徐彥喆，王驍，吳雪，劉斌

（北京工商大學人工智能學院，北京 100048）

高壓均質(zhì)操作以高壓往復泵為動力傳遞和物料輸送機構(gòu)，將液態(tài)原料輸送至均質(zhì)閥，在強烈的剪切、撞擊、空化等作用下，液態(tài)物料被超微細化[1-2]。均質(zhì)閥是該操作的關(guān)鍵組件，高壓均質(zhì)閥由盤隙閥、直孔閥[3]，發(fā)展到具有多形式作用腔的閥體結(jié)構(gòu)，在不同閥體內(nèi)剪切、摩擦等作用存在差異。以APV Gaulin高壓均質(zhì)機為代表的傳統(tǒng)均質(zhì)閥為盤隙閥，研究人員[4-7]通過試驗和數(shù)值模擬得出，APV Gaulin高壓均質(zhì)閥的細胞破碎率與沿流道分布的壓力梯度、流體與固壁的撞擊以及剪切作用相關(guān)。高壓射流均質(zhì)機（也常被稱為微射流均質(zhì)機）的閥體多為直孔閥和多形式作用腔閥體，作用腔有“Z”型和“Y”型等[8-9]，由于作用腔結(jié)構(gòu)的復雜變化，摩擦或高強度撞擊和空化作用增強，則均質(zhì)效果更好。楊柳怡[10]、劉競男等[11]采用高壓均質(zhì)機分別對大米蛋白、大豆分離蛋白乳液進行均質(zhì)處理，發(fā)現(xiàn)二者粒徑均隨壓力增大逐漸減小，但隨均質(zhì)次數(shù)增加，粒徑先減小后增加。Shirgaonkar等[12]應用高壓均質(zhì)機處理碘化鉀溶液和破碎酵母菌液，提出高壓均質(zhì)過程空泡潰滅造成的巨大沖擊對酵母菌胞內(nèi)物釋放有明顯影響。吳海濤[13]通過微射流均質(zhì)機對野生黑豆蛋白進行處理后，其溶解性、表面疏水性及乳化活性都得到明顯改善。李存紅等[14]通過應用分析得出高壓均質(zhì)機不適宜高黏度的物料；而微射流均質(zhì)機可以使原料的超微細化程度更高，且處理后的產(chǎn)品具有不沉淀、高膠狀和高穩(wěn)定性等優(yōu)點。

本文以短程射流共點交匯對撞閥（簡稱交匯對撞閥）為研究對象，該閥體設計遵循能加工、易安裝、易清洗、抗堵塞的原則，旨在增強閥體內(nèi)部各種機械力作用的微細化效果，在高壓射流均質(zhì)機內(nèi)應用比“Y”型和“Z”型作用腔更為復雜的腔體結(jié)構(gòu)，利用多物理場仿真軟件COMSOL結(jié)合直孔閥作用腔流場的對比，分析交匯撞擊閥內(nèi)部的剪切、撞擊和空化等，并結(jié)合超微細化纖維素試驗，分析閥體內(nèi)部強化微細化效果的機械力作用機理，為高壓射流均質(zhì)機的閥體設計提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

纖維素（化學級，90 μm微粉）：中國aladdin公司。

NCJJ-200型高壓射流均質(zhì)機：廊坊通用機械制造有限公司；601型磁力攪拌器：上海三信儀表廠；Phenom XL型臺式掃描電鏡：荷蘭Phenom-world公司。

1.2 方法

1.2.1 交匯對撞閥作用腔流場分析

1.2.1.1 構(gòu)建閥體作用腔

高壓射流均質(zhì)機的閥體形式多樣。通常形成直孔作用腔的是直孔閥；形成“Y”型作用腔的多為對撞閥；形成“Z”型作用腔的多為折向孔閥，相同壓力下，直孔閥的液流速度梯度大、剪切作用強；而折向孔閥的碰撞、湍流作用明顯；對撞閥則強化了射流撞擊作用。閥體結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 閥體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of homogenizing valve

