成本低、周期短和適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在各類噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)和工作參數(shù)確定的過程中，數(shù)值模擬技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用[10-11]。為確定適用于鮮杏無水清洗噴嘴的最優(yōu)收口角度，本研究利用FLUENT軟件分別對收口角度為1°，2°，…，30°的柱錐型噴嘴進(jìn)行數(shù)值模擬分析，以鮮杏物料特性和噴嘴外流場特性為參考依據(jù)，確定適用于鮮杏無水清洗噴嘴的最優(yōu)收口角度。

1 材料與方法

1.1 噴嘴模型

杏品種繁多、尺寸各異，其中大紅杏為新疆較大尺寸杏種的代表。由于杏外形為橢圓形，故長度尺寸為其最大尺寸。鮮杏在輸送過程中的運(yùn)動是不規(guī)則的，故本研究使用電子數(shù)顯卡尺對隨機(jī)選取的100個(gè)大紅杏樣本長度尺寸進(jìn)行測量。圖1為大紅杏樣本的長度尺寸分布圖。由圖1可知：大紅杏的長度尺寸一般不大于60mm，故本文設(shè)定噴嘴無水清洗工作截面寬度為60mm。

圖2為噴嘴結(jié)構(gòu)與尺寸示意圖。噴嘴上端統(tǒng)一為氣流入口，入口直徑統(tǒng)一設(shè)定為6mm，噴嘴總長度為20mm。若在數(shù)值模擬過程中設(shè)定統(tǒng)一入口風(fēng)速，則可以保證提供各噴嘴空氣流量相同，實(shí)現(xiàn)在相同空氣流量條件下對比不同收口角度噴嘴的清洗性能差異，進(jìn)而確定最優(yōu)噴嘴收口角度。使用GAMBIT軟件分別對收口角度為1°，2°，…，30°的柱錐形噴嘴在保證其他參數(shù)不變前提下進(jìn)行精確建模。

圖1 大紅杏長度尺寸分布圖

圖2 噴嘴結(jié)構(gòu)與尺寸示意圖

1.2 無水清洗工作原理

圖3為無水清洗工作原理圖。通過噴嘴噴射出高壓空氣完成對鮮杏表面沙塵顆粒的清洗，在實(shí)際生產(chǎn)中可通過對鮮杏多表面的多次噴射達(dá)到鮮杏無水清洗的目的。根據(jù)前期研究經(jīng)驗(yàn)，本文選取工作距離為280mm。圖4為灰塵顆粒受力模型。清洗前，灰塵在吸附力F吸、重力G、摩擦力f和支持力FN共同作用下使灰塵顆粒吸附在鮮杏表面；清洗時(shí)，灰塵顆粒受到高壓空氣F風(fēng)作用，使得受力平衡被打破，灰塵顆粒沿X軸方向逃逸，達(dá)到無水清洗的目的。

圖3 無水清洗工作原理圖

(a) 清洗前 (b) 清洗時(shí)

1)清洗前受力分析：

X軸為

G·sinα=f

(1)

Y軸為

FN=Gcosα+F吸

(2)

2)清洗時(shí)受力分析：

X軸為

Gsinα+F風(fēng)>f

(3)

Y軸為

FN=Gsinα+F吸

(4)

其中，G為沙塵顆粒重力；f為摩擦力；FN為支持力；F吸為鮮杏對沙塵顆粒的吸附力；F風(fēng)為高速氣流產(chǎn)生的風(fēng)力。

1.3 數(shù)值模擬方法

1.3.1 網(wǎng)格劃分

利用GAMBIT軟件分別對收口角度為1°，2°，…，30°的柱錐型噴嘴進(jìn)行模型的建立，同時(shí)建立噴嘴外流場區(qū)域(寬為20D，長為70D，與噴嘴出口對稱分布，D為噴嘴入口直徑6mm)。本研究噴嘴結(jié)構(gòu)類型簡單，噴嘴和外流場區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中的四邊形網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分可以滿足仿真要求，故對噴嘴和外流場進(jìn)行四邊形網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖5 噴嘴及外流場網(wǎng)格劃分

