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冲击式食物破碎机内部流场模拟及实验研究
发布时间：2013-09-17 07:59 来源：未知
冲击式食物破碎机是一种具有环保作用的废弃食物处理机，具有结构简单、实用性强等特点，其应用前景很广阔，但由于引进时间短，在国内尚未普及，其名称也没能得以统一。目前国内外只有一些中小型企业对该产品进行过粗略的研究，如美国格莱达公司研制的食物处理器，只对高速旋转的刀架组合及粉碎腔进行了设计等；国内各高�；蜓芯克�，林德芳等针对我国食物的结构特点，对关键部件如电机、粉碎室、刀组等的设计和材料作了许多改进并申请了专利，刘建秀等应用有限元分析从力学的角度对其进行了粉碎刀盘的载荷计算。从流体动力学的角度来看，其内部流动属于液同两相流。粒子图像测速仪(PIV)、激光多普勒测速仪( LDA)及高速数码相机等被广泛地运用于固液两相流研究，但是带大弧度圆形器吸的测试采用以上技术手段均会产生测量误差，有些误差难以补偿甚至无法补偿，而采用PDPA点式测量方式能减少这些测量误差。对食物破碎机内部固液两相流的流场研究还没见过相应的报道，本文将从湿法粉碎角度出发，对粉碎室内部流场进行数值模拟，运用PDPA测试技术对冲击式食物破碎机内流场采用试验的方法来研究其内部的破碎机理，为食物破碎机的优化设计提供理论依据。
1、数值模拟
针对江苏大学工业中心绘制的冲击式食物破碎机，其基本参数为：额定功率350 W，额定扭矩1. 32 N．m，进口直径120 mm，出口直径38 mm，转轮直径118 mm。图1给出了冲击式食物破碎机剖面图。
破碎过程为非定常流动过程，且破碎时间非常短，大约为3mm，所以采用数值模拟来计算这个过程相当困难。为更加符合流动的真实条件，笔者假设破碎为3个不同过程，即第一阶段颗粒粒径为4 mm，第二阶段粒径更加细小为3 mm，最后结果为1 mm颗粒从刀盘孔径及刀盘与边壁间隙中随着水流冲走。对不同粒径颗粒的计算，从而将研究非定常破碎过程转化为研究定常的流动过程。本文将要研究的液固两相流是球形颗粒和水组成的两相体系，其流动特性与清水有较大的区别。其中的固相颗粒相具有浓度、粒径、颗粒形状及密度等特性。液同两相具有不同的速度场。本文中根据国人的饮食习惯，按0.5 kg计粉碎介质的重量，其密度为2 500kg/m3，认为流体相为牛顿流体且局部各项同性。
2、PDPA试验研究
整个实验装置可以分为冲击式食物粉碎机回路装置和测试系统实验装置。
2.1 回路装置
测试装置为开式结构，中间管路由PPR管连接而成，如图2所示。试验用冲击式食物破碎机测试部分为高58 mm，内径为120 mm的有机玻璃管改装而成，激光入射处将圆弧面修改成1cm×10cm平面，这样就能消除由于圆弧曲率造成的测量误差；上盖为相同内径，高为92 mm的有机玻璃管，上面进口处用螺纹与变径管连接；两部分用法兰连接。为了试验测量具有实际意义，本试验将水箱的水位高度定为400 mm，即保证进口速度保持恒定。进口速度约为0.3 m/s。
2.2测试系统
本文中采用对流场无影响的PDPA进行流场测试（如图3）。
试验采用侧向散射测量，因为相对于其他相对模式减少了在测量体内对速度梯度的敏感性。具体测点的位置坐标如图4所示，H为液面到刀头顶部的距离。
2.3数据分析及图像处理
图5给出了不同转速下粉碎室轴截面速度矢量分布数值模拟结果。
在粉碎室上部，进口处液体在压力的作用下获得最初始的速度，随后在重力及压力的作用下速度有所上升。在转速比较小时，液体受刀盘剪切力影响不大，粉碎室中液流变化不大；随着转速的增加，靠近边壁的液体形成一个很小的轴面漩涡，并且漩涡的范围随着转速的增加而增加。这主要是主流区液体在与刀盘相碰撞后，受刀盘离心力影响被迅
速输运到粉碎室边壁上，由于速度较大，先到的液相被后来的液相强烈冲击作用而沿着壁面向上运动，然后与来流混合，速度慢慢减少最后再次随着来流一起向下运动。说明粉碎机在整个循环过程中完成粉碎过程。
由于高转速下破碎室内周液两相流清晰度不高，给试验带来很大难度，笔者仅从350r／min、750r/min和850 r／m．n转速下对破碎室内流场进行了试验。
3 实验结果及分析
在破碎机的速度场中，切向速度占主导地位。破碎机内流场明显具有涡结构，即外旋流受破碎刀头影响不均匀，内旋流具有漩涡特性。其流速分布为：
式(1)中：n为漩涡指数，在破碎机内流场中，其值为-1，为强制涡。
为了从定量上比较不同转速下能量密度的强度变化情况，笔者选择一个可以表征能量密度的参数，对其进行体积加权平均，然后比较其大小。这里直接选用粘性耗散率，因为它与能量密度有着更直接的关系。
粘性耗散率体积加权平均的计算式如下：
4、结论
(1)转速越大，研磨介质受到的离心力越大，靠近壁面的速度梯度越大，即剪切率越高，所以从提高粉碎效率和效果出发，转速越大越好。通过定量分析粘性耗散率得出：增大破碎机的转速，其粉碎效率以转速的2. 33次方的速度增加。但转速过大，筒壁和刀盘的磨损加快，也会影响设备本身的寿命。所以综合两方面考虑，笔者建议设计时转速范围为850—3 000 r/min。
(2)粉碎室底部靠壁面处有两处大小不一的涡，形成二次回流。切向速度从破碎机中心向周边不断增大，内旋流具有强制漩涡特性，从轴面图得出0. 6<r/R<0.9为主要粉碎区。所以刀头最佳区域为0. 6R～0.9R范围，且刀头头部应设计成锯齿型，以便于增加剪切力度。
(3)通过比较冲击式食物破碎机粉碎室轴面及刀盘切向速度图，两者均在0. 6R以后速度变化较大，速度梯度明显，试验结果与模拟结果趋势一致。
