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基于不同转速的酱后皮渣分离装置内部流场分析

2017-05-17袁昌富王丽红坎杂冉兵李成松

江苏农业科学 2016年1期
关键词:试验研究番茄酱

袁昌富+王丽红+坎杂+冉兵+李成松

摘要:番茄产业被誉为新疆“红色产业”的龙头,每年产生酱后皮渣20万t以上,深加工潜力巨大。为探索刮板转速对以离心筛分原理与斜板沉降技术相结合的双作用机械化分离装置内部流场和分离质量的影响,在不同刮板转速工况下,对离心筛分装置内部流场模拟研究,采用离散相模型对番茄籽在离心筛分滚筒内部的运动轨迹进行追踪,并通过单因素试验验证,揭示不同刮板转速对酱后皮渣分离质量的显著性影响。

关键词:酱后皮渣;流场分析;试验研究;分离装置;番茄酱

中图分类号:S226.5 文献标志码:A 文章编号:1002—1302(2016)01—0380—03

加工番茄又称工业番茄或酱用番茄,其皮厚汁少,可溶性固形物含量高。新疆地处我国西北边陲,具有独特的光热和水土条件,是仅次于意大利、美国后的世界第三大番茄酱产区,同时也是亚洲最大的番茄生产和加工基地。2012年新疆加工番茄种植面积约5.87万hm2,加工番茄产量为579.46万t,占番茄总产量的84.80%,生产番茄酱62.87万t,产生酱后皮渣20万t以上(约占番茄总量的3%~5%)。酱后皮渣深加工潜力巨大,但因酱后皮渣中除番茄籽、皮外,同时含有少量果梗、果胶及未提取干净的番茄汁,各成分比重相差不大,且在果胶作用下黏结、包裹在一起,造成分离困难。随着现代高性能计算机技术的发展和流体力学的进步,以理论分析、试验研究与数值模拟结合,成为研究流体流动的重要手段,产生了以有限体积法为主要基础的新学科——计算流体动力学(computational fluid dynamics),已在工程技术的各个领域成功应用,具有很强的实用性。

王启龙在机械搅拌制备SiCp/2014复合材料及搅拌过程中应用了标准k-ε模型。韩兴丽在敏化机设计及其搅拌槽内三维流场数值模拟中也选择标准k-ε模型。安自成在机械搅拌槽流场的粒子图像测速技术(parirle image veloci-metry,PIV)试验研究及数值模拟中发现RNGk-ε模型和大涡模拟所得到的流场分布图基本上都能与试验相匹配。郭立栋应用波浪数值模型耦合模型对斜坡堤上的越浪问题进行研究,分析了越浪过程的流场和紊动特性等。Prajapati等利用流体体积函数(volume of liuid,VOF)模型对流过绝热毛细管的制冷剂进行数值计算,模型的数值模拟预测与试验结果非常一致。封立英利用VOF模型对混凝土搅拌输送车搅拌筒内的自由液面及出料情况进行模拟分析,并对设计提出建议。钱忠东等将水沙视为互相渗透的连续介质,并充分考虑水沙问以及沙粒之间的相互作用,对二维淹没射流作用下的无黏性沙床冲刷进行数值模拟。龚希武等对颗粒相(沙)进行拟流体化处理,对近岸水域水平流环境下的潮流行为与海床泥沙起运、耦合运动机理进行模拟研究。陈鑫等对VOF和Mixture多相流模型在空泡流模拟中的应用进行了对比,结果显示Mixture模型更容易实现复杂多相空泡流动问题的模拟,但模型本身存在较大的数值耗散,不利于精确捕捉相问交界面。

