基于FLUENT的易拉罐灌裝閥閥道流場分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

黃 川，李東波，劉延友，何 非，張 敏

(1.南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)(2.南京玻璃纖維研究設(shè)計院 先進(jìn)材料事業(yè)部，江蘇 南京 210012)

基于FLUENT的易拉罐灌裝閥閥道流場分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

黃 川1，李東波1，劉延友2，何 非1，張 敏1

(1.南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)(2.南京玻璃纖維研究設(shè)計院 先進(jìn)材料事業(yè)部，江蘇 南京 210012)

首先運用FLUENT軟件對易拉罐灌裝閥閥道進(jìn)行數(shù)值計算模擬，得出閥道流場分布，然后通過分析流場分布結(jié)果找到閥道結(jié)構(gòu)受最大沖擊以及最大壓力的位置并進(jìn)行優(yōu)化，最終得到提高易拉罐灌裝閥抗沖擊性能以及使出口速度分布均勻的閥道結(jié)構(gòu)，從而提高了灌裝精度并為同類產(chǎn)品優(yōu)化提供依據(jù)。

流體分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；灌裝閥閥道；易拉罐

中國連續(xù)多年保持世界第一大啤酒生產(chǎn)國稱號，快速發(fā)展的啤酒消費業(yè)刺激著啤酒灌裝設(shè)備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]。啤酒灌裝生產(chǎn)線在我國啤酒工業(yè)的促動下積極地吸收國外先進(jìn)技術(shù)并通過不斷地自主創(chuàng)新得已發(fā)展壯大[2]。易拉罐灌裝閥是專門針對易拉罐瓶型開發(fā)的灌裝設(shè)備，由于易拉罐材質(zhì)及瓶口形狀的特殊性，其灌裝機閥道結(jié)構(gòu)不僅需滿足灌裝的精度、泄漏率等要求，而且需要考慮容器的不可施壓性。因而運用FLUENT軟件分析易拉罐灌裝閥閥道流場并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，對于提高灌裝精度有現(xiàn)實意義。

計算流體動力學(xué)方法近年被廣泛應(yīng)用于工程模擬，而FLUENT軟件是計算流體動力學(xué)方法應(yīng)用最廣泛的軟件之一，主要用于氣液流場模擬，能夠準(zhǔn)確模擬出流體的運動狀態(tài)，流場內(nèi)壓力、速度、湍流能量變化等等，為分析灌裝閥內(nèi)流道流場以及優(yōu)化設(shè)計灌裝閥閥道結(jié)構(gòu)提供了具體可實施的方法，對于改善閥道結(jié)構(gòu)，提高灌裝機精度起到重要作用。因此，采用FLUENT軟件模擬流場是進(jìn)行流道結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu)化、評價的常用手段。

1 易拉罐灌裝閥結(jié)構(gòu)簡介

易拉罐材料一般為鋁合金，其中以鋁鐵合金、鋁鎂合金較為常見，由于添加了合金元素使得鋁合金具有良好的塑性變形性能，因而在灌裝過程中不可向容器施加大的壓力，故為保證啤酒穩(wěn)定進(jìn)入易拉罐采用機械式等壓灌裝閥。機械式等壓灌裝閥結(jié)構(gòu)簡單，但其灌裝精度較低；同時由于易拉罐型號規(guī)格是固定的，易拉罐灌裝時是未封蓋狀態(tài)，灌裝口徑大，酒液從灌裝閥道流出到易拉罐的過程穩(wěn)定性低，為保證酒液流入的穩(wěn)定性，灌裝閥閥道內(nèi)結(jié)構(gòu)需增加復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)，因此流體流過閥道時對結(jié)構(gòu)的沖擊力增加，加大了灌裝能量的損失，降低了灌裝效率及精度。圖1為易拉罐灌裝閥實物圖。