空化作用[15]是液流內(nèi)局部壓力降低，液流內(nèi)部或固液界面上蒸汽或氣體空穴（空泡）的形成、發(fā)展和潰滅的過程。在描述空化作用時經(jīng)常用到無量綱參數(shù)空化數(shù)σ[16]，其計算公式如下。

式中：P∞為液體的來流壓力，Pa；V∞為液體的來流流速，m/s；ρ為液體密度，kg/m3；PV為液體在環(huán)境溫度下的飽和蒸氣壓，Pa。其中空化數(shù)越小，空化越劇烈。

交匯對撞閥的技術(shù)要點及預期效果[17]包括：1）在閥孔內(nèi)造就速度漸升的高速液流，促進真空泡形成；2）通過縮短射流的管程，減少蒸汽泡的產(chǎn)生和抑制蒸汽泡的發(fā)育；3）利用多股射流在閥孔出口處共點交匯形成的“水力靶板”效應，使液流速度下降和壓力升高，實現(xiàn)多股射流對撞造成空泡的集中與潰滅，產(chǎn)生沖擊能的匯聚；4）利用形成射流對撞，將離開閥孔的高速射流中的無效動能進一步轉(zhuǎn)化為沖擊破碎能，提高能效。

在化學氣相沉積法制備的人造金剛石閥基上，應用激光刻蝕方法加工出微槽流道結(jié)構(gòu)，制備交匯對撞閥，應用在高壓射流均質(zhì)機上。

后續(xù)為分析交匯對撞閥微細化作用機理，與工程上常用的直孔閥進行了對比。圖1（a）中，交匯對撞閥由閥蓋和微槽閥片組成。閥蓋直徑Φ10 mm，厚2 mm，中心相距2.5 mm的對稱通孔（Φ0.5 mm）是流體的入口。閥片直徑Φ10 mm，厚3 mm，中心Φ1 mm通孔為流體的出口；閥片左側(cè)端面開有外徑Φ3 mm、內(nèi)徑Φ2 mm的環(huán)槽，槽深0.2 mm；在環(huán)槽中央Φ2 mm的圓面上，采用激光刻蝕方法均勻加工出12條放射狀微槽流道（槽寬0.07 mm，深0.07 mm）。如圖1（b）所示，直孔閥由入口閥蓋、直孔閥片和出口閥蓋組成，入口閥蓋直徑Φ10 mm，厚6 mm，出口閥蓋直徑Φ10 mm，厚10 mm，入口和出口閥蓋中心開有Φ4 mm通孔，分別為流體的入口和出口，直孔閥片直徑Φ10 mm，厚3 mm，在Φ3mm圓周上均勻分布3個Φ160 μm的微直孔。兩種閥體內(nèi)流動最窄處截面積相當，為0.059mm2～0.060mm2，在相同的增壓泵推動速度下，操作壓力一致，或通過微調(diào)增壓泵推動速度，保持操作壓力一致。

如圖1（a）所示，交匯對撞閥的設計保留了微槽流道的兩次90°轉(zhuǎn)折（近“Z”型）和流道對向分布（與“Y”型具有類似的撞擊效應）[18]，同時設計中也包含了空化效應的合理規(guī)劃、有效控制和高效利用，相關(guān)文獻[19-21]中多有閥體空化效應分析，但在閥體設計中考慮規(guī)劃和利用空化效應卻鮮有描述。閥體作用腔計算域模型見圖2。

圖2 閥體作用腔計算域模型Fig.2 The solution domain of homogenizing valve chamber model

圖1（a）交匯對撞閥內(nèi)，流體通過閥蓋入口，進入閥片的環(huán)槽結(jié)構(gòu)，從放射狀微槽流道外圍向中心匯聚，最終通過閥體出口流出。根據(jù)圖1（a）可知，流體通過的作用腔與X軸和Y軸皆對稱，因此取1/4作用腔作為計算域模型，以此縮短仿真計算時間。計算域網(wǎng)格劃分如圖2（a）所示，選用混合型網(wǎng)格，保證網(wǎng)格質(zhì)量在一個較好范圍，網(wǎng)格數(shù)為113 161。