1.3.2 邊界條件設(shè)定

為保證數(shù)值模擬過程中，提供給每個(gè)噴嘴的流量相同，設(shè)定入口邊界條件為velocity-inlet，速度為80m/s，出口為pressure-out，為模擬真實(shí)工作條件，出口壓強(qiáng)設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101 325Pa。定義材料為空氣，本研究馬赫數(shù)Ma≈0.24<0.3，可視為不可壓縮流體[12-13]，不考慮能量方程。各噴嘴所有初始值設(shè)置均相同。

1.3.3 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)式(5)可知，本研究在室溫20℃下噴嘴入口處的雷諾數(shù)Re=32 088，屬完全湍流流動且分子粘性可以忽略，故選擇湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[14]，該模型在工程實(shí)際問題及科研中應(yīng)用較為廣泛。

(5)

其中，ρ為流體密度，ρ=1.21kg/m3；v為流體速度，噴嘴入口速度為80m/s；d為特征長度，噴嘴氣流入口直徑為0.006m；μ為流體粘性系數(shù)，20℃時(shí)空氣粘性系數(shù)為1.81×10-5Pa·s。

1.4 最優(yōu)收口角度條件

1)工作截面內(nèi)射流有效清洗寬度大于鮮杏長度。射流有效速度為可成功吹去鮮杏表面灰塵的速度，可測得。射流有效清洗寬度為截面內(nèi)任一點(diǎn)風(fēng)速大于無水清洗有效風(fēng)速區(qū)域所在截面的寬度。

2)工作截面內(nèi)最大速度不能超過鮮杏表皮可承受最大風(fēng)速。參考前人研究可知，正常鮮杏表面硬度最小為0.23kg/cm2[15]，由伯努利方程推導(dǎo)出的風(fēng)壓風(fēng)速關(guān)系式可計(jì)算出鮮杏表面可承受最大氣流速度，則有

(6)

其中，wp為風(fēng)壓(kN/m2)，0.23kg/cm2=22.54kN/m2；v為風(fēng)速(m/s)。

3)工作截面內(nèi)速度不均勻系數(shù)反映了速度的均勻性。在以上條件都滿足的情況下，工作截面速度不均勻系數(shù)最小的噴嘴收口角度為本文最優(yōu)收口角度。

2 結(jié)果與討論

2.1 噴嘴及外流場數(shù)值模擬結(jié)果

圖6為不同收口角度噴嘴及外流場速度分布圖。

(a) 1°～5°噴嘴及外流場速度分布圖 (b) 6°～10°噴嘴及外流場速度分布圖

(c) 11°～15°噴嘴及外流場速度分布圖 (d) 16°～20°噴嘴及外流場速度分布圖

(e) 21°～25°噴嘴及外流場速度分布圖 (f) 26°～30°噴嘴及外流場速度分布圖

為準(zhǔn)確顯示噴嘴及外流場速度隨收口角度增加的變化趨勢，每相鄰5個(gè)不同收口角度噴嘴共用同一色帶。由圖6可知：隨著噴嘴收口角度的增加，噴嘴及外流場的速度逐漸增大。噴嘴收口角度為1°～5°的色帶中最大速度為100m/s，而26°～30°的色帶中最大速度達(dá)到1 560m/s，可見噴嘴收口角度對噴嘴流場速度的影響較大。

2.2 工作截面數(shù)值模擬結(jié)果

由上文可知，本文噴嘴工作截面為距噴嘴出口280mm、寬度為60mm的圓形截面。分別提取不同收口角度噴嘴工作截面數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，以確定本文噴嘴的最優(yōu)收口角度。

圖7為不同收口角度噴嘴工作截面平均速度。隨著噴嘴收口角度的增大，工作截面平均速度逐漸增大，其平均速度最小為23.44m/s，最大111.77m/s。由此可見，噴嘴的收口角度對噴嘴的工作性能影響較大。