圖1 易拉罐灌裝閥

易拉罐灌裝閥主要由酒液灌裝閥、氣動上升裝置以及對中裝置組成。當(dāng)易拉罐由進(jìn)瓶裝置的撥桿撥至托盤后，氣動上升裝置帶動托盤上升至灌裝閥底部，然后易拉罐完成與對中裝置的對中，接著充入CO2氣體以排空容器內(nèi)空氣，最后開始灌裝啤酒。灌裝閥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 易拉罐灌裝閥二維結(jié)構(gòu)圖

灌裝閥主要包括上閥體8、下閥體3、閥芯5、導(dǎo)向桿7、壓簧9，其中導(dǎo)向桿與CO2閥、酒閥相連，灌裝閥閥芯中間的孔用于充CO2氣體，上閥體與下閥體之間的環(huán)形出口主要用于排易拉罐內(nèi)空氣。閥芯與上閥體之間的孔隙主要是用于啤酒灌裝。氣缸帶動導(dǎo)向裝置上升，上閥體壓緊彈簧，閥芯、密封圈4與上閥體分離，酒液通過。閥芯接著上升壓縮彈簧，當(dāng)閥芯底面觸碰到上閥體下部最小直徑處時，閥道閉合，灌裝結(jié)束。圖2中1為易拉罐，2為對中密封裝置，6為密封圈。圖3為閥道結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 易拉罐灌裝閥閥道結(jié)構(gòu)圖

易拉罐灌裝口徑很大，為使酒液順暢流過，在設(shè)計閥道形狀時，須保證酒液兩側(cè)恰與易拉罐壁切合，閥道外邊與易拉罐邊緣切合，閥道出口處內(nèi)側(cè)邊與易拉罐外邊平行，這種結(jié)構(gòu)使得原本順暢簡單的閥道結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，從而加大了灌裝能量損失，降低灌裝精度及效率。因此運用計算流體力學(xué)軟件對其進(jìn)行建模仿真，分析閥道流場，并優(yōu)化閥道結(jié)構(gòu)以提高灌裝效率和精度，尤為重要。

2 利用FLUENT進(jìn)行仿真運算

2.1FLUENT求解原理簡介

運用FLUENT軟件的核心求解模塊Navier-stokes方程組對易拉罐灌裝閥閥道流場進(jìn)行仿真，該方程組可進(jìn)行二維、二維軸對稱和三維流動的流場及各種層流、湍流，定常、非定常流場的模擬計算，以及進(jìn)行單相流/多相流分析、氣固液耦合分析等。本文所分析的流場屬于非傳熱的多相流湍流，且為定常流動，采用的是二維對稱模型。運用FLUENT軟件進(jìn)行計算流體力學(xué)分析，首先運用計算機繪圖軟件建立幾何模型，然后導(dǎo)入前處理軟件GAMBIT進(jìn)行網(wǎng)格劃分以及邊界條件設(shè)置，最后導(dǎo)入FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，在FLUENT軟件中進(jìn)行的數(shù)值模擬過程如圖6所示。首先建立控制方程、初始條件以及邊界條件，然后運用選取的離散方程和控制方程進(jìn)行迭代計算，直到滿足迭代要求，結(jié)束計算[3]。

圖4 FLUENT數(shù)值模擬過程示意圖

2.2易拉罐灌裝閥閥道模型及GAMBIT前處理

由于閥芯上升4mm時酒液灌裝閥開度最大，閥道所受的沖擊最大，故模擬此狀態(tài)下酒液從灌裝閥閥道到易拉罐開口面之間的流動，找出閥道結(jié)構(gòu)的薄弱處。由于閥道為三維軸對稱結(jié)構(gòu)，因而只選取右側(cè)閥道的二維平面模型作為模擬模型進(jìn)行分析，以減少由于網(wǎng)格劃分差異導(dǎo)致的誤差。圖5為灌裝閥右側(cè)閥道模型。

圖5所示的模型包含灌裝閥道以及易拉罐進(jìn)口端面。整個模擬灌裝過程為等壓狀態(tài)。圖6為采用前處理軟件GAMBIT對閥道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后的網(wǎng)格模型，節(jié)點數(shù)為3 114，結(jié)構(gòu)化的四邊形單元2 895個，1個velocity進(jìn)口，1個outflow出口，axis對稱軸1個，其余為WALL邊界。

