破壁機(jī)攪打區(qū)域流體仿真分析

葉國(guó)林 朱俊杰

（1.廣東萬家樂燃?xì)饩哂邢薰?佛山 528300； 2.河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河源 517000）

引言

破壁機(jī)是這幾年來比較熱門的養(yǎng)生小家電，它能夠打破食物細(xì)胞壁，實(shí)現(xiàn)細(xì)膩口感以及食物營(yíng)養(yǎng)的充分釋放，可以制作各種新鮮美味的飲品、果汁、煲粥燉湯等。許多企業(yè)通過調(diào)整破壁機(jī)的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)來改善粉碎效果，但對(duì)破壁機(jī)流場(chǎng)中相關(guān)的流動(dòng)特性及攪打研磨的技術(shù)研究不透徹，導(dǎo)致耗費(fèi)大量的人力和物力。而流體仿真分析使研究者通過圖像來查看流場(chǎng)的流動(dòng)情況，具有成本低、速度快等優(yōu)點(diǎn)。

本文利用流體動(dòng)力學(xué)軟件FLUENT對(duì)我司某款破壁機(jī)進(jìn)行分析并得出攪打區(qū)域的流動(dòng)特性，讓我們對(duì)破壁機(jī)攪打區(qū)域流體運(yùn)動(dòng)速度、湍動(dòng)能、刀片表面的壓力及剪切力的分布規(guī)律有了進(jìn)一步的理解，影響家用破壁機(jī)的攪打研磨的關(guān)鍵因素比較容易分析出來，為破壁機(jī)攪打區(qū)域結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定的理論依據(jù)[1]。

1 流體域處理與網(wǎng)格劃分

1.1 破壁機(jī)流體域的處理

選用我司某款破壁機(jī)的杯體組件，畫出杯體區(qū)域及刀片的UG NX8三維模型并保持刀軸軸線與Z軸重合，如圖1所示，杯體底直徑D1為105.6 mm，杯體頂直徑D5為145.2 mm，動(dòng)域直徑D2為85 mm，動(dòng)域高度H1為30 mm，刀片軸直徑D3為12 mm。由于破壁機(jī)的容量范圍一般為1500 mL左右，近似計(jì)算攪打區(qū)域高度H2為120 mm，刀片的最大直徑D4為72 mm，刀片與杯體底距離為 21 mm，破壁機(jī)攪打區(qū)域充滿液體水，電機(jī)轉(zhuǎn)速N=20 000轉(zhuǎn)/分鐘，利用布爾運(yùn)算將三維模型簡(jiǎn)化為杯體靜止區(qū)域和刀片轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域[2]。

圖1 破壁機(jī)的幾何模型

1.2 網(wǎng)格劃分

采用FLUENT前處理軟件ICEM中的四面體和六面體組成的混合網(wǎng)格方式對(duì)靜止區(qū)域、轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并組合成破壁機(jī)杯體區(qū)域網(wǎng)格如圖2所示，其中轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域采用較細(xì)密的網(wǎng)格尺寸為1 mm，靜止區(qū)域的網(wǎng)格可以稀疏一些，其尺寸為5 mm，保證計(jì)算精度的情況下且使計(jì)算時(shí)間最短[3]。

2 流體模型選取與邊界條件

選用多參考系模型方法，定義含有刀片的轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域在旋轉(zhuǎn)參考系下計(jì)算，按照右手定則將其轉(zhuǎn)速設(shè)置為20 000 r/min，靜止區(qū)域默認(rèn)靜止參考系。將轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域的上表面、側(cè)面及下表面與靜止區(qū)域相配合的接觸面分別設(shè)置為3對(duì)Mesh Interface，使得轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域與靜止區(qū)域之間的數(shù)據(jù)能在接觸面上相互調(diào)用。模擬計(jì)算時(shí)將破壁機(jī)靜止區(qū)域和轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域選擇水作為材料參數(shù)設(shè)置，選用FLUENT標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，重力方向指向Z軸負(fù)向，如圖2所示。壓力-速度耦合選擇SIMPLEC算法，進(jìn)而對(duì)模型進(jìn)行3 000步迭代求解[4]。

圖2 破壁機(jī)靜域和動(dòng)域的合成網(wǎng)格

3 仿真結(jié)果分析

3.1 杯體內(nèi)速度場(chǎng)分布

破壁機(jī)杯體流場(chǎng)剖面的速度矢量圖如圖3所示，從Z截面速度矢量圖可以看出刀片周圍主要形成徑向流，從刀片到杯體內(nèi)壁方向的速度在逐步遞減。從Y截面速度矢量圖可以看出受刀片角度的影響食物被甩出，到達(dá)杯體內(nèi)壁后大部分向上運(yùn)動(dòng)，小部分向下運(yùn)動(dòng)，都會(huì)沿著杯體的中軸線軸向流回，這種雙循環(huán)流動(dòng)可以帶動(dòng)食物從杯底及側(cè)壁面快速流動(dòng)而不會(huì)有沉積現(xiàn)象。而且杯體中心箭頭分布比較稀疏，驗(yàn)證了實(shí)際生活中杯體在高速刀片攪打食物的情況下中心偏上部分會(huì)形成空心漩渦[4]。

圖3 杯體流場(chǎng)截面的速度矢量圖

3.2 刀片橫截面的流場(chǎng)分布

如圖4刀片橫截面的速度云圖，可以看出最大速度出現(xiàn)在刀刃刀齒邊緣，在杯體壁面以及刀片軸心處速度較小。圖5為刀片周圍湍動(dòng)能分布，刀刃刀齒處產(chǎn)生的湍動(dòng)能較強(qiáng)可以提高食物的混合與粉粹效果，而在遠(yuǎn)離刀片的大部分區(qū)域，湍動(dòng)能逐漸減小[5]。圖6是刀片橫截面上壓力分布規(guī)律，可以看出刀片的刀刃刀齒處總壓力、靜壓力較大，而在刀片的刀背處壓力較小，由于整個(gè)刀片上所承受的壓力不相同，使得不少破壁機(jī)刀片在工作過程中磨損鈍化、甚至出現(xiàn)刀刃刀齒變形及龜裂現(xiàn)象[6]。