圖1（b）直孔閥內(nèi)，流體通過入口閥蓋的通孔進入直孔閥片的微直孔道，最終通過出口閥蓋的通孔流出。根據(jù)圖1（b）得到流體通過的作用腔作為計算域模型，網(wǎng)格劃分如圖2（b）所示，選用混合型網(wǎng)格，保證網(wǎng)格質(zhì)量在一個較好范圍，網(wǎng)格數(shù)為336 305。

1.2.1.2 計算流體動力學分析方法

為更好地分析高壓射流過程中壓力釋放、剪切、摩擦撞擊、空化等作用，流動的連續(xù)性方程和標準模型起到了關(guān)鍵作用[22-23]。均質(zhì)過程通常在瞬時模式下運行。從Kleinig等[24]的試驗可以看出，每次均質(zhì)操作固定時間內(nèi)均有穩(wěn)定的壓力和合理的閥門間隙，閥門的運行能被模擬成一個穩(wěn)態(tài)過程[6]。

在1.2.1.1構(gòu)造的作用腔模型計算域內(nèi)，設置流體為牛頓流體，單相流，并被認為不可壓縮。設置流道入口和出口為壓力入口和壓力出口，分別為130 MPa和0.1013 MPa，其余為固壁邊界。為了保證對比的合理性，交匯對撞閥和直孔閥的物理場參數(shù)設置一致。由雷諾數(shù)計算公式Re=ρVde/μ可知，流體通過交匯對撞閥和直孔閥的流動雷諾數(shù)均大于臨界雷諾數(shù)，為湍流模型，其中Re為雷諾數(shù)；ρ為流體的密度，kg/m3；V為流體速度，m/s；de為特征長度，m；μ 為流體的黏性系數(shù)，Pa·s。忽略分子間黏性，湍流計算模型采用k-ε模型進行數(shù)值模擬，基本控制方程和湍流模型如下。

單相流體流動界面基于Navier-Stokes方程[22，25]，用不可壓縮的流體進行仿真，計算公式如下。

其動量方程如下。

式中：P為流體微元體上壓強，Pa；I為湍流強度，%；K 為黏性應力張量，Pa；F 為體積力矢量，N/m3。

黏性應力張量可由如下方程表示。

式中：μ 為動力黏度，Pa·s；μT為湍動黏度，Pa·s。

標準模型是典型的兩方程模型，其中，k和ε是兩個基本未知量，其輸運方程如下。

式中：k 為湍動能，m2/s2；σK為常數(shù)，通常取 1；Pk為剪切引起的湍動能產(chǎn)生項，Pa；σε為常數(shù)，通常取1.3；Cε1為常數(shù)，通常取 1.44；Cε2為常數(shù)，通常取 1.92；ε 為湍動能耗散率，m2/s3。

依據(jù)1.2.1.1中的閥體作用腔計算域模型、邊界條件、初值等相關(guān)設置，求解流場控制方程公式（2）～（6），計算變量殘差降低到設定的10-4即收斂，獲得閥體作用腔流場壓力和速度等物理量的數(shù)值分布。

1.2.2 超微細化纖維素制備

用去離子水在常溫（20℃）下配制1.5%纖維素水分散液，將磁力攪拌器速度設置為500 r/min，對纖維素水分散液進行充分攪拌2 min，分成兩份。將1份1.5%纖維素水分散液通過安裝有交匯對撞閥的高壓射流均質(zhì)機，調(diào)整工作參數(shù)，操作壓力穩(wěn)定后處理3次，處理壓力分別為90、110、130 MPa左右。將另1份1.5%纖維素水分散液通過安裝有直孔閥的高壓射流均質(zhì)機，調(diào)整工作參數(shù)穩(wěn)定操作壓力處理3次，處理壓力分別為 90、110、130 MPa。

