基于FLUENT的易拉罐灌装阀阀道流场分析与结构优化

黄 川，李东波，刘延友，何 非，张 敏

(1.南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)(2.南京玻璃纤维研究设计院 先进材料事业部，江苏 南京 210012)

基于FLUENT的易拉罐灌装阀阀道流场分析与结构优化

黄 川1，李东波1，刘延友2，何 非1，张 敏1

(1.南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)(2.南京玻璃纤维研究设计院 先进材料事业部，江苏 南京 210012)

首先运用FLUENT软件对易拉罐灌装阀阀道进行数值计算模拟，得出阀道流场分布，然后通过分析流场分布结果找到阀道结构受最大冲击以及最大压力的位置并进行优化，最终得到提高易拉罐灌装阀抗冲击性能以及使出口速度分布均匀的阀道结构，从而提高了灌装精度并为同类产品优化提供依据。

流体分析；结构优化；灌装阀阀道；易拉罐

中国连续多年保持世界第一大啤酒生产国称号，快速发展的啤酒消费业刺激着啤酒灌装设备产业的发展[1]。啤酒灌装生产线在我国啤酒工业的促动下积极地吸收国外先进技术并通过不断地自主创新得已发展壮大[2]。易拉罐灌装阀是专门针对易拉罐瓶型开发的灌装设备，由于易拉罐材质及瓶口形状的特殊性，其灌装机阀道结构不仅需满足灌装的精度、泄漏率等要求，而且需要考虑容器的不可施压性。因而运用FLUENT软件分析易拉罐灌装阀阀道流场并对其结构进行优化设计，对于提高灌装精度有现实意义。

计算流体动力学方法近年被广泛应用于工程模拟，而FLUENT软件是计算流体动力学方法应用最广泛的软件之一，主要用于气液流场模拟，能够准确模拟出流体的运动状态，流场内压力、速度、湍流能量变化等等，为分析灌装阀内流道流场以及优化设计灌装阀阀道结构提供了具体可实施的方法，对于改善阀道结构，提高灌装机精度起到重要作用。因此，采用FLUENT软件模拟流场是进行流道结构设计、优化、评价的常用手段。

1 易拉罐灌装阀结构简介

易拉罐材料一般为铝合金，其中以铝铁合金、铝镁合金较为常见，由于添加了合金元素使得铝合金具有良好的塑性变形性能，因而在灌装过程中不可向容器施加大的压力，故为保证啤酒稳定进入易拉罐采用机械式等压灌装阀。机械式等压灌装阀结构简单，但其灌装精度较低；同时由于易拉罐型号规格是固定的，易拉罐灌装时是未封盖状态，灌装口径大，酒液从灌装阀道流出到易拉罐的过程稳定性低，为保证酒液流入的稳定性，灌装阀阀道内结构需增加复杂的微结构，因此流体流过阀道时对结构的冲击力增加，加大了灌装能量的损失，降低了灌装效率及精度。图1为易拉罐灌装阀实物图。

图1 易拉罐灌装阀

易拉罐灌装阀主要由酒液灌装阀、气动上升装置以及对中装置组成。当易拉罐由进瓶装置的拨杆拨至托盘后，气动上升装置带动托盘上升至灌装阀底部，然后易拉罐完成与对中装置的对中，接着充入CO2气体以排空容器内空气，最后开始灌装啤酒。灌装阀结构如图2所示。

图2 易拉罐灌装阀二维结构图

灌装阀主要包括上阀体8、下阀体3、阀芯5、导向杆7、压簧9，其中导向杆与CO2阀、酒阀相连，灌装阀阀芯中间的孔用于充CO2气体，上阀体与下阀体之间的环形出口主要用于排易拉罐内空气。阀芯与上阀体之间的孔隙主要是用于啤酒灌装。气缸带动导向装置上升，上阀体压紧弹簧，阀芯、密封圈4与上阀体分离，酒液通过。阀芯接着上升压缩弹簧，当阀芯底面触碰到上阀体下部最小直径处时，阀道闭合，灌装结束。图2中1为易拉罐，2为对中密封装置，6为密封圈。图3为阀道结构示意图。

