基于CFD的直喷喷嘴瓶体冲洗效果研究

龚敏浩，林名润，刘贝，翟玮昊，杜明俊

基于CFD的直喷喷嘴瓶体冲洗效果研究

龚敏浩，林名润，刘贝，翟玮昊，杜明俊

（上海航天设备制造总厂有限公司，上海 200245）

在葡萄酒瓶冲洗过程中，多种因素影响着瓶体的冲洗效果。为了量化不同因素对冲洗效果的影响程度，研究采用控制变量法进行CFD仿真分析。研究发现，喷口气压对瓶体冲洗效果影响最大。通过优化输气管道，并增加冲洗气流流量，可实现瓶体冲洗效率的提升。

计算流体力学；葡萄酒瓶；冲洗；喷嘴

1 引言

新生产的葡萄酒瓶内部需进行冲洗，瓶体内部的冲洗效果和其表面的壁面切应力有直接关系[1]。通过获取壁面切应力数值，瓶体冲洗效率可用数值体现。计算流体力学Computational Fluid Dynamic（CFD）在工程领域被广泛应用于计算壁面切应力数值[2]。研究应用CFD对不同冲洗变量 下的葡萄酒瓶进行仿真，分析不同因素对于冲洗效果的影响 比重。

2 计算域和边界条件

波尔多瓶是常见的葡萄酒瓶类型。冲洗过程中，瓶口朝下放置，喷嘴与输气管道相连为一体，喷嘴从喷口插入至瓶体内部。瓶体与直喷喷嘴的仿真模型网格剖面如图1所示，模型设置一个入口边界层（喷嘴）和一个出口边界层（瓶口）。直喷喷嘴被简化为一根与瓶体同轴的直管。

图1 波尔多瓶仿真模型网格剖面图

根据不同仿真区域对于网格质量需求不同，选择相应的网格类型和尺寸。对于瓶底和瓶壁边界层这些流场较为复杂的区域，其网格应更为密集，设置最大网格尺寸为1 mm。

仿真为稳态分析，流体介质25 ℃空气，参考气压1 atm；入口边界层相对总压5 bar，出口边界层相对总压0 bar；壁面边界条件为光滑且无滑动壁面。

湍流模型和壁面函数分别选择-模型和可伸缩壁面函数[3-4]。25 ℃空气密度=1.18 kg/m3，粘度=1.845×10-5kg/ms。假设喷嘴截面为直径1=2 mm的圆，瓶口为直径2=20 mm的圆，流体为不可压缩。

根据伯努利方程=0.52，在入口和出口边界层间5 bar的压差下，喷嘴处空气流速1为920 m/s。

又根据流体连续方程1·12=2·22，在瓶口处空气流速2为9.3 m/s。

3 仿真结果

影响冲洗效果的因素大致可分为喷口至瓶底距离、喷口直径、喷口气压。

3.1 冲洗效果与喷口至瓶底距离关系

保持喷口气压5 bar，喷口直径4 mm，喷口至瓶底距离变量范围20～100 mm。

仿真结果如表1所示，随喷口至瓶底距离增加，瓶体各部分壁面切应力均下降，冲洗效果减弱。当喷口至瓶底距离大于等于60 mm时，瓶底最大壁面切应力降低率提升。瓶底最小、瓶身最大、底部拐角壁面切应力与喷口至瓶底距离大致呈线性关系。

表1 壁面切应力与喷口至瓶底距离关系

喷口至瓶底距离/mm20406080100 瓶底最大壁面切应力/Pa1 4631 3651 236956.8680.7 瓶底最小壁面切应力/Pa292415.410.14.24 瓶身最大壁面切应力/Pa161145.3133.8119.391.95 底部拐角壁面切应力/Pa4337.123.613.45.7

注：喷口气压5 bar，喷口直径4 mm。

3.2 冲洗效果与喷口直径关系

保持喷口气压5.3 bar，喷口至瓶底距离101.7 mm，喷口直径变量范围2～6 mm。

喷口直径的平方乘以喷口气流速度，等于喷口气流量。喷口气压不变，故喷口气流速度不变，气流量与喷口直径的平方呈等比关系。

仿真结果如表2所示，随喷口直径增加，气流量增加，瓶体各部分壁面切应力均上升，冲洗效果提升。瓶底最大壁面切应力与气流量大致呈线性关系；瓶底最小、瓶身最大、底部拐角壁面切应力与喷口直径大致呈线性关系。