离散相模型预测连续相中,由于湍流涡旋的作用而对颗粒造成影响。李亚林等忽略离散相对连续相的影响,采用相问非耦合法,以示踪粒子作为离散相,对离心泵内示踪粒子运动进行了数值计算;董全成等应用离散相模型(discrete phase model,DPM)对气流式皮棉清理机中的棉纤维以及杂质的运动轨迹进行仿真模拟,并通过现场的加工试验验证,表明数值计算所得出的优化组合和优劣分析是可行的,为气流式皮棉清理机的加工工艺改善提供了依据。Ammar等利用多重参考系模型(multiple reference frame,MRF)模拟挡板长度对搅拌槽内紊流的影响,计算结果与试验数据非常一致;Cao等對一个新式管状搅拌反应器中的流动使用标准k-ε模型和MRF模型进行了模拟,结果显示管内流体流动是湍流流动,且搅拌可以提高反应器的性能;宋淑然等采用MRF模型,将可动风机的转速作为仿真的初始值,利用数值及正交试验的方法,对风送式喷雾机的喷筒结构进行了优化设计,结果显示MRF模型,以风机转速为初始条件,对喷筒出风口速度的数值模拟是可信的。

本研究在离心筛分装置模拟建立和网格划分的基础上,设定初始条件与边界条件,采用VOF多相流模型、离散相模型和动参考系模型,对不同刮板转速工况下离心筛分装置内部流场和番茄籽运动轨迹进行分析,通过单因素试验验证刮板转速的显著性影响,为加工番茄酱后皮渣机械化分离装置的优化提供依据。

1基于不同转速的内部流场分析

1.1数值模拟几何模型建立

采用多重参考系模型模拟初次分离装置内部流场,在SolidWorks建立三维模型时,分刮板转动区、非转动区两部分建立(图1),利用Gambit前处理软件在非转动区减去刮板转动区,得到静止区;在刮板转动区中减去转动刮板片,得到转子区。

1.2几何模型网格划分

网格划分是将建立和分割好的三维实体模型进行连续地离散化,是数值模拟前处理的重要组成部分。Gambit为fluent5/6提供的体网格类型(Elements)有四面体网格、六面体网格、锥形和楔形网格,指定的格式类型(type)有结构化网格、非结构化网格和混合网格。其中,结构化网格内部的所有节点按照一定规则排列,网格区域内所有的内部点都具有相同的毗邻单元,网格生成速度快、质量好,数据结构简单;非结构化网格是指网格区域内的内部点不具有相同的毗邻单元,节点和单元的分布是任意的。由于酱后皮渣双作用分离内部流动复杂,为了更好地模拟分离装备内部流动,将初次分离模型分刮板转动区和非刮板转动区,将二次分离模型分离心筛分区和斜板沉降区,分别进行非结构化网格划分。网格的划分结果如图2所示。

1.3不同刮板转速内部流场分析

在不同刮板转速的工况下,离心筛分滚筒内空气与介质水的两相流云和番茄籽的运动状态如图3所示。

从图3可以看出,在刮板转速为30 r/min时,介质水在离心滚筒内部上升到一定高度后,又反方向落回滚筒底面,番茄籽交叉上升下落向前推进;在转速为60 r/min时,介质水在离心滚筒横截面内上升到一定高度后,近似抛物线下落到滚筒底面,番茄籽在轴向以抛物线下落的形式向出皮口推进;在刮板转速为90 r/min时,介质水与空气相在离心滚筒内相互混合,番茄籽在离心滚筒横截面内做近似圆周运动,在刮板的轴向作用力下,向出皮口推进。

2基于不同刮板转速的单因素试验

通过单因素试验确定刮板转速对皮渣分离净度和溢流损失的影响,试验变量刮板转速取值为30、45、60、75、90 r/min,试验结果见表1。

刮板转速对分离净度和溢流损失影响的变化趋势如图4所示。可以看出,在刮板转速为60 r/min左右时皮渣分离净度取得最优值,溢流损失随着喂入量的增大呈增高趋势。

从方差分析结果(表2、表3)可以看出,刮板转速对皮渣分离净度、溢流损失均存在极显著影响。综合刮板转速对皮渣分离净度、溢流损失的影响(溢流损失控制在5%内),确定刮板转速的水平变化范围为50~65 r/min。

3结论

本研究利用SolidWorks建立离心筛分装置的三维几何模型,并采用Gambit前处理软件进行网格划分和边界条件设定,借助fluent求解器的MRF转动模型VOF多相流模型分析了离心筛分装置内部的流场分布,利用离散相模型追踪皮渣在分离过程的运动轨迹,通过单因素试验确定了刮板转速对酱后皮渣双作用分离的显著性影响。

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