米國強(qiáng) 黃志剛 胡淑珍 安 琪 李 賀

(1. 北京工商大學(xué)人工智能學(xué)院，北京 100048；2. 塑料衛(wèi)生與安全質(zhì)量評價(jià)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048；3. 中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100048)

壓榨法是一種借助機(jī)械外力作用，將油脂從油料中擠壓出來的取油方法[1]，螺旋榨油機(jī)可以連續(xù)化生產(chǎn)，更適合于工業(yè)化。張學(xué)閣[2]結(jié)合現(xiàn)有的先進(jìn)方法，建立了填充系數(shù)為1 時(shí)榨膛內(nèi)的油料實(shí)體模型；通過模型簡化，建立了榨膛內(nèi)油料壓力模型，并指出溫度、孔隙度、壓縮比等因素對壓力的影響。Harper等[3]認(rèn)為單螺桿壓榨機(jī)主要依靠油料與油料之間、油料與榨螺外表面及油料與榨籠內(nèi)表面之間的摩擦力輸送油料；雙螺桿壓榨機(jī)具有體積效應(yīng)，可防止物料隨螺桿旋轉(zhuǎn)，具有更高的剪切能力和混合能力，油料的破碎效果更好，可用于較小油料的壓榨，并且可以手動(dòng)控制物料循環(huán)和溫度，其設(shè)備生產(chǎn)能力受物料本身影響較小，參數(shù)更容易設(shè)置。余南輝等[4-5]建立了榨螺的三維模型，并運(yùn)用有限元分析得到榨螺變形及應(yīng)力分布。

目前有關(guān)榨油機(jī)的研究主要包括壓榨機(jī)理和榨螺受力分析，但均停留在單螺桿榨螺結(jié)構(gòu)理想的小型榨油機(jī)階段，以往對螺旋壓榨機(jī)的仿真模擬研究多集中在榨螺結(jié)構(gòu)及受力分析上[6]，對于雙螺桿榨螺結(jié)構(gòu)復(fù)雜的榨油機(jī)內(nèi)部流場的研究尚未見報(bào)道。文章擬借用Fluent軟件，通過對壓榨機(jī)理進(jìn)行分析，探究雙螺桿榨油機(jī)壓榨過程中內(nèi)部壓力場、濃度場和速度場的分布，并在此基礎(chǔ)上分析壓力和溫度對油料濃度的影響，旨在為榨油機(jī)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 模型建立

1.1 螺桿模型和網(wǎng)格劃分

雙螺桿榨油機(jī)分為嚙合和非嚙合兩類，非嚙合雙螺桿榨油機(jī)因兩螺桿之間沒有嚙合，故在設(shè)計(jì)和制造上未受限制，兩螺桿受力后不會(huì)發(fā)生干涉和咬住并且可以得到更大的長徑比。實(shí)際總壓縮比是指油料經(jīng)過壓榨之后，剩余餅粕的體積和未壓榨前進(jìn)入機(jī)內(nèi)的體積之比[7]，壓榨段包括四級壓榨結(jié)構(gòu)，榨螺在Solidworks軟件中建立如圖1所示榨螺三維模型，軸套安裝在螺桿末端與出餅口相連[8]，在Fluent軟件中對流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

Fluent是非結(jié)構(gòu)解法器，支持多種網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。劃分模型網(wǎng)格后需對網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，得到的流體域網(wǎng)格如圖2所示，其剖面圖如圖3所示。

1.2 基本假設(shè)

考慮到榨膛內(nèi)的結(jié)構(gòu)、油料性質(zhì)，以及壓榨過程中流場的變化[9]，將榨膛內(nèi)物料的模型簡化：

(1) 將流動(dòng)的物料簡化為冪律流體。

(2) 膛內(nèi)油料的流動(dòng)視為層流。

(3) 慣性力、重力等遠(yuǎn)小于黏滯力，忽略不計(jì)。

(4) 榨膛內(nèi)充滿物料。

(5) 流體為連續(xù)不可壓縮流體。

1.3 仿真前處理

使用Fluent求解問題主要包括網(wǎng)格劃分、材料性質(zhì)設(shè)定、設(shè)置求解器和物理模型等[7]，不考慮時(shí)間因素的影響，采用穩(wěn)態(tài)方式迭代求解，輸入連續(xù)體的物性參數(shù)，得到流體模型。CFD可以分為有限差分法、邊界元法、有限體積法[10]。

圖1 螺桿模型Figure 1 Screw model

圖2 流體域網(wǎng)格劃分Figure 2 Grid partition of fluid field

圖3 流體域網(wǎng)格剖面圖Figure 3 Grid partition profile of fluid field

Fluent提供了多種物理模型，其中k—e模型是應(yīng)用最廣泛的湍流模型，具有較好的穩(wěn)定性和計(jì)算精度。由于Simplec穩(wěn)定性較好，特別適用于層流的計(jì)算，故采用Simplec算法，同時(shí)用二階迎風(fēng)方程進(jìn)行離散，設(shè)置收斂精度，再初始化流場。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 壓力場

壓榨過程中膛內(nèi)壓力會(huì)對出油率產(chǎn)生影響，其值既不能太高，也不能太低[11]。試驗(yàn)流體域的壓力分布云圖如圖4所示。由于設(shè)定左側(cè)為油料進(jìn)口端，右側(cè)為油餅出口端，沿y軸方向(螺桿長度方向)兩螺桿的嚙合不斷形成和釋放密封腔，隨著油料從左往右運(yùn)動(dòng)，流場壓力逐漸遞增，達(dá)到壓榨效果，這是因?yàn)檎ヌ艃?nèi)壁與螺桿表面間距離較近，油料主要受螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)的影響，帶動(dòng)其連續(xù)地運(yùn)動(dòng)至出口，與此同時(shí)，忽略花生油從四周流出，只考慮其從模型出口位置流出。