表2 壁面切应力与喷口直径关系

喷口直径/mm246 瓶底最大壁面切应力/Pa146.66181 443 瓶底最小壁面切应力/Pa1.337.0611.96 瓶身最大壁面切应力/Pa24.23103.7207 底部拐角壁面切应力/Pa1.9410.0616.51

注：喷口气压5.3 bar，喷口至瓶底距离101.7 mm。

3.3 冲洗效果与喷口气压关系

保持喷口至瓶底距离20 mm，喷口直径4 mm，喷口气压变量范围5～20 bar。

仿真结果如表3所示，随喷口气压增加，瓶体各部分壁面切应力上升，且与喷口气压大致呈线性关系。

表3 壁面切应力与喷口气压关系

喷口气压/bar5101520 瓶底最大壁面切应力/Pa1 4632 7011 236956.8 瓶底最小壁面切应力/Pa2967103.8139 瓶身最大壁面切应力/Pa161302440580 底部拐角壁面切应力/Pa4386122177

注：喷口至瓶底距离20 mm，喷口直径4 mm。

4 分析与建议

灰尘颗粒更易堆积于底部，瓶底最小壁面切应力是衡量冲洗效率的关键数值。通过上述仿真，结合各变量因素进行线性拟合后，得到以下方程：

bm=﹣0.317 1+35.574，（=5，=4）

bm=2.657 5－3.846 7，（=5.3，=101.7）

bm=7.336－7，（=20，=40）

其中，bm为最小壁面切应力，Pa；为喷口至瓶底距离，mm；为喷口气压，bar；为喷口直径，mm。

整合上述方程，得到以下简化公式：

bm=7.336－0.317 1+2.657 5－10.234 3

基于该公式，让喷口靠近瓶底能提升冲洗效果，但提升幅度有限，即无限接近于0；增加喷口直径对冲洗效果的提升则受限于瓶口直径，常规酒瓶瓶口直径6 mm，考虑喷嘴壁厚，喷口最大允许直径为4 mm；喷口气压是对瓶底最小壁面切应力影响最大的因素，提升喷口气压需在满足不超过压力容器气压上限的同时，保证气流冲击力不会使瓶体破裂。

在玻璃表面冲洗具有较强黏附性的灰尘颗粒，壁面切应力需要约99.64 Pa[5]。根据简化公式，假设喷口无限接近瓶底，喷口直径4 mm，为满足100 Pa的瓶底最小壁面切应力，喷口气压需达14 bar，玻璃瓶最大能承受约15 bar的气压冲击。

综上，提升冲洗效果的有效方法是增大喷口气压、增加冲洗气流流量。气体在输气管道中存在压力损失，喷口气压越大，压力损失越大，两者呈等比关系。为减小压力损失，需优化管道设计，例如优化管路拐角和管路直径等。

5 结论

本研究中，波尔多瓶搭配直喷喷嘴的模型被用于CFD仿真。瓶体冲洗效果主要与喷口至瓶底距离、喷口直径、喷口气压有关，其中喷口气压对冲洗效果影响最大。为进一步提升冲洗效率，需在优化管道设计的同时，增加冲洗气流流量。

［1］JENSEN B，FRIIS A.Critical wall shear stress for the EHEDG test method［J］.Chemical engineering and processing，2004，43（7）：831-840．

［2］VERSTEEG H，MALALASEKERA W.An introduction to computational fluid dynamics:the finite volume method［M］.2nd ed.Prentice Hall:Essex，2007.

［3］何茵楠，宋赫男.医用射流锥直型喷嘴流动特性仿真研究［J］.液压与气动，2020（4）：140-144．

［4］陈冰冰，张立，闫如忠.磨料射流喷嘴压力场与速度场的研究［J］.组合机床与自动化加工技术，2020（1）：47-50．

［5］TAN C，GAO S，WEE B，et al.Adhesion of dust particles to common indoor surfaces in an air-conditioned environment［J］.Aerosol science and technology，2014，48（5）：541-551.

2095－6835（2021）06－0008－02

TH137

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.06.003

龚敏浩（1994—），男，硕士，设计员，助理工程师，研究方向为航空航天、机械工程和流体力学。

〔编辑：丁琳〕