基于Fluent的螺旋榨油机压榨段流场仿真

米国强 黄志刚 胡淑珍 安 琪 李 贺

(1. 北京工商大学人工智能学院，北京 100048；2. 塑料卫生与安全质量评价技术北京市重点实验室，北京 100048；3. 中国农业机械化科学研究院，北京 100048)

压榨法是一种借助机械外力作用，将油脂从油料中挤压出来的取油方法[1]，螺旋榨油机可以连续化生产，更适合于工业化。张学阁[2]结合现有的先进方法，建立了填充系数为1 时榨膛内的油料实体模型；通过模型简化，建立了榨膛内油料压力模型，并指出温度、孔隙度、压缩比等因素对压力的影响。Harper等[3]认为单螺杆压榨机主要依靠油料与油料之间、油料与榨螺外表面及油料与榨笼内表面之间的摩擦力输送油料；双螺杆压榨机具有体积效应，可防止物料随螺杆旋转，具有更高的剪切能力和混合能力，油料的破碎效果更好，可用于较小油料的压榨，并且可以手动控制物料循环和温度，其设备生产能力受物料本身影响较小，参数更容易设置。余南辉等[4-5]建立了榨螺的三维模型，并运用有限元分析得到榨螺变形及应力分布。

目前有关榨油机的研究主要包括压榨机理和榨螺受力分析，但均停留在单螺杆榨螺结构理想的小型榨油机阶段，以往对螺旋压榨机的仿真模拟研究多集中在榨螺结构及受力分析上[6]，对于双螺杆榨螺结构复杂的榨油机内部流场的研究尚未见报道。文章拟借用Fluent软件，通过对压榨机理进行分析，探究双螺杆榨油机压榨过程中内部压力场、浓度场和速度场的分布，并在此基础上分析压力和温度对油料浓度的影响，旨在为榨油机的设计提供依据。

1 模型建立

1.1 螺杆模型和网格划分

双螺杆榨油机分为啮合和非啮合两类，非啮合双螺杆榨油机因两螺杆之间没有啮合，故在设计和制造上未受限制，两螺杆受力后不会发生干涉和咬住并且可以得到更大的长径比。实际总压缩比是指油料经过压榨之后，剩余饼粕的体积和未压榨前进入机内的体积之比[7]，压榨段包括四级压榨结构，榨螺在Solidworks软件中建立如图1所示榨螺三维模型，轴套安装在螺杆末端与出饼口相连[8]，在Fluent软件中对流体域进行网格划分。

Fluent是非结构解法器，支持多种网格结构。划分模型网格后需对网格质量进行检查，得到的流体域网格如图2所示，其剖面图如图3所示。

1.2 基本假设

考虑到榨膛内的结构、油料性质，以及压榨过程中流场的变化[9]，将榨膛内物料的模型简化：

(1) 将流动的物料简化为幂律流体。

(2) 膛内油料的流动视为层流。

(3) 惯性力、重力等远小于黏滞力，忽略不计。

(4) 榨膛内充满物料。

(5) 流体为连续不可压缩流体。

1.3 仿真前处理

使用Fluent求解问题主要包括网格划分、材料性质设定、设置求解器和物理模型等[7]，不考虑时间因素的影响，采用稳态方式迭代求解，输入连续体的物性参数，得到流体模型。CFD可以分为有限差分法、边界元法、有限体积法[10]。

图1 螺杆模型Figure 1 Screw model

图2 流体域网格划分Figure 2 Grid partition of fluid field

图3 流体域网格剖面图Figure 3 Grid partition profile of fluid field

Fluent提供了多种物理模型，其中k—e模型是应用最广泛的湍流模型，具有较好的稳定性和计算精度。由于Simplec稳定性较好，特别适用于层流的计算，故采用Simplec算法，同时用二阶迎风方程进行离散，设置收敛精度，再初始化流场。

2 模拟结果分析

2.1 压力场

压榨过程中膛内压力会对出油率产生影响，其值既不能太高，也不能太低[11]。试验流体域的压力分布云图如图4所示。由于设定左侧为油料进口端，右侧为油饼出口端，沿y轴方向(螺杆长度方向)两螺杆的啮合不断形成和释放密封腔，随着油料从左往右运动，流场压力逐渐递增，达到压榨效果，这是因为榨膛内壁与螺杆表面间距离较近，油料主要受螺杆转动的影响，带动其连续地运动至出口，与此同时，忽略花生油从四周流出，只考虑其从模型出口位置流出。

