引言
植物油主要是植物性原料通過機械壓榨或溶劑萃取等方法制造而成的。壓榨法制油是通過機械外力作用將油脂從植物中分離出來的制油方法,壓榨過程大致分為三個階段—輸送階段、主壓榨階段及最終壓榨階段,其中除了生物學(xué)現(xiàn)象,還有榨膛內(nèi)多物理場的變化。目前,對螺旋壓榨機的仿真模擬研究多集中在榨螺受力分析上,對榨膛流場域的研究較少。內(nèi)部油料與榨螺之間相互擠壓的過程屬于流固耦合問題,需要運用流體力學(xué)知識解決,而流體力學(xué)本身比較復(fù)雜,一般借助計算流體力學(xué)方法進行仿真研究。本文利用F1uent軟件,研究油料壓榨過程中腔體內(nèi)部的流固耦合,對榨膛內(nèi)流場濃度的變化情況進行分析。
1螺桿模型和參數(shù)設(shè)定
本文采用圖1所示的螺旋螺桿模型,總長1285mm,最大螺桿外徑178mm。
圖1螺桿模型
為了便于計算以及避免碰壁現(xiàn)象[5],流場的圓柱體直徑取200mm,長度和螺桿總長相同,建立如圖2所示的流場域。研究中假設(shè)油均為流體介質(zhì)且為連續(xù)的、黏性不可壓縮的非牛頓流體,流動視為層流,并且認為油料與榨膛內(nèi)壁接觸不產(chǎn)生滑移,壓榨中油料充滿榨膛。
圖2螺桿流場域
選用四面體單元對流場進行網(wǎng)格劃分,結(jié)果如圖3所示。螺桿為鋼材,建模時考慮重力,重力加速度為9.8m/s2。采用歐拉多相流模型,將物料設(shè)置為第一相,油設(shè)置為第二相。設(shè)置油的導(dǎo)熱系數(shù)0.0242w/(m·K),密度900kg/m3,比熱容1006.43J/(kg·K),黏度0.01Pa·s。
將左側(cè)流道入口設(shè)為壓力進口端,壓力的范圍為6~8MPa:右側(cè)端口設(shè)為壓力出口端,為大氣壓:榨膛內(nèi)溫度范圍為60~80℃:外壁面設(shè)為第三類邊界條件,設(shè)置換熱系數(shù)為5w/(m2·K),螺桿以40r/min勻速轉(zhuǎn)動,采用sIMPLEC算法,設(shè)置最大迭代步數(shù)為2000,對流場進行求解計算。
圖3流場域網(wǎng)格
2仿真分析
隨著螺桿轉(zhuǎn)動帶動油中粒子的運動,流場中油的體積分數(shù)也會發(fā)生變化,如圖4所示,可以在縱截面上看到花生油體積分數(shù)的分布,進口端的體積分數(shù)小于出口端的體積分數(shù),主要是因為油料一開始進入到輸送段,受螺旋轉(zhuǎn)動的影響向前輸送,油的體積分數(shù)相對較小,隨后進入到一級壓榨階段,油料受到的螺桿與榨膛擠壓作用變大,此時油的體積分數(shù)開始逐漸變大,再順序進入到二到五級壓榨段,壓榨效果越來越明顯,體現(xiàn)了充分壓榨的過程。
圖4螺桿縱截面的濃度分布
為了充分展示壓榨過程,設(shè)定壓力值不變,觀察溫度改變對油的體積分數(shù)產(chǎn)生的影響,如圖5所示。
設(shè)定溫度不變,觀察壓力改變對油的體積分數(shù)產(chǎn)生的影響,如圖6所示。
從圖5可以看出,隨著溫度的升高,油的體積分數(shù)是逐漸變大的,因此溫度的變化會對油的體積分數(shù)產(chǎn)生影響,在一定范圍內(nèi),溫度越高,體積分數(shù)就越大。從圖6可以看出,隨著壓力的升高,體積分數(shù)也是逐漸變大的,因此壓力的作用也會對油的體積分數(shù)產(chǎn)生影響,在一定范圍內(nèi),壓力越大,體積分數(shù)越大。
3結(jié)語
本文采用計算流體力學(xué)原理,研究了螺桿壓榨機榨膛內(nèi)流體濃度的變化情況,通過流固耦合分析,得到榨膛內(nèi)縱橫界面流體濃度變化,并考慮溫度和壓力的變化。結(jié)果表明,體積分數(shù)隨著壓榨進程發(fā)生變化,基本呈現(xiàn)遞增狀態(tài):在一定范圍內(nèi),壓力不變時,溫度越高,體積分數(shù)越大:溫度不變時,壓力越大,體積分數(shù)也越大。
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