圖5 右側(cè)閥道模型 圖6 右側(cè)閥道網(wǎng)格模型

2.3FLUENT計算模型與求解模型建立

易拉罐灌裝閥閥道流體模型區(qū)域?qū)儆趩蜗嗔鲄^(qū)域，其計算方程主要包括動量守恒方程、質(zhì)量守恒方程，以及標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程的湍流方程，湍流方程進(jìn)行湍動能k和耗散率ε的求解，同時采用標(biāo)準(zhǔn)近壁函數(shù)處理壁面[4]。

將GAMBIT生成的網(wǎng)格文件讀入FLUENT中。求解器選取Density Based密度基求解器并采用Implicit隱示格式?？臻g屬性設(shè)置為二維對稱時間屬性設(shè)置為定常流動(Steady)。湍流模型選取k-epsilon(2eqn)模型。數(shù)值離散模式選取二階離散格式，因其可引入更多的相鄰節(jié)點，并考慮流動方向性的影響，可明顯降低離散誤差。算法采用SIMPLE算法，該方法有很高的間斷分辨率以及粘性分辨率，對于求解閥道定常流動問題很合適[5]。

2.4邊界條件的設(shè)定

根據(jù)灌裝閥的實際工作情況，邊界條件設(shè)置如下：

a.整個灌裝過程為等壓灌裝，壓力大小為0.4MPa。

b.閥道為軸對稱結(jié)構(gòu)，對稱面上法向速度為0。

c.酒液入口邊界為velocity入口，初始速度為0.2 m/s，其湍流強度為4，水力直徑為5.9mm。出口邊界為Outflow出口。

d.近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面方程處理。

e.由于啤酒的密度及流體特性都與水非常接近，故模擬過程運用水代替酒液。

3 模擬結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

通過對易拉罐灌裝閥閥道進(jìn)行流場分析，得到其流場壓力分布圖、速度分布圖、湍流動能分布圖、湍流強度分布圖，如圖7～圖10所示，對圖形進(jìn)行分析，可以確定易拉罐灌裝閥流道結(jié)構(gòu)的薄弱處，并作出相應(yīng)改進(jìn)。

圖7 閥道內(nèi)流場壓力分布

圖8 閥道內(nèi)流場速度分布

圖9 閥道內(nèi)流場湍流動能分布

圖10 閥道內(nèi)流場湍流強度分布

由圖7可以看出，最大壓力出現(xiàn)在與易拉罐相切的閥道處。一般最大壓力出現(xiàn)在密封圈安裝處，但由于該灌裝閥結(jié)構(gòu)的特別性才會出現(xiàn)該現(xiàn)象，應(yīng)該在滿足易拉罐瓶型要求的同時修改此處結(jié)構(gòu)，以得到優(yōu)化。灌裝閥閥道內(nèi)最大流速為7.84e-1m/s，最小流速為3. 92e-2m/s，閥道密封圈安裝處的流速則在6.66e-1m/s左右。可以看出灌裝過程中，液體的流速變化很大，大的速度沖擊容易對密封圈拐角產(chǎn)生沖擊腐蝕，加速密封圈的損壞，從而影響灌裝閥的密封性能，降低灌裝精度。灌裝閥底部酒液進(jìn)口處速度比較均勻且平穩(wěn)，酒液出口即模型最底部各部位流速差別較大，容易造成啤酒激沫，影響啤酒口感。從湍流動能分布和湍流強度分布也可以看出，湍流動能的最大損耗在密封圈位置，說明啤酒灌裝過程中對于密封圈的沖擊磨損很大，應(yīng)該對密封圈作出更好的保護，以保證灌裝氣密性及精度。

4 易拉罐灌裝閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

通過運用FLUENT軟件對易拉罐灌裝閥閥道流場的仿真分析，結(jié)合速度和壓力云圖以及實際的灌裝條件和要求，若要降低最大壓力以及提升啤酒口味，需要對閥道出口與易拉罐切合位置處進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

