鲜杏无水清洗喷嘴收口角度的仿真研究

褚宏奎,张若宇,齐妍杰,坎 杂

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832003)



鲜杏无水清洗喷嘴收口角度的仿真研究

褚宏奎,张若宇,齐妍杰,坎 杂

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832003)

为确定适用于鲜杏无水清洗喷嘴的最优收口角度，利用FLUENT软件分别对收口角度为1°，2°，…，30°的柱锥形喷嘴进行数值模拟分析，确定了相同的无水清洗喷嘴工作截面，并以鲜杏物料特性和喷嘴外流场特性作为喷嘴最优收口角度参考依据。结果表明：外流场气流速度随着收口角度的增大而增强；入口速度为80m/s，当收口角度超过30°时，无水清洗工作截面的气流速度超过鲜杏表皮所能承受最大速度；收口角度为15°时，工作截面平均气流速度可达32.35m/s、有效清洗宽度为70mm，且其速度不均匀系数最小。故本文鲜杏无水清洗喷嘴的最优收口角度为15°。本研究可为鲜杏无水清洗喷嘴的结构设计提供一种参考。

鲜杏；无水清洗；喷嘴；收口角度；数值模拟

0 引言

杏原产自我国，属蔷薇科落叶乔木植物，因其营养丰富又兼具药用价值，深受广大人民喜爱[1-2]。2014年，全疆杏种植面积13.2万hm2，产量近200万t[3]。杏主要用于鲜食、制干、制脯和制果酱[4]，截至目前,杏的加工比例较低，近90%的鲜杏以鲜食形式进入市场[5]。鲜杏属易损水果，为避免多次转运和加工所造成的机械损伤，一般采摘后直接装箱进入市场；但由于新疆少雨且沙尘天气较多，采摘后的鲜杏表面附有大量沙尘颗粒，严重影响鲜杏的外部品质。

目前，针对水果的清洗方式多以水洗为主。鲜杏的表面附有在生长过程中形成的蜡质保护层，可以抵御病菌侵染，使之更易贮藏[6-7]。鲜杏经水洗后易造成表面蜡质层被破坏[8-9]，大大增加了其在运输、储存过程中的质变率[5]，进而对果农和水果加工企业产生巨大的经济损失。

本研究拟针对采摘后的鲜杏表面附有大量沙尘颗粒的特点，提出在田间装箱前利用高压气流完成对鲜杏的无水清洗。喷嘴作为关键部件，对无水清洗效果影响较大，作者在前期研究中发现：柱锥形喷嘴更适用于鲜杏的无水清洗，但对其收口角度的研究尚未开展。与传统设计相比，数值模拟技术具有成本低、周期短和适用性强等优点。在各类喷嘴结构参数设计和工作参数确定的过程中，数值模拟技术得到了广泛的应用[10-11]。为确定适用于鲜杏无水清洗喷嘴的最优收口角度，本研究利用FLUENT软件分别对收口角度为1°，2°，…，30°的柱锥型喷嘴进行数值模拟分析，以鲜杏物料特性和喷嘴外流场特性为参考依据，确定适用于鲜杏无水清洗喷嘴的最优收口角度。

1 材料与方法

1.1 喷嘴模型

杏品种繁多、尺寸各异，其中大红杏为新疆较大尺寸杏种的代表。由于杏外形为椭圆形，故长度尺寸为其最大尺寸。鲜杏在输送过程中的运动是不规则的，故本研究使用电子数显卡尺对随机选取的100个大红杏样本长度尺寸进行测量。图1为大红杏样本的长度尺寸分布图。由图1可知：大红杏的长度尺寸一般不大于60mm，故本文设定喷嘴无水清洗工作截面宽度为60mm。

图2为喷嘴结构与尺寸示意图。喷嘴上端统一为气流入口，入口直径统一设定为6mm，喷嘴总长度为20mm。若在数值模拟过程中设定统一入口风速，则可以保证提供各喷嘴空气流量相同，实现在相同空气流量条件下对比不同收口角度喷嘴的清洗性能差异，进而确定最优喷嘴收口角度。使用GAMBIT软件分别对收口角度为1°，2°，…，30°的柱锥形喷嘴在保证其他参数不变前提下进行精确建模。