1.2.3 超微細化纖維素物性檢測

完成1.2.2相關(guān)試驗步驟后，均勻取少量纖維素原液和分別由不同閥體高壓射流均質(zhì)處理的纖維素水分散液，將其濃度稀釋到0.06%，均勻攪拌后，分別從分散液上部、中部、下部各取1滴至樣品臺導電膠上，即每個纖維素水分散液樣品制得3個電鏡觀察測試樣品，60℃烘箱處理4 h，隨后噴金90 s，在10 kV電壓下進行掃描電鏡觀察。

分別將由不同閥體高壓射流均質(zhì)處理的纖維素水分散液放入50 mL試管中并靜置48 h，觀察并估算纖維素水分散液樣品的固形物體積占比。

2 結(jié)果與分析

2.1 流速分析

流場內(nèi)部相鄰區(qū)域的速度差異是流體剪切作用的重要體現(xiàn)，而流動過程中速度突變則反映了流體撞擊作用的強弱，這些都是物料被超微細化的重要因素。圖3為交匯對撞閥和直孔閥作用腔模型被XOZ面截切的斷面上流體速度變化圖。

圖3 閥體作用腔XOZ斷面速度云圖Fig.3 Velocity color chart of XOZ plane in homogeneous valve chamber

由圖3（a）可知，流動速度在環(huán)槽與微槽流道連接處從0迅速增大到400 m/s以上，最大速度453 m/s，并一直保持至微槽流道出口，與對面微槽流道射出的流體撞擊，對稱中心位置流速幾乎為0，此后流體90°轉(zhuǎn)向合并流出。由圖3（b）可知，流動速度在微直孔道的入口從0迅速增大到400 m/s以上，最大速度481 m/s，在微直孔道出口后面逐漸衰減。比較可知，圖3（a）微槽流道內(nèi)和圖3（b）微直孔道內(nèi)的速度變化趨于一致，流體剪切和摩擦作用相當；而相比于圖3（b）微直孔道出口后面的速度變化，圖3（a）微槽流道出口后大范圍區(qū)域內(nèi)因射流撞擊造成的速度突變和速度差異明顯，因此交匯對撞閥的剪切、湍流、撞擊等作用更強。

圖4為交匯對撞閥作用腔模型YOZ斷面速度云圖。

由圖4可知，射流撞擊不只發(fā)生在相對兩股射流之間，放射狀微槽流道的多股射流同時向中心交匯形成共點撞擊，在中心Φ2 mm圓周范圍內(nèi)速度急劇下降為0，在此流體因撞擊作用而造成速度急降，且因90°轉(zhuǎn)向流出造成的流體摩擦或湍動程度加劇，皆強化了高壓射流過程的超微細化效果，這些效果在直孔閥內(nèi)是不存在的，“Z”型作用腔內(nèi)僅有流體轉(zhuǎn)向造成的摩擦或湍動程度加劇，“Y”型作用腔內(nèi)僅流體撞擊作用明顯。

圖4 交匯對撞閥作用腔YOZ斷面速度云圖Fig.4 Velocity color chart of YOZ plane in collision nozzle chamber

圖5為交匯對撞閥放射狀微槽流道中心線和直孔閥微直孔流道中心線的速度變化圖。

圖 5（a）中，在微槽流道入口（Z=1 mm）附近，速度迅速上升至最大431 m/s，在微槽流道內(nèi)起伏波動，直至微槽流道出口（Z=0.5 mm）速度達到396 m/s，短距離內(nèi)（Z=0.5 mm至Z=0 mm位置）射流交匯撞擊作用導致速度迅速下降至43 m/s以內(nèi)。圖5（b）中，在微直孔流道入口（X=6 mm），速度上升相對緩慢，且在較長的距離內(nèi)速度提升，在X=6.10 mm處上升至481 m/s，微直孔流道內(nèi)速度變化緩慢，出口（X=9 mm）速度為399 m/s，短距離內(nèi)（X=9 mm至X=9.5 mm位置）速度僅下降至208 m/s。微槽流道中心線速度變化趨勢也說明交匯對撞閥內(nèi)流體的剪切、湍動、摩擦作用更加強烈。

圖5 閥體微槽流道中心線速度變化Fig.5 Velocity change on the central flow line of microflow channel in homogeneous valve