图3 易拉罐灌装阀阀道结构图

易拉罐灌装口径很大，为使酒液顺畅流过，在设计阀道形状时，须保证酒液两侧恰与易拉罐壁切合，阀道外边与易拉罐边缘切合，阀道出口处内侧边与易拉罐外边平行，这种结构使得原本顺畅简单的阀道结构变得复杂，从而加大了灌装能量损失，降低灌装精度及效率。因此运用计算流体力学软件对其进行建模仿真，分析阀道流场，并优化阀道结构以提高灌装效率和精度，尤为重要。

2 利用FLUENT进行仿真运算

2.1FLUENT求解原理简介

运用FLUENT软件的核心求解模块Navier-stokes方程组对易拉罐灌装阀阀道流场进行仿真，该方程组可进行二维、二维轴对称和三维流动的流场及各种层流、湍流，定常、非定常流场的模拟计算，以及进行单相流/多相流分析、气固液耦合分析等。本文所分析的流场属于非传热的多相流湍流，且为定常流动，采用的是二维对称模型。运用FLUENT软件进行计算流体力学分析，首先运用计算机绘图软件建立几何模型，然后导入前处理软件GAMBIT进行网格划分以及边界条件设置，最后导入FLUENT软件进行数值模拟，在FLUENT软件中进行的数值模拟过程如图6所示。首先建立控制方程、初始条件以及边界条件，然后运用选取的离散方程和控制方程进行迭代计算，直到满足迭代要求，结束计算[3]。

图4 FLUENT数值模拟过程示意图

2.2易拉罐灌装阀阀道模型及GAMBIT前处理

由于阀芯上升4mm时酒液灌装阀开度最大，阀道所受的冲击最大，故模拟此状态下酒液从灌装阀阀道到易拉罐开口面之间的流动，找出阀道结构的薄弱处。由于阀道为三维轴对称结构，因而只选取右侧阀道的二维平面模型作为模拟模型进行分析，以减少由于网格划分差异导致的误差。图5为灌装阀右侧阀道模型。

图5所示的模型包含灌装阀道以及易拉罐进口端面。整个模拟灌装过程为等压状态。图6为采用前处理软件GAMBIT对阀道模型进行网格划分后的网格模型，节点数为3 114，结构化的四边形单元2 895个，1个velocity进口，1个outflow出口，axis对称轴1个，其余为WALL边界。

图5 右侧阀道模型 图6 右侧阀道网格模型

2.3FLUENT计算模型与求解模型建立

易拉罐灌装阀阀道流体模型区域属于单相流区域，其计算方程主要包括动量守恒方程、质量守恒方程，以及标准k-ε双方程的湍流方程，湍流方程进行湍动能k和耗散率ε的求解，同时采用标准近壁函数处理壁面[4]。

将GAMBIT生成的网格文件读入FLUENT中。求解器选取Density Based密度基求解器并采用Implicit隐示格式。空间属性设置为二维对称时间属性设置为定常流动(Steady)。湍流模型选取k-epsilon(2eqn)模型。数值离散模式选取二阶离散格式，因其可引入更多的相邻节点，并考虑流动方向性的影响，可明显降低离散误差。算法采用SIMPLE算法，该方法有很高的间断分辨率以及粘性分辨率，对于求解阀道定常流动问题很合适[5]。

2.4边界条件的设定

根据灌装阀的实际工作情况，边界条件设置如下：

a.整个灌装过程为等压灌装，压力大小为0.4MPa。

b.阀道为轴对称结构，对称面上法向速度为0。

c.酒液入口边界为velocity入口，初始速度为0.2 m/s，其湍流强度为4，水力直径为5.9mm。出口边界为Outflow出口。

d.近壁面采用标准壁面方程处理。

e.由于啤酒的密度及流体特性都与水非常接近，故模拟过程运用水代替酒液。

3 模拟结果与数据分析

通过对易拉罐灌装阀阀道进行流场分析，得到其流场压力分布图、速度分布图、湍流动能分布图、湍流强度分布图，如图7～图10所示，对图形进行分析，可以确定易拉罐灌装阀流道结构的薄弱处，并作出相应改进。