圖4 刀片橫截面的速度云圖

圖5 刀片橫截面湍動(dòng)能分布

圖6 刀片橫截面壓力分布

4 杯體結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)比分析

目前，家用破壁機(jī)刀片有四葉、六葉及八葉等不同結(jié)構(gòu)形式，刀片形狀及數(shù)量的不同杯體內(nèi)流場(chǎng)也會(huì)發(fā)生變化，以四葉刀為基礎(chǔ)進(jìn)行仿真分析，并對(duì)刀片的偏角、擾流筋數(shù)量及刀片數(shù)量參數(shù)的不同進(jìn)行仿真分析，如圖7所示，選取刀片偏角分別為0 °、向上偏轉(zhuǎn)31 °；刀片直徑D為72 mm；擾流筋數(shù)量為零；刀片離杯底距離H為21 mm。如圖8所示，偏角為0度對(duì)應(yīng)的軸向速度是15.9 m/s；偏角為 31 °對(duì)應(yīng)的軸向速度是24.9 m/s，偏角為31 °時(shí)軸向速度有所增加，有利于杯體內(nèi)形成雙循環(huán)流動(dòng)。如圖9所示，偏角0度的湍動(dòng)能為195 m2/s2，偏角31 °的湍動(dòng)能為407 m2/s2；偏角0 °的剪切力為15 400 Pa，偏角31 °的剪切力為29 900 Pa，可以看出偏角31 °的湍動(dòng)能和剪切力都有所增強(qiáng)，杯體內(nèi)流場(chǎng)的湍動(dòng)能越大，食物的混合能力越強(qiáng)[7]。

圖7 刀體參數(shù)優(yōu)化示意圖

圖8 刀片不同偏角的軸向速度云圖

圖9 刀片不同偏角的湍動(dòng)能和剪切力云圖

如圖10所示，選取刀片偏角向上31 °；刀片直徑D為72 mm；刀片離底距離H為21 mm；擾流筋數(shù)量為零或?yàn)樗臈l擾流筋。如圖11所示，擾流筋為零的速度為89 m/s,擾流筋為四的速度為89 m/s；擾流筋為零的湍動(dòng)能為407 m2/s2,擾流筋為四的湍動(dòng)能為544 m2/s2；擾流筋為零的剪切力為29 900 Pa，擾流筋為四的剪切力為35 100 Pa。可以看出擾流筋為零的湍動(dòng)能和剪切力比較低，由于旋轉(zhuǎn)刀片的離心力作用，使得食物被甩出后沿著杯體壁面一直做離心運(yùn)動(dòng)，造成食物與粉碎刀片的碰撞機(jī)會(huì)減少。擾流筋為四的速度并沒有減少，然而湍動(dòng)能和剪切力有所增強(qiáng)，因?yàn)閿_流筋的擾流作用，使得杯體內(nèi)部渦流數(shù)量增多、湍動(dòng)能增強(qiáng)，同時(shí)被甩出的食物碰到擾流筋時(shí)減弱食物受高速旋轉(zhuǎn)刀片的離心力作用而一直在刀片上方做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使食物能夠及時(shí)的沿著杯體的中軸線返回，增加了食物與粉碎刀片的切割粉粹次數(shù)，達(dá)到打破食物細(xì)胞壁的效果[8]。

圖10 杯體擾流筋幾何模型

圖11 杯體不同擾流筋的速度云圖、湍動(dòng)能和剪切力

如圖12所示，選取刀片偏角向上31 °；刀片直徑D為72 mm；刀片離底距離H為21 mm；擾流筋數(shù)量為四；刀片數(shù)量為四或?yàn)榱~。如圖13所示，四葉刀的徑向速度為18.9 m/s，六葉刀的徑向速度為28.9 m/s；四葉刀的湍動(dòng)能為544 m2/s2，六葉刀的湍動(dòng)能為576 m2/s2；四葉刀的剪切力為35 100 Pa，六葉刀的剪切力為36 700 Pa，可以看出六葉刀的徑向速度、湍動(dòng)能和剪切力有所增強(qiáng)，提高食物被粉碎刀片的切割粉粹效率，實(shí)現(xiàn)出渣率少、細(xì)膩口感以及食物營(yíng)養(yǎng)的充分釋放[9]。

圖12 四葉刀、六葉刀幾何模型

圖13 四葉刀和六葉刀的徑向速度云圖、湍動(dòng)能和剪切力

5 結(jié)論

本文使用FLUENT流體仿真軟件對(duì)我司某款破壁機(jī)流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，得出刀片周圍的流動(dòng)主要是徑向流，在刀片上下形成雙循環(huán)流動(dòng)區(qū)域。通過對(duì)刀片的偏角、擾流筋數(shù)量及刀片數(shù)量的結(jié)構(gòu)改進(jìn)分析比較，可知增加刀片的偏角、擾流筋數(shù)量及刀片數(shù)量后流場(chǎng)的徑向速度、湍動(dòng)能和剪切力在增加，增加食物被粉碎刀片碰撞切割的機(jī)會(huì)，從而在一定程度上提高了食物的粉碎效率。使人們初步了解杯體內(nèi)流場(chǎng)分布規(guī)律，優(yōu)化杯體組件各參數(shù)指標(biāo)，為提高家用破壁機(jī)攪打粉碎效果提供了重要理論依據(jù)。