2.2 壓力分析

流場壓力變化反映流體在流動過程中的剪切和空化作用的強弱。交匯對撞閥放射狀微槽流道和直孔閥微直孔流道入口XOZ面的壓力變化如圖6所示。

圖6 閥體微槽流道入口XOZ面壓力云圖Fig.6 Pressure color chart of XOZ plane of the microflow channel inlet in homogeneous valve

如圖6所示，在交匯對撞閥放射狀微槽流道和直孔閥微直孔流道入口附近，微槽流道入口之前壓力為最大值，且在流道入口處出現(xiàn)明顯的壓力驟降，壓力梯度較大，此處流體靜壓能轉(zhuǎn)化為動能，導致流體速度急劇上升，流道內(nèi)發(fā)生強烈的流體剪切與摩擦作用。圖6（a）中交匯對撞閥微槽流道入口壓力云圖顏色過渡不光滑，表明相鄰位置壓力差值不均勻；而圖6（b）中直孔閥微直孔流道入口壓力云圖顏色過渡光滑且沿流道中線基本對稱，說明相鄰位置壓力差值相對均勻。

交匯對撞閥和直孔閥的微槽流道XOZ面的壓力變化如圖7所示。

圖7 閥體微槽流道XOZ面壓力云圖Fig.7 Pressure color chart of XOZ plane of the microflow channel in homogeneous valve

圖7 （a）中，在交匯對撞閥放射狀微槽流道出口，存在因流體撞擊效應出現(xiàn)的共匯撞擊區(qū)，此處壓力回升至5 MPa～22 MPa，其余大范圍區(qū)域為明顯的負壓區(qū)。對于空化作用而言，壓力降低可以促使空泡生長或膨脹至消亡，在圖7（b）中負壓區(qū)即發(fā)生此種情況，而空泡膨脹直至消亡對周圍液體物料的沖擊作用遠不及空泡生長或發(fā)展后因壓力回升而向內(nèi)潰滅造成的沖擊作用，而圖7（a）顯示在流體從微槽流道射出的正前方存在有利于空泡向內(nèi)潰滅的共匯撞擊區(qū)（壓力回升區(qū)），說明此處的空化效應更強。

2.3 湍動能分析

流體通過狹縫時會產(chǎn)生不完全的混沌運動，在每個點和時間尺度上的流體運動之間存在關(guān)聯(lián)性，這些連貫的結(jié)構(gòu)被稱為湍流漩渦，湍動能是衡量流體湍流漩渦發(fā)展的有效指標，湍動能越大表明湍動長度和時間的尺度越大[8，26]，交匯對撞閥放射狀微槽流道和直孔閥微直孔流道出口后大范圍區(qū)域內(nèi)的湍動能等值線如圖8所示。

圖8 閥體微槽流道出口XOZ面湍動能等值線圖Fig.8 Turbulence energy contour line of XOZ plane of the microflow channel outlet in homogeneous valve

圖8（a）中，在微槽流道出口后大范圍區(qū)域內(nèi)湍動能最大為1.46×103m2/s2，近壁處和出口遠端分別為336、187 m2/s2，圖8（b）中微直孔流道出口后大范圍區(qū)域內(nèi)湍動能最大值為129 m2/s2，近壁處和出口遠端分別為25.8、15.5 m2/s2。與直孔閥微直孔流道出口后大范圍區(qū)域內(nèi)湍動能保持在較低數(shù)值不同，交匯對撞閥放射狀微槽流道出口后大范圍區(qū)域內(nèi)湍動能較大，湍動能最大值高出10倍左右。湍流形成的條件是湍動能的激增，強烈的湍流增加了物料顆粒的碰撞概率以及分散率，進而促使料液中的顆粒進一步微細化。Kumar等[27]通過試驗指出空化與湍動能和湍動能耗散率等因素有關(guān)，強烈的湍流增大了物料顆粒的碰撞概率和分散率，因而使空泡產(chǎn)生的概率增大，促進了空化作用的形成，從另一側(cè)面表明在交匯對撞閥放射狀微槽流道出口大范圍區(qū)域內(nèi)空化效應更加明顯。