對于應(yīng)力集中的部位，可以通過優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、選擇不同材料、改進(jìn)加工方法或采用不同熱處理方法等方式來有效解決[12]。取各級壓榨段橫截面，得到壓力分布如圖5所示，多級螺旋螺桿和一級螺旋螺桿最大區(qū)別在于空余體積逐漸縮小，壓榨壓力逐漸增大，起建壓作用，利于榨油。棱背面由于對油料作用力較小，形成了背壓區(qū)域，此處壓力值在截面上最小，即使是在同一截面上，油料所受壓力大小也不同。若要得到更大的壓榨壓力，可以增加錐圈結(jié)構(gòu)或減小榨膛容積。

圖4 流體域壓力分布云圖Figure 4 Pressure distribution of fluid field

圖5 各級壓榨結(jié)構(gòu)壓力云圖Figure 5 Pressure cloud field of pressing structures

2.2 濃度場

用體積分?jǐn)?shù)表示油的濃度，流體域縱截面上的油料濃度分布如圖6所示，隨著螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)油料運(yùn)動(dòng)，流場中油料濃度發(fā)生變化，進(jìn)口端濃度為0，是因?yàn)橛土弦婚_始進(jìn)入到輸送段，主要受螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)的影響，向前運(yùn)動(dòng)，未起到壓榨效果，油料濃度相對較小，隨后進(jìn)入一級壓榨階段，油料受到螺桿與榨膛擠壓作用，油脂逐漸從植物細(xì)胞壁中被擠出，此時(shí)油料濃度逐漸增大，壓榨效果也越明顯，榨油充分。

取如圖7所示的橫截面進(jìn)行分析，隨著壓榨的進(jìn)行，油料濃度逐漸變化，壓力越大處油料濃度越大，并且由于離心力的作用，部分油脂會(huì)偏離螺桿。

2.3 壓力與溫度對油料濃度的影響

2.3.1 壓力對油料濃度的影響 截取一級壓榨段的橫截面如圖8所示。由圖8可知，當(dāng)壓力為10 MPa時(shí)，油料濃度為0.004 61；當(dāng)壓力為8 MPa時(shí)，油料濃度為0.004 49；當(dāng)壓力為6 MPa時(shí)，油料濃度為0.004 43，一定范圍內(nèi)，壓力越大，油料濃度越大。

2.3.2 溫度對油料濃度的影響 榨膛溫度是影響榨油機(jī)出油率和出油質(zhì)量的主要因素[13-15]。由圖9可知，當(dāng)溫度為60 ℃時(shí)，油料濃度為0.004 43；當(dāng)溫度為70 ℃時(shí)，油料濃度為0.004 48；當(dāng)溫度為80 ℃時(shí)，油料濃度為0.004 51，一定范圍內(nèi)，溫度越高，油料濃度越大。但溫度過高會(huì)使油料變質(zhì)，實(shí)際壓榨過程中需根據(jù)被壓榨的油料盡量選擇適宜的壓榨溫度，溫度過高可以對榨膛進(jìn)行降溫，溫度過低可以進(jìn)行加熱。

圖6 流體域濃度分布Figure 6 Concentration distribution of fluid field

圖7 橫截面濃度分布Figure 7 Concentration distribution of cross section

2.4 速度場

2.4.1 整體速度分布 由圖10可知，在螺桿的帶動(dòng)下，油料大體沿著圓周運(yùn)動(dòng)，剛進(jìn)入壓榨膛內(nèi)時(shí)，速度增加迅速，并且受螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)的影響會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，壓榨段速度增加緩慢，同一截面處，油料速度存在較大差異，處于中間的油料速度略大。當(dāng)油料靠近螺紋時(shí)，開始對油料進(jìn)行壓榨，速度急速上升，當(dāng)油料遠(yuǎn)離螺紋時(shí)，空間會(huì)增加，速度下降。壓榨過程中有油料回流，使得榨油機(jī)內(nèi)部速度的變化更復(fù)雜。

2.4.2 壓力對速度的影響 由圖11可知，在一定范圍內(nèi)，壓力越大，油料速度越大。

圖8 各壓力下的濃度分布Figure 8 Volume distribution under various pressures

圖9 各溫度下的油料濃度分布Figure 9 Volume distribution under various temperature (6 MPa)

圖10 速度分布Figure 10 Volecity distribution

圖11 各壓力下的速度分布Figure 11 Volecity distribution under various pressures

3 結(jié)論

通過對雙螺桿榨油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行分析，建立了榨油機(jī)榨螺和流體域三維模型，運(yùn)用Fluent軟件對榨油機(jī)壓榨段流體域的物理場進(jìn)行仿真研究。結(jié)果表明，流場壓力沿著螺桿逐漸遞增，輸送段壓力增長快，壓榨段增長較慢，出口處壓力達(dá)到最大；同一截面處，油料速度存在分層現(xiàn)象，設(shè)定溫度一定時(shí)，隨著壓力的增大，油料速度增大；流體濃度沿著螺桿長度方向遞增但存在波動(dòng)。設(shè)定壓力不變，溫度越高，油料濃度越高。設(shè)定溫度不變，壓力越大，油料濃度越高。后續(xù)應(yīng)根據(jù)壓榨理論對現(xiàn)有的模型進(jìn)行改進(jìn)，使其更接近于實(shí)際狀態(tài)。