图1 大红杏长度尺寸分布图

图2 喷嘴结构与尺寸示意图

1.2 无水清洗工作原理

图3为无水清洗工作原理图。通过喷嘴喷射出高压空气完成对鲜杏表面沙尘颗粒的清洗，在实际生产中可通过对鲜杏多表面的多次喷射达到鲜杏无水清洗的目的。根据前期研究经验，本文选取工作距离为280mm。图4为灰尘颗粒受力模型。清洗前，灰尘在吸附力F吸、重力G、摩擦力f和支持力FN共同作用下使灰尘颗粒吸附在鲜杏表面；清洗时，灰尘颗粒受到高压空气F风作用，使得受力平衡被打破，灰尘颗粒沿X轴方向逃逸，达到无水清洗的目的。

图3 无水清洗工作原理图

(a) 清洗前 (b) 清洗时

1)清洗前受力分析：

X轴为

G·sinα=f

(1)

Y轴为

FN=Gcosα+F吸

(2)

2)清洗时受力分析：

X轴为

Gsinα+F风>f

(3)

Y轴为

FN=Gsinα+F吸

(4)

其中，G为沙尘颗粒重力；f为摩擦力；FN为支持力；F吸为鲜杏对沙尘颗粒的吸附力；F风为高速气流产生的风力。

1.3 数值模拟方法

1.3.1 网格划分

利用GAMBIT软件分别对收口角度为1°，2°，…，30°的柱锥型喷嘴进行模型的建立，同时建立喷嘴外流场区域(宽为20D，长为70D，与喷嘴出口对称分布，D为喷嘴入口直径6mm)。本研究喷嘴结构类型简单，喷嘴和外流场区域采用结构化网格中的四边形网格进行网格划分可以满足仿真要求，故对喷嘴和外流场进行四边形网格划分如图5所示。

图5 喷嘴及外流场网格划分

1.3.2 边界条件设定

为保证数值模拟过程中，提供给每个喷嘴的流量相同，设定入口边界条件为velocity-inlet，速度为80m/s，出口为pressure-out，为模拟真实工作条件，出口压强设为标准大气压101 325Pa。定义材料为空气，本研究马赫数Ma≈0.24<0.3，可视为不可压缩流体[12-13]，不考虑能量方程。各喷嘴所有初始值设置均相同。

1.3.3 数学模型

根据式(5)可知，本研究在室温20℃下喷嘴入口处的雷诺数Re=32 088，属完全湍流流动且分子粘性可以忽略，故选择湍流模型为标准k-ε模型[14]，该模型在工程实际问题及科研中应用较为广泛。

(5)

其中，ρ为流体密度，ρ=1.21kg/m3；v为流体速度，喷嘴入口速度为80m/s；d为特征长度，喷嘴气流入口直径为0.006m；μ为流体粘性系数，20℃时空气粘性系数为1.81×10-5Pa·s。

1.4 最优收口角度条件

1)工作截面内射流有效清洗宽度大于鲜杏长度。射流有效速度为可成功吹去鲜杏表面灰尘的速度，可测得。射流有效清洗宽度为截面内任一点风速大于无水清洗有效风速区域所在截面的宽度。

2)工作截面内最大速度不能超过鲜杏表皮可承受最大风速。参考前人研究可知，正常鲜杏表面硬度最小为0.23kg/cm2[15]，由伯努利方程推导出的风压风速关系式可计算出鲜杏表面可承受最大气流速度，则有

(6)

其中，wp为风压(kN/m2)，0.23kg/cm2=22.54kN/m2；v为风速(m/s)。

3)工作截面内速度不均匀系数反映了速度的均匀性。在以上条件都满足的情况下，工作截面速度不均匀系数最小的喷嘴收口角度为本文最优收口角度。

2 结果与讨论

2.1 喷嘴及外流场数值模拟结果

图6为不同收口角度喷嘴及外流场速度分布图。

(a) 1°～5°喷嘴及外流场速度分布图 (b) 6°～10°喷嘴及外流场速度分布图

(c) 11°～15°喷嘴及外流场速度分布图 (d) 16°～20°喷嘴及外流场速度分布图

(e) 21°～25°喷嘴及外流场速度分布图 (f) 26°～30°喷嘴及外流场速度分布图

为准确显示喷嘴及外流场速度随收口角度增加的变化趋势，每相邻5个不同收口角度喷嘴共用同一色带。由图6可知：随着喷嘴收口角度的增加，喷嘴及外流场的速度逐渐增大。喷嘴收口角度为1°～5°的色带中最大速度为100m/s，而26°～30°的色带中最大速度达到1 560m/s，可见喷嘴收口角度对喷嘴流场速度的影响较大。