2.4 纖維素超微細化粒徑分布

交匯對撞閥和直孔閥高壓射流處理纖維素的電鏡觀察結(jié)果如圖9、圖10所示。

隨著高壓射流處理次數(shù)的增加，纖維素微纖的直徑和長度不斷減小。對比圖9、圖10中的每一次高壓射流均質(zhì)結(jié)果，共點交匯對撞閥的微細化效果更好，表現(xiàn)在纖維素桿狀微纖的直徑和片狀微纖的寬度更小，說明應用交匯對撞閥的高壓射流處理對纖維素原纖的剝離和撕裂作用更強。3次高壓射流均質(zhì)處理的纖維素水分散液靜置狀態(tài)見圖11。

圖9 交匯對撞閥處理的纖維素掃描電鏡觀察Fig.9 SEM images of cellulose treated by collision nozzle

圖10 直孔閥處理纖維素掃描電鏡觀察Fig.10 SEM images of cellulose treated by straight hole nozzle

圖11 3次高壓射流均質(zhì)處理的纖維素水分散液靜置后觀察Fig.11 Observation of cellulose aqueous dispersion treated by high press jet homogenization for three times

如圖 11（a）、圖 11（b）所示，每種閥體的第 2 次高壓射流處理比第1次獲得了更大的固形物體積占比，而每種閥體的第3次高壓射流處理并未比第2次獲得更大的固形物體積占比，但應用交匯對撞閥的每一次高壓射流均質(zhì)處理皆比直孔閥獲得更大的固形物體積占比。如圖11（c）所示，3次高壓射流均質(zhì)處理后，應用交匯對撞閥處理后纖維素水分散液的固形物占比約為75%，而直孔閥處理后結(jié)果約為53%。圖11說明應用交匯對撞閥的高壓射流均質(zhì)過程將纖維素原纖物理解離成了直徑更小長度更短的纖絲，數(shù)量龐大的纖絲纏繞無序堆積占據(jù)大量的空間體積，纖絲間的微空隙增加，從而造成了纖維素水分散液的固形物體積占比增大。

結(jié)合2.1～2.3中關(guān)于交匯對撞閥的剪切、撞擊、空化和湍流作用的分析，交匯對撞閥的設計中，閥體內(nèi)部形成流體轉(zhuǎn)向（近“Z”型）、短程射流、共點交匯（“Y”型原理）的結(jié)構(gòu)，強化了撞擊、空化、湍流效應以及幾種作用的相互影響；而纖維素的超微細化纖維素試驗也表明，交匯對撞閥的纖維素微細化效果更好，說明強化空化與撞擊作用的閥體設計能夠獲得更好的微細化效果。

3 結(jié)論

交匯對撞閥放射狀微槽流道內(nèi)和出口區(qū)域的流體剪切、湍動、摩擦作用增強；微槽流道出口的交匯撞擊區(qū)，存在利于空泡向內(nèi)潰滅的壓力回升區(qū)，此處及臨近區(qū)域空化效應增強；而交匯對撞閥出口的湍動能是直孔閥相同區(qū)域的10倍以上，表明了湍動效應明顯增強。電鏡觀察結(jié)果表明交匯對撞閥對纖維素微纖的直徑和長度尺寸縮減更加有效；相同操作條件下，交匯對撞閥處理的纖維素水分散液固形物體積占比約為75%，而直孔閥處理后約為53%，試驗結(jié)果皆說明交匯對撞閥纖維素的微細化效果更加明顯。閥體內(nèi)機械力作用分析與試驗結(jié)果的一致性表明，通過形成流體轉(zhuǎn)向、短程射流、共點交匯的閥體設計，強化撞擊、空化、湍流效應以及不同作用間的相互影響，交匯對撞閥獲得了更好的纖維素微細化效果。以上結(jié)果可為后續(xù)均質(zhì)閥設計和優(yōu)化提供思路和技術(shù)支持。