采用非平行外側(cè)邊緣的結(jié)構(gòu)，即將閥道內(nèi)邊與水平邊的角度從原來的37°改為40°，并在滿足閥芯底面能封鎖閥道最窄位置的前提下，設(shè)置半徑為1mm的圓角過渡使該處結(jié)構(gòu)平滑，不至過于突兀。改進(jìn)后的閥道結(jié)構(gòu)圖、壓力分布圖、速度分布圖、湍流動能分布圖如圖11～圖14所示。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，由壓力分布圖可知，雖然壓力最大處位置沒變，但是閥道內(nèi)壓力明顯降低，同時從速度分布圖可以看出，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后流體速度大小在閥道中分布較接近，尤其是密封圈下部并未出現(xiàn)強大速度沖擊，而且閥道出口處流體速度提高，且速度差減小，可以減少由于出口流速差別造成的激沫現(xiàn)象，從而保證啤酒口感。最后從湍流動能分布圖可看出湍動能最大的位置轉(zhuǎn)移到了閥道底部，從而可以驗證速度分布圖中得出的對密封圈沖擊變小的結(jié)論。綜上可知，通過優(yōu)化易拉罐灌裝閥結(jié)構(gòu)，對灌裝精度、口感以及效率都有了保障性的提高。

圖11 優(yōu)化后模型

圖12 優(yōu)化后模型壓力分布圖

圖13 優(yōu)化后模型速度分布圖

圖14 優(yōu)化后模型湍流動能分布圖

另外，若需提高密封圈的抗沖擊性能以增加密封圈使用壽命，建議灌裝閥閥道處采用抗沖擊且密封性能好的唇形密封圈代替。

5 結(jié)束語

本文運用FLUENT軟件對易拉罐灌裝閥閥道進(jìn)行了數(shù)值計算模擬，得到閥道流場分布結(jié)果，并對閥道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的易拉罐灌裝閥抗沖擊性能提高以及出口速度分布均勻，可以保證酒液穩(wěn)定精確地充進(jìn)易拉罐中，提高了易拉罐的灌裝精度,對生產(chǎn)實際有一定的指導(dǎo)意義，可供同行參考借鑒。

[1] 韓占忠，王敬．FLUENT流體工程仿真計算實例與應(yīng)用[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，2010.

[2] 石銀．全液壓轉(zhuǎn)向器的流場分析及其特性研究[D]．鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué),2007.

[3] 崔曼.盒中袋灌裝閥閥口流場分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].包裝工程,2012,33(7):74-77.

[4] 王艷珍,于蘭英,柯堅，等.水壓錐閥流場的CFD解析[J].機械,2003,30(5):20-22.

[5] 汪俊.基于計算流體力學(xué)的水壓泵流動與傳熱分析[D].武漢：華中科技大學(xué)，2009.

TheFlowDistributionAnalysisandStructureOptimizationofCansFillingRoadBasedonFluent

HUANG Chuan1,LI Dongbo1,LIU Yanyou2,HE Fei1, ZHANG Min1

(1.Nanjing University of Science and Technology, Jiangsu Nanjing, 210094, China)(2.Nanjing Sinoma Science & Technology Co., Ltd., Jiangsu Nanjing, 210094, China)

Using Fluent software to carry out numerical simulations of cans filling valve channel, it gets the flow distribution of valve road. Based on analyzing find the maximum impact structure and the maximum pressure position in the channel, it realizes the optimization design. This new structure has a improving impact resistance and also an evenly distributed exit velocity of fluid. The result shows that the new structure improves filling accuracy and provides a basis for the optimization of similar products.

Fluid Analysis; Structural Optimization; Filling Valve Road; Cans

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.08.007

2014-07-08

黃川(1988—)，女，湖北隨州人，南京理工大學(xué)碩士研究生，主要研究方向為流體分析以及機械結(jié)構(gòu)。

TH12

A

2095-509X(2014)08-0027-05