龔敏浩，林名潤，劉貝，翟瑋昊，杜明俊

基于CFD的直噴噴嘴瓶體沖洗效果研究

龔敏浩，林名潤，劉貝，翟瑋昊，杜明俊

（上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200245）

在葡萄酒瓶沖洗過程中，多種因素影響著瓶體的沖洗效果。為了量化不同因素對沖洗效果的影響程度，研究采用控制變量法進(jìn)行CFD仿真分析。研究發(fā)現(xiàn)，噴口氣壓對瓶體沖洗效果影響最大。通過優(yōu)化輸氣管道，并增加沖洗氣流流量，可實現(xiàn)瓶體沖洗效率的提升。

計算流體力學(xué)；葡萄酒瓶；沖洗；噴嘴

1 引言

新生產(chǎn)的葡萄酒瓶內(nèi)部需進(jìn)行沖洗，瓶體內(nèi)部的沖洗效果和其表面的壁面切應(yīng)力有直接關(guān)系[1]。通過獲取壁面切應(yīng)力數(shù)值，瓶體沖洗效率可用數(shù)值體現(xiàn)。計算流體力學(xué)Computational Fluid Dynamic（CFD）在工程領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用于計算壁面切應(yīng)力數(shù)值[2]。研究應(yīng)用CFD對不同沖洗變量 下的葡萄酒瓶進(jìn)行仿真，分析不同因素對于沖洗效果的影響 比重。

2 計算域和邊界條件

波爾多瓶是常見的葡萄酒瓶類型。沖洗過程中，瓶口朝下放置，噴嘴與輸氣管道相連為一體，噴嘴從噴口插入至瓶體內(nèi)部。瓶體與直噴噴嘴的仿真模型網(wǎng)格剖面如圖1所示，模型設(shè)置一個入口邊界層（噴嘴）和一個出口邊界層（瓶口）。直噴噴嘴被簡化為一根與瓶體同軸的直管。

圖1 波爾多瓶仿真模型網(wǎng)格剖面圖

根據(jù)不同仿真區(qū)域?qū)τ诰W(wǎng)格質(zhì)量需求不同，選擇相應(yīng)的網(wǎng)格類型和尺寸。對于瓶底和瓶壁邊界層這些流場較為復(fù)雜的區(qū)域，其網(wǎng)格應(yīng)更為密集，設(shè)置最大網(wǎng)格尺寸為1 mm。

仿真為穩(wěn)態(tài)分析，流體介質(zhì)25 ℃空氣，參考?xì)鈮? atm；入口邊界層相對總壓5 bar，出口邊界層相對總壓0 bar；壁面邊界條件為光滑且無滑動壁面。

湍流模型和壁面函數(shù)分別選擇-模型和可伸縮壁面函數(shù)[3-4]。25 ℃空氣密度=1.18 kg/m3，粘度=1.845×10-5kg/ms。假設(shè)噴嘴截面為直徑1=2 mm的圓，瓶口為直徑2=20 mm的圓，流體為不可壓縮。

根據(jù)伯努利方程=0.52，在入口和出口邊界層間5 bar的壓差下，噴嘴處空氣流速1為920 m/s。

又根據(jù)流體連續(xù)方程1·12=2·22，在瓶口處空氣流速2為9.3 m/s。

3 仿真結(jié)果

影響沖洗效果的因素大致可分為噴口至瓶底距離、噴口直徑、噴口氣壓。

3.1 沖洗效果與噴口至瓶底距離關(guān)系

保持噴口氣壓5 bar，噴口直徑4 mm，噴口至瓶底距離變量范圍20～100 mm。

仿真結(jié)果如表1所示，隨噴口至瓶底距離增加，瓶體各部分壁面切應(yīng)力均下降，沖洗效果減弱。當(dāng)噴口至瓶底距離大于等于60 mm時，瓶底最大壁面切應(yīng)力降低率提升。瓶底最小、瓶身最大、底部拐角壁面切應(yīng)力與噴口至瓶底距離大致呈線性關(guān)系。

表1 壁面切應(yīng)力與噴口至瓶底距離關(guān)系

噴口至瓶底距離/mm20406080100 瓶底最大壁面切應(yīng)力/Pa1 4631 3651 236956.8680.7 瓶底最小壁面切應(yīng)力/Pa292415.410.14.24 瓶身最大壁面切應(yīng)力/Pa161145.3133.8119.391.95 底部拐角壁面切應(yīng)力/Pa4337.123.613.45.7

注：噴口氣壓5 bar，噴口直徑4 mm。

3.2 沖洗效果與噴口直徑關(guān)系

保持噴口氣壓5.3 bar，噴口至瓶底距離101.7 mm，噴口直徑變量范圍2～6 mm。

噴口直徑的平方乘以噴口氣流速度，等于噴口氣流量。噴口氣壓不變，故噴口氣流速度不變，氣流量與噴口直徑的平方呈等比關(guān)系。

仿真結(jié)果如表2所示，隨噴口直徑增加，氣流量增加，瓶體各部分壁面切應(yīng)力均上升，沖洗效果提升。瓶底最大壁面切應(yīng)力與氣流量大致呈線性關(guān)系；瓶底最小、瓶身最大、底部拐角壁面切應(yīng)力與噴口直徑大致呈線性關(guān)系。