图7 阀道内流场压力分布

图8 阀道内流场速度分布

图9 阀道内流场湍流动能分布

图10 阀道内流场湍流强度分布

由图7可以看出，最大压力出现在与易拉罐相切的阀道处。一般最大压力出现在密封圈安装处，但由于该灌装阀结构的特别性才会出现该现象，应该在满足易拉罐瓶型要求的同时修改此处结构，以得到优化。灌装阀阀道内最大流速为7.84e-1m/s，最小流速为3. 92e-2m/s，阀道密封圈安装处的流速则在6.66e-1m/s左右。可以看出灌装过程中，液体的流速变化很大，大的速度冲击容易对密封圈拐角产生冲击腐蚀，加速密封圈的损坏，从而影响灌装阀的密封性能，降低灌装精度。灌装阀底部酒液进口处速度比较均匀且平稳，酒液出口即模型最底部各部位流速差别较大，容易造成啤酒激沫，影响啤酒口感。从湍流动能分布和湍流强度分布也可以看出，湍流动能的最大损耗在密封圈位置，说明啤酒灌装过程中对于密封圈的冲击磨损很大，应该对密封圈作出更好的保护，以保证灌装气密性及精度。

4 易拉罐灌装阀结构优化方案

通过运用FLUENT软件对易拉罐灌装阀阀道流场的仿真分析，结合速度和压力云图以及实际的灌装条件和要求，若要降低最大压力以及提升啤酒口味，需要对阀道出口与易拉罐切合位置处进行结构改进。

采用非平行外侧边缘的结构，即将阀道内边与水平边的角度从原来的37°改为40°，并在满足阀芯底面能封锁阀道最窄位置的前提下，设置半径为1mm的圆角过渡使该处结构平滑，不至过于突兀。改进后的阀道结构图、压力分布图、速度分布图、湍流动能分布图如图11～图14所示。

结构优化后，由压力分布图可知，虽然压力最大处位置没变，但是阀道内压力明显降低，同时从速度分布图可以看出，结构改进后流体速度大小在阀道中分布较接近，尤其是密封圈下部并未出现强大速度冲击，而且阀道出口处流体速度提高，且速度差减小，可以减少由于出口流速差别造成的激沫现象，从而保证啤酒口感。最后从湍流动能分布图可看出湍动能最大的位置转移到了阀道底部，从而可以验证速度分布图中得出的对密封圈冲击变小的结论。综上可知，通过优化易拉罐灌装阀结构，对灌装精度、口感以及效率都有了保障性的提高。

图11 优化后模型

图12 优化后模型压力分布图

图13 优化后模型速度分布图

图14 优化后模型湍流动能分布图

另外，若需提高密封圈的抗冲击性能以增加密封圈使用寿命，建议灌装阀阀道处采用抗冲击且密封性能好的唇形密封圈代替。

5 结束语

本文运用FLUENT软件对易拉罐灌装阀阀道进行了数值计算模拟，得到阀道流场分布结果，并对阀道结构进行了优化，优化后的易拉罐灌装阀抗冲击性能提高以及出口速度分布均匀，可以保证酒液稳定精确地充进易拉罐中，提高了易拉罐的灌装精度,对生产实际有一定的指导意义，可供同行参考借鉴。

[1] 韩占忠，王敬．FLUENT流体工程仿真计算实例与应用[M]．北京：北京理工大学出版社，2010.

[2] 石银．全液压转向器的流场分析及其特性研究[D]．镇江：江苏大学,2007.

[3] 崔曼.盒中袋灌装阀阀口流场分析与结构优化[J].包装工程,2012,33(7):74-77.

[4] 王艳珍,于兰英,柯坚，等.水压锥阀流场的CFD解析[J].机械,2003,30(5):20-22.

[5] 汪俊.基于计算流体力学的水压泵流动与传热分析[D].武汉：华中科技大学，2009.

TheFlowDistributionAnalysisandStructureOptimizationofCansFillingRoadBasedonFluent

HUANG Chuan1,LI Dongbo1,LIU Yanyou2,HE Fei1, ZHANG Min1

(1.Nanjing University of Science and Technology, Jiangsu Nanjing, 210094, China)(2.Nanjing Sinoma Science & Technology Co., Ltd., Jiangsu Nanjing, 210094, China)

Using Fluent software to carry out numerical simulations of cans filling valve channel, it gets the flow distribution of valve road. Based on analyzing find the maximum impact structure and the maximum pressure position in the channel, it realizes the optimization design. This new structure has a improving impact resistance and also an evenly distributed exit velocity of fluid. The result shows that the new structure improves filling accuracy and provides a basis for the optimization of similar products.

Fluid Analysis; Structural Optimization; Filling Valve Road; Cans

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.08.007

2014-07-08

黄川(1988—)，女，湖北随州人，南京理工大学硕士研究生，主要研究方向为流体分析以及机械结构。

TH12

A

2095-509X(2014)08-0027-05