基于Fluent砂糖橘空气破皮效果模拟

韦进文 阮士倡

（广西大学 广西南宁 530000）

砂糖橘作为柑橘类水果的一种，其果皮特性相较于其他品种柑橘类水果较脆，容易碎裂，现有的机械加工去皮方法不利于对其进行果皮剥离[1]。文章提出一种高压空气内爆的砂糖橘去皮方法，即往果实内部注入高压空气使果皮爆裂，通过Fluent 建模仿真，讨论该方法对砂糖橘果皮的破坏情况，并与实验结果相比较。

1 实验设计

为方便后续建模，采用Box-Benhnken 中心组合实验设计方法，得到的实验设计的因素与水平表如表1所示。

对于气嘴的压力范围，考虑到自行车胎内气压可以达到8 个大气压，但砂糖橘果皮易碎，在一定压力下果皮会发生破裂，故气嘴压力范围试选取5～8 个大气压。对于气嘴出口数量，分别为2、3、4 个。对于果皮内部间隙，根据经验选取为1.5～2 mm。

2 流场理论分析

Fluent 软件在计算流体力学的研究中起着重要作用[2]，可用于流体力学与热力学方面的分析。基于有限体积法，用待求解微分方程对所有控制方程积分，得到离散方程组。

使用Fluent 软件对空气在果内流动的流场进行分析，则应当满足质量守恒方程、动量守恒方程以及能量守恒方程[3,4]。

（1）质量守恒方程

（2）动量守恒方程

（3）能量守恒方程

3 破皮效果仿真模拟

由于Fluent 所建立的模型是流道模型，即模仿的是空气在果实中所能流动的区域。根据表1中果皮内隙建立流体模型，进行一些优化，将原本以四面体为主的网格进行部分分割，以六面体网格的方式进行划分，网格模型如图1所示。

图1 网格模型

将网格化的模型导入Fluent 中，选择流体类型为空气，将空气设置为理想气体，设置入口边界条件为压力入口边界条件，出口边界设置为压力出口边界条件，压力值为标准大气压101 325 Pa，外层果皮设置为壁面边界条件，采用SIMPLE 算法计算。

图2 仿真效果

对建立的流道模型进行计算求解，得到其仿真结果如图2所示。由仿真结果可以看出，其高压分布区域位于气体从气嘴喷出接触果皮的区域，则最高压区域中的果皮最可能发生开裂破坏。气孔数量的变化，可能会导致果皮破裂时所产生的破坏裂纹数量不同，因此需要对实物进行验证。

4 模拟效果的实物实验验证

利用实物对上述仿真实验结果进行验证，实验所用砂糖橘为市场所卖新鲜砂糖橘，实验装置包括空压机、气嘴等。由于果实内隙不便测量，故对控制表1中的因素a和因素b进行实验。选择砂糖橘的脐部和侧面两个不同部位进行充气，并以图像记录果皮的开裂情况，以气孔数量为2 的圆形截面气嘴的实验结果为例，如图3所示。

图3 脐部与侧面破裂情况

由实验所得结果图像与仿真结果图像对比，在脐部位置进行充气时，所得到的果皮破裂情况图像中一部分与仿真结果有所不同，除了沿气体射流方向发生破裂外，还形成了其他方向的裂缝；而在果实侧面充气时，所得到的破裂情况与仿真结果预测情况基本一致，出现这一情况的原因可能是仿真模型理想化所导致。

5 结论

基于Fluent 软件对砂糖橘高压空气破皮进行建模仿真，预测其果皮的破裂情况，并通过实物实验对仿真预测结果进行验证，在脐部充气时某些结果相差较大，可能需要考虑其他因素；侧面充气时仿真与实物实验结果较为吻合，可以得到相同的破裂情况。