圖7 不同收口角度噴嘴工作截面平均速度

圖8為不同收口角度噴嘴有效清洗寬度。隨著收口角度的增大，有效清洗寬度也逐漸增大。當(dāng)收口角度大于4°時(shí)，有效清洗寬度恒大于60mm。

根據(jù)式(6)計(jì)算可知：鮮杏表面可承受最大氣流速度為189.91m/s，選取安全系數(shù)為1.5，故用于鮮杏無水清洗噴嘴工作截面最大氣流速度應(yīng)小于126.61m/s。圖9為不同收口角度工作截面最大速度。當(dāng)噴嘴收口角度為30°時(shí)，噴嘴工作截面最大速度可能會對鮮杏表皮造成損傷。

圖10 為不同收口角度噴嘴工作截面速度不均勻系數(shù)。速度不均勻系數(shù)隨收口角度的增大，先減小后增大，然后趨于平穩(wěn)，但收口角度在26°之后速度不均勻系數(shù)震蕩較大。

圖8 不同收口角度噴嘴有效清洗寬度

圖9 不同收口角度工作截面最大速度

圖10 不同收口角度噴嘴工作截面速度不均勻系數(shù)

由圖10可知：當(dāng)收口角度為15°時(shí)，速度不均勻系數(shù)最小為0.160 72。根據(jù)圖8和圖9可知：收口角度為15°的噴嘴有效清洗寬度為70mm，滿足工作截面內(nèi)有效清洗寬度大于鮮杏長度的條件，且其工作截面最大速度為41.85m/s，不會對鮮杏表面造成損傷。由圖7可知：收口角度為15°噴嘴工作截面平均速度為32.35m/s，滿足鮮杏無水清洗氣流速度條件。綜上所述，本文中鮮杏無水清洗噴嘴最優(yōu)收口角度為15°。

3 結(jié)論

1)運(yùn)用計(jì)算流體動力學(xué)數(shù)值模擬方法對不同收口角度鮮杏無水清洗噴嘴進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)收口角度對噴嘴工作性能影響較大，揭示了噴嘴工作截面流場特性隨噴嘴收口角度的變化規(guī)律。

2)收口角度為15°噴嘴在同等條件下為鮮杏無水清洗工作截面提供了較大的氣流速度，且其在本文不同收口角度噴嘴中速度不均勻系數(shù)最小，為本研究最優(yōu)噴嘴。

3)本文對鮮杏無水清洗噴嘴收口角度的研究可為后續(xù)工程技術(shù)人員在無水清洗噴嘴的深入研究及優(yōu)化方面提供參考。

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Numerical Simulation of Shell Nosing Angle of Waterless Washing Nozzle for Fresh Apricot

Chu Hongkui, Zhang Ruoyu，Qi Yanjie，Kan Za

(College of Mechanical and Electrical Engineering,Shihezi University,Shihezi 832003,China)

In order to identify the optimal shell nosing angle of waterless washing nozzle for fresh apricot, different shell nosing angle which included 1°, 2°,…, 30° were studied by FLUENT software. The same working section of waterless washing was selected in the study. Material properties of fresh apricot and characteristics of external flow field of nozzle were considered as reference of the optimal nozzle. The results showed that the velocity of airflow increased with the increase of shell nosing angle.The inlet velocity of nozzle was set as 80 m/s.The high-speed airflow of working section had more than the maximum load of fresh apricot when the shell nosing angle was over 30°.The nozzle’s average velocity of working section could up to 32.35 m/s when the shell nosing angle was 15°,and its effective width of working section was 70 mm. Besides it had the minimal velocity deviation coefficient of the nozzles.So the optimal shell nosing angle of waterless washing nozzle for fresh apricot was 15° in this study, and the study could provide a reference for the structural design of waterless washing nozzle for fresh apricot.

fresh apricot;waterless washing; nozzle; shell nosing angle; numerical simulation

2016-07-19

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAD19B03)

褚宏奎(1990-)，男，山東菏澤人，碩士研究生，(E-mail)846514796@qq.com。

坎 雜(1963-)，男，新疆博樂人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)kz-shz@163.com。

S226；TP391.9

A

1003-188X(2017)07-0153-05