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基于Fluent砂糖橘空气破皮效果模拟

2021-03-18韦进文阮士倡

广东蚕业 2021年1期
关键词:脐部砂糖果皮

韦进文 阮士倡

(广西大学 广西南宁 530000)

砂糖橘作为柑橘类水果的一种,其果皮特性相较于其他品种柑橘类水果较脆,容易碎裂,现有的机械加工去皮方法不利于对其进行果皮剥离[1]。文章提出一种高压空气内爆的砂糖橘去皮方法,即往果实内部注入高压空气使果皮爆裂,通过Fluent 建模仿真,讨论该方法对砂糖橘果皮的破坏情况,并与实验结果相比较。

1 实验设计

为方便后续建模,采用Box-Benhnken 中心组合实验设计方法,得到的实验设计的因素与水平表如表1所示。

对于气嘴的压力范围,考虑到自行车胎内气压可以达到8 个大气压,但砂糖橘果皮易碎,在一定压力下果皮会发生破裂,故气嘴压力范围试选取5~8 个大气压。对于气嘴出口数量,分别为2、3、4 个。对于果皮内部间隙,根据经验选取为1.5~2 mm。

2 流场理论分析

Fluent 软件在计算流体力学的研究中起着重要作用[2],可用于流体力学与热力学方面的分析。基于有限体积法,用待求解微分方程对所有控制方程积分,得到离散方程组。

使用Fluent 软件对空气在果内流动的流场进行分析,则应当满足质量守恒方程、动量守恒方程以及能量守恒方程[3,4]。

(1)质量守恒方程

(2)动量守恒方程

(3)能量守恒方程

3 破皮效果仿真模拟

由于Fluent 所建立的模型是流道模型,即模仿的是空气在果实中所能流动的区域。根据表1中果皮内隙建立流体模型,进行一些优化,将原本以四面体为主的网格进行部分分割,以六面体网格的方式进行划分,网格模型如图1所示。

图1 网格模型

将网格化的模型导入Fluent 中,选择流体类型为空气,将空气设置为理想气体,设置入口边界条件为压力入口边界条件,出口边界设置为压力出口边界条件,压力值为标准大气压101 325 Pa,外层果皮设置为壁面边界条件,采用SIMPLE 算法计算。

图2 仿真效果

对建立的流道模型进行计算求解,得到其仿真结果如图2所示。由仿真结果可以看出,其高压分布区域位于气体从气嘴喷出接触果皮的区域,则最高压区域中的果皮最可能发生开裂破坏。气孔数量的变化,可能会导致果皮破裂时所产生的破坏裂纹数量不同,因此需要对实物进行验证。

4 模拟效果的实物实验验证

利用实物对上述仿真实验结果进行验证,实验所用砂糖橘为市场所卖新鲜砂糖橘,实验装置包括空压机、气嘴等。由于果实内隙不便测量,故对控制表1中的因素a和因素b进行实验。选择砂糖橘的脐部和侧面两个不同部位进行充气,并以图像记录果皮的开裂情况,以气孔数量为2 的圆形截面气嘴的实验结果为例,如图3所示。

图3 脐部与侧面破裂情况

由实验所得结果图像与仿真结果图像对比,在脐部位置进行充气时,所得到的果皮破裂情况图像中一部分与仿真结果有所不同,除了沿气体射流方向发生破裂外,还形成了其他方向的裂缝;而在果实侧面充气时,所得到的破裂情况与仿真结果预测情况基本一致,出现这一情况的原因可能是仿真模型理想化所导致。

5 结论

基于Fluent 软件对砂糖橘高压空气破皮进行建模仿真,预测其果皮的破裂情况,并通过实物实验对仿真预测结果进行验证,在脐部充气时某些结果相差较大,可能需要考虑其他因素;侧面充气时仿真与实物实验结果较为吻合,可以得到相同的破裂情况。

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