对于应力集中的部位，可以通过优化设计结构、选择不同材料、改进加工方法或采用不同热处理方法等方式来有效解决[12]。取各级压榨段横截面，得到压力分布如图5所示，多级螺旋螺杆和一级螺旋螺杆最大区别在于空余体积逐渐缩小，压榨压力逐渐增大，起建压作用，利于榨油。棱背面由于对油料作用力较小，形成了背压区域，此处压力值在截面上最小，即使是在同一截面上，油料所受压力大小也不同。若要得到更大的压榨压力，可以增加锥圈结构或减小榨膛容积。

图4 流体域压力分布云图Figure 4 Pressure distribution of fluid field

图5 各级压榨结构压力云图Figure 5 Pressure cloud field of pressing structures

2.2 浓度场

用体积分数表示油的浓度，流体域纵截面上的油料浓度分布如图6所示，随着螺杆转动推动油料运动，流场中油料浓度发生变化，进口端浓度为0，是因为油料一开始进入到输送段，主要受螺杆转动的影响，向前运动，未起到压榨效果，油料浓度相对较小，随后进入一级压榨阶段，油料受到螺杆与榨膛挤压作用，油脂逐渐从植物细胞壁中被挤出，此时油料浓度逐渐增大，压榨效果也越明显，榨油充分。

取如图7所示的横截面进行分析，随着压榨的进行，油料浓度逐渐变化，压力越大处油料浓度越大，并且由于离心力的作用，部分油脂会偏离螺杆。

2.3 压力与温度对油料浓度的影响

2.3.1 压力对油料浓度的影响 截取一级压榨段的横截面如图8所示。由图8可知，当压力为10 MPa时，油料浓度为0.004 61；当压力为8 MPa时，油料浓度为0.004 49；当压力为6 MPa时，油料浓度为0.004 43，一定范围内，压力越大，油料浓度越大。

2.3.2 温度对油料浓度的影响 榨膛温度是影响榨油机出油率和出油质量的主要因素[13-15]。由图9可知，当温度为60 ℃时，油料浓度为0.004 43；当温度为70 ℃时，油料浓度为0.004 48；当温度为80 ℃时，油料浓度为0.004 51，一定范围内，温度越高，油料浓度越大。但温度过高会使油料变质，实际压榨过程中需根据被压榨的油料尽量选择适宜的压榨温度，温度过高可以对榨膛进行降温，温度过低可以进行加热。

图6 流体域浓度分布Figure 6 Concentration distribution of fluid field

图7 横截面浓度分布Figure 7 Concentration distribution of cross section

2.4 速度场

2.4.1 整体速度分布 由图10可知，在螺杆的带动下，油料大体沿着圆周运动，刚进入压榨膛内时，速度增加迅速，并且受螺杆转动的影响会产生波动，压榨段速度增加缓慢，同一截面处，油料速度存在较大差异，处于中间的油料速度略大。当油料靠近螺纹时，开始对油料进行压榨，速度急速上升，当油料远离螺纹时，空间会增加，速度下降。压榨过程中有油料回流，使得榨油机内部速度的变化更复杂。

2.4.2 压力对速度的影响 由图11可知，在一定范围内，压力越大，油料速度越大。

图8 各压力下的浓度分布Figure 8 Volume distribution under various pressures

图9 各温度下的油料浓度分布Figure 9 Volume distribution under various temperature (6 MPa)

图10 速度分布Figure 10 Volecity distribution

图11 各压力下的速度分布Figure 11 Volecity distribution under various pressures

3 结论

通过对双螺杆榨油机的基本结构和工作原理进行分析，建立了榨油机榨螺和流体域三维模型，运用Fluent软件对榨油机压榨段流体域的物理场进行仿真研究。结果表明，流场压力沿着螺杆逐渐递增，输送段压力增长快，压榨段增长较慢，出口处压力达到最大；同一截面处，油料速度存在分层现象，设定温度一定时，随着压力的增大，油料速度增大；流体浓度沿着螺杆长度方向递增但存在波动。设定压力不变，温度越高，油料浓度越高。设定温度不变，压力越大，油料浓度越高。后续应根据压榨理论对现有的模型进行改进，使其更接近于实际状态。