引言

植物油主要是植物性原料通過(guò)機(jī)械壓榨或溶劑萃取等方法制造而成的。壓榨法制油是通過(guò)機(jī)械外力作用將油脂從植物中分離出來(lái)的制油方法,壓榨過(guò)程大致分為三個(gè)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(chǎng)的變化。目前,對(duì)螺旋壓榨機(jī)的仿真模擬研究多集中在榨螺受力分析上,對(duì)榨膛流場(chǎng)域的研究較少。內(nèi)部油料與榨螺之間相互擠壓的過(guò)程屬于流固耦合問(wèn)題,需要運(yùn)用流體力學(xué)知識(shí)解決,而流體力學(xué)本身比較復(fù)雜,一般借助計(jì)算流體力學(xué)方法進(jìn)行仿真研究。本文利用F1uent軟件,研究油料壓榨過(guò)程中腔體內(nèi)部的流固耦合,對(duì)榨膛內(nèi)流場(chǎng)濃度的變化情況進(jìn)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(zhǎng)1285mm,最大螺桿外徑178mm。

圖1螺桿模型

為了便于計(jì)算以及避免碰壁現(xiàn)象[5],流場(chǎng)的圓柱體直徑取200mm,長(zhǎng)度和螺桿總長(zhǎng)相同,建立如圖2所示的流場(chǎng)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(dòng)視為層流,并且認(rèn)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(chǎng)域

選用四面體單元對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,結(jié)果如圖3所示。螺桿為鋼材,建模時(shí)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(jìn)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(dòng),采用sIMPLEC算法,設(shè)置最大迭代步數(shù)為2000,對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行求解計(jì)算。

圖3流場(chǎng)域網(wǎng)格

2仿真分析

隨著螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)油中粒子的運(yùn)動(dòng),流場(chǎng)中油的體積分?jǐn)?shù)也會(huì)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?jǐn)?shù)的分布,進(jìn)口端的體積分?jǐn)?shù)小于出口端的體積分?jǐn)?shù),主要是因?yàn)橛土弦婚_始進(jìn)入到輸送段,受螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)的影響向前輸送,油的體積分?jǐn)?shù)相對(duì)較小,隨后進(jìn)入到一級(jí)壓榨階段,油料受到的螺桿與榨膛擠壓作用變大,此時(shí)油的體積分?jǐn)?shù)開始逐漸變大,再順序進(jìn)入到二到五級(jí)壓榨段,壓榨效果越來(lái)越明顯,體現(xiàn)了充分壓榨的過(guò)程。

圖4螺桿縱截面的濃度分布

為了充分展示壓榨過(guò)程,設(shè)定壓力值不變,觀察溫度改變對(duì)油的體積分?jǐn)?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(duì)油的體積分?jǐn)?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?jǐn)?shù)是逐漸變大的,因此溫度的變化會(huì)對(duì)油的體積分?jǐn)?shù)產(chǎn)生影響,在一定范圍內(nèi),溫度越高,體積分?jǐn)?shù)就越大。從圖6可以看出,隨著壓力的升高,體積分?jǐn)?shù)也是逐漸變大的,因此壓力的作用也會(huì)對(duì)油的體積分?jǐn)?shù)產(chǎn)生影響,在一定范圍內(nèi),壓力越大,體積分?jǐn)?shù)越大。

3結(jié)語(yǔ)

本文采用計(jì)算流體力學(xué)原理,研究了螺桿壓榨機(jī)榨膛內(nèi)流體濃度的變化情況,通過(guò)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?jǐn)?shù)隨著壓榨進(jìn)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(shí),溫度越高,體積分?jǐn)?shù)越大:溫度不變時(shí),壓力越大,體積分?jǐn)?shù)也越大。