2.2 工作截面数值模拟结果

由上文可知，本文喷嘴工作截面为距喷嘴出口280mm、宽度为60mm的圆形截面。分别提取不同收口角度喷嘴工作截面数值模拟数据，以确定本文喷嘴的最优收口角度。

图7为不同收口角度喷嘴工作截面平均速度。随着喷嘴收口角度的增大，工作截面平均速度逐渐增大，其平均速度最小为23.44m/s，最大111.77m/s。由此可见，喷嘴的收口角度对喷嘴的工作性能影响较大。

图7 不同收口角度喷嘴工作截面平均速度

图8为不同收口角度喷嘴有效清洗宽度。随着收口角度的增大，有效清洗宽度也逐渐增大。当收口角度大于4°时，有效清洗宽度恒大于60mm。

根据式(6)计算可知：鲜杏表面可承受最大气流速度为189.91m/s，选取安全系数为1.5，故用于鲜杏无水清洗喷嘴工作截面最大气流速度应小于126.61m/s。图9为不同收口角度工作截面最大速度。当喷嘴收口角度为30°时，喷嘴工作截面最大速度可能会对鲜杏表皮造成损伤。

图10 为不同收口角度喷嘴工作截面速度不均匀系数。速度不均匀系数随收口角度的增大，先减小后增大，然后趋于平稳，但收口角度在26°之后速度不均匀系数震荡较大。

图8 不同收口角度喷嘴有效清洗宽度

图9 不同收口角度工作截面最大速度

图10 不同收口角度喷嘴工作截面速度不均匀系数

由图10可知：当收口角度为15°时，速度不均匀系数最小为0.160 72。根据图8和图9可知：收口角度为15°的喷嘴有效清洗宽度为70mm，满足工作截面内有效清洗宽度大于鲜杏长度的条件，且其工作截面最大速度为41.85m/s，不会对鲜杏表面造成损伤。由图7可知：收口角度为15°喷嘴工作截面平均速度为32.35m/s，满足鲜杏无水清洗气流速度条件。综上所述，本文中鲜杏无水清洗喷嘴最优收口角度为15°。

3 结论

1)运用计算流体动力学数值模拟方法对不同收口角度鲜杏无水清洗喷嘴进行仿真分析，发现收口角度对喷嘴工作性能影响较大，揭示了喷嘴工作截面流场特性随喷嘴收口角度的变化规律。

2)收口角度为15°喷嘴在同等条件下为鲜杏无水清洗工作截面提供了较大的气流速度，且其在本文不同收口角度喷嘴中速度不均匀系数最小，为本研究最优喷嘴。

3)本文对鲜杏无水清洗喷嘴收口角度的研究可为后续工程技术人员在无水清洗喷嘴的深入研究及优化方面提供参考。

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Numerical Simulation of Shell Nosing Angle of Waterless Washing Nozzle for Fresh Apricot

Chu Hongkui, Zhang Ruoyu，Qi Yanjie，Kan Za

(College of Mechanical and Electrical Engineering,Shihezi University,Shihezi 832003,China)

In order to identify the optimal shell nosing angle of waterless washing nozzle for fresh apricot, different shell nosing angle which included 1°, 2°,…, 30° were studied by FLUENT software. The same working section of waterless washing was selected in the study. Material properties of fresh apricot and characteristics of external flow field of nozzle were considered as reference of the optimal nozzle. The results showed that the velocity of airflow increased with the increase of shell nosing angle.The inlet velocity of nozzle was set as 80 m/s.The high-speed airflow of working section had more than the maximum load of fresh apricot when the shell nosing angle was over 30°.The nozzle’s average velocity of working section could up to 32.35 m/s when the shell nosing angle was 15°,and its effective width of working section was 70 mm. Besides it had the minimal velocity deviation coefficient of the nozzles.So the optimal shell nosing angle of waterless washing nozzle for fresh apricot was 15° in this study, and the study could provide a reference for the structural design of waterless washing nozzle for fresh apricot.

fresh apricot;waterless washing; nozzle; shell nosing angle; numerical simulation

2016-07-19

“十二五”国家科技支撑计划项目(2015BAD19B03)

褚宏奎(1990-)，男，山东菏泽人，硕士研究生，(E-mail)846514796@qq.com。

坎 杂(1963-)，男，新疆博乐人，教授，博士生导师，(E-mail)kz-shz@163.com。

S226；TP391.9

A

1003-188X(2017)07-0153-05