表2 壁面切應(yīng)力與噴口直徑關(guān)系

噴口直徑/mm246 瓶底最大壁面切應(yīng)力/Pa146.66181 443 瓶底最小壁面切應(yīng)力/Pa1.337.0611.96 瓶身最大壁面切應(yīng)力/Pa24.23103.7207 底部拐角壁面切應(yīng)力/Pa1.9410.0616.51

注：噴口氣壓5.3 bar，噴口至瓶底距離101.7 mm。

3.3 沖洗效果與噴口氣壓關(guān)系

保持噴口至瓶底距離20 mm，噴口直徑4 mm，噴口氣壓變量范圍5～20 bar。

仿真結(jié)果如表3所示，隨噴口氣壓增加，瓶體各部分壁面切應(yīng)力上升，且與噴口氣壓大致呈線性關(guān)系。

表3 壁面切應(yīng)力與噴口氣壓關(guān)系

噴口氣壓/bar5101520 瓶底最大壁面切應(yīng)力/Pa1 4632 7011 236956.8 瓶底最小壁面切應(yīng)力/Pa2967103.8139 瓶身最大壁面切應(yīng)力/Pa161302440580 底部拐角壁面切應(yīng)力/Pa4386122177

注：噴口至瓶底距離20 mm，噴口直徑4 mm。

4 分析與建議

灰塵顆粒更易堆積于底部，瓶底最小壁面切應(yīng)力是衡量沖洗效率的關(guān)鍵數(shù)值。通過上述仿真，結(jié)合各變量因素進(jìn)行線性擬合后，得到以下方程：

bm=﹣0.317 1+35.574，（=5，=4）

bm=2.657 5－3.846 7，（=5.3，=101.7）

bm=7.336－7，（=20，=40）

其中，bm為最小壁面切應(yīng)力，Pa；為噴口至瓶底距離，mm；為噴口氣壓，bar；為噴口直徑，mm。

整合上述方程，得到以下簡化公式：

bm=7.336－0.317 1+2.657 5－10.234 3

基于該公式，讓噴口靠近瓶底能提升沖洗效果，但提升幅度有限，即無限接近于0；增加噴口直徑對沖洗效果的提升則受限于瓶口直徑，常規(guī)酒瓶瓶口直徑6 mm，考慮噴嘴壁厚，噴口最大允許直徑為4 mm；噴口氣壓是對瓶底最小壁面切應(yīng)力影響最大的因素，提升噴口氣壓需在滿足不超過壓力容器氣壓上限的同時，保證氣流沖擊力不會使瓶體破裂。

在玻璃表面沖洗具有較強黏附性的灰塵顆粒，壁面切應(yīng)力需要約99.64 Pa[5]。根據(jù)簡化公式，假設(shè)噴口無限接近瓶底，噴口直徑4 mm，為滿足100 Pa的瓶底最小壁面切應(yīng)力，噴口氣壓需達(dá)14 bar，玻璃瓶最大能承受約15 bar的氣壓沖擊。

綜上，提升沖洗效果的有效方法是增大噴口氣壓、增加沖洗氣流流量。氣體在輸氣管道中存在壓力損失，噴口氣壓越大，壓力損失越大，兩者呈等比關(guān)系。為減小壓力損失，需優(yōu)化管道設(shè)計，例如優(yōu)化管路拐角和管路直徑等。

5 結(jié)論

本研究中，波爾多瓶搭配直噴噴嘴的模型被用于CFD仿真。瓶體沖洗效果主要與噴口至瓶底距離、噴口直徑、噴口氣壓有關(guān)，其中噴口氣壓對沖洗效果影響最大。為進(jìn)一步提升沖洗效率，需在優(yōu)化管道設(shè)計的同時，增加沖洗氣流流量。

［1］JENSEN B，F(xiàn)RIIS A.Critical wall shear stress for the EHEDG test method［J］.Chemical engineering and processing，2004，43（7）：831-840．

［2］VERSTEEG H，MALALASEKERA W.An introduction to computational fluid dynamics:the finite volume method［M］.2nd ed.Prentice Hall:Essex，2007.

［3］何茵楠，宋赫男.醫(yī)用射流錐直型噴嘴流動特性仿真研究［J］.液壓與氣動，2020（4）：140-144．

［4］陳冰冰，張立，閆如忠.磨料射流噴嘴壓力場與速度場的研究［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2020（1）：47-50．

［5］TAN C，GAO S，WEE B，et al.Adhesion of dust particles to common indoor surfaces in an air-conditioned environment［J］.Aerosol science and technology，2014，48（5）：541-551.

2095－6835（2021）06－0008－02

TH137

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.06.003

龔敏浩（1994—），男，碩士，設(shè)計員，助理工程師，研究方向為航空航天、機械工程和流體力學(xué)。

〔編輯：丁琳〕