基于重疊網格的皮蛋噴淋涂膜仿真研究

摘要 為了加深對皮蛋噴淋涂膜工藝的認識，使用Fluent 軟件中重疊網格耦合VOF 模型開展兩相流研究，獲得皮蛋不同擺放姿勢下的液膜潤濕比，并以膜厚變化指數為響應值，結合Box-Behnken 試驗篩選出懸垂液滴去除時最優(yōu)吸管參數與工作壓力，結果顯示：尖端朝下擺放的皮蛋經過噴淋后液膜潤濕比為1，而鈍端朝下擺放的皮蛋經過噴淋后液膜潤濕比僅為0.836，篩選出最優(yōu)吸管參數組合為間距14.50 mm、直徑12.09 mm、工作壓力6.97 kPa、膜厚變化指數預測值為0.636。在最優(yōu)吸管參數組合下進行仿真試驗，并利用氣吸裝置開展懸垂液滴去除試驗，試驗結果顯示，膜厚變化指數仿真值與預測值的相對誤差為1.73%，膜厚變化指數的實際值與預測值的相對誤差為7.55%，與仿真值的相對誤差為9.12%。結果表明本研究的耦合模型可用于皮蛋噴淋涂膜仿真試驗。

關鍵詞 皮蛋； 重疊網格； 噴淋涂膜； 懸垂液滴； 膜厚變化指數

中圖分類號 S377 文獻標識碼 A 文章編號 1000-2421（2024）02-0254-10

目前，對皮蛋進行涂膜處理逐漸成為皮蛋加工生產中的必要環(huán)節(jié)［1-2］。禽蛋常見的涂膜方式有浸涂法、噴淋法、噴涂法等。不同涂膜方式下液膜形成機制與成膜效果存在較大差異。王子諦［3］對涂膜方法進行對比研究，發(fā)現采用噴淋涂膜速度最快。楊禎［4］以石蠟為涂膜劑，對比不同涂膜方式下皮蛋蠟膜的質量，發(fā)現采用噴淋法在皮蛋表面形成的蠟膜最為光滑。楊森［5］在設計鵪鶉蛋封蠟機時，發(fā)現利用噴涂法對鵪鶉蛋封蠟時噴出的霧狀石蠟極易凝固，導致封蠟失敗，最終選擇噴淋法完成對鵪鶉蛋的封蠟。皮蛋噴淋涂膜過程是液膜鋪展過程，液膜鋪展后會在皮蛋底部形成懸垂液滴影響了液膜的均勻性。

國內外學者對液膜流動進行了大量研究。林慶國［6］通過射流撞壁試驗，分析了射流孔徑、射流速度、射流傾角以及壁面曲率等因素對液膜形態(tài)的影響，認為射流傾角是影響液膜形態(tài)的關鍵因素。Kibar［7］開展傾斜射流撞擊豎直的超疏水壁面的試驗，發(fā)現液膜鋪展面積隨著接觸角的增大而減小，并分析了壁面接觸角、射流傾角、射流韋伯數對射流撞壁反彈的影響。Good 等［8］則以水為冷卻劑，對射流撞壁后的液膜分布進行試驗研究，并分析了不同傾角下液膜最大寬度與射流速度之間的關系。Fard 等［9］通過三維數值對射流撞擊濺板后液膜形成及破碎的過程進行了仿真，并結合試驗驗證了仿真結果的準確性。Cooke 等［10］利用數值對降膜流動過程進行了仿真研究，并且在數值仿真過程中應用了網格自適應加密技術，從而提高了計算精度和計算效率。目前有關懸垂液滴的研究較少，主要集中在纖維絲上懸垂液滴形態(tài)的研究，Mchale 等［11］基于 Young-Laplace 方程推導了忽略重力影響下纖維絲懸垂液滴輪廓表面的數學表達式；李健等［12］提出了一種基于液滴輪廓割線的纖維接觸角測量方案，測量誤差控制在±2.5°以內。雖然關于液膜的研究眾多，但是研究主要集中在靜止壁面上，鮮見有關皮蛋噴淋過程中懸垂液滴的研究。

針對目前皮蛋噴淋涂膜理論研究不足的問題，本研究開展皮蛋噴淋涂膜系統(tǒng)仿真研究，利用重疊網格與VOF 模型建立耦合模型對皮蛋噴淋涂膜模型進行數值計算，對皮蛋噴淋過程中皮蛋液膜鋪展過程與噴淋涂膜后期懸垂液滴去除過程進行分析，并結合Box-Behnken 試驗篩選出氣吸式懸垂液滴去除過程中的最優(yōu)參數，利用搭建的懸垂液滴去除裝置對篩選出的參數進行驗證，旨在為皮蛋噴淋涂膜工藝提供技術支撐。