基于Fluent 的面团流经机筒区域分析

王莎莎 金向阳 施 法 杨玉昆 白鹏程 董子昂

（哈尔滨商业大学 轻工学院，黑龙江 哈尔滨150000）

1 概述

一个典型食品加工系统由混合料仓、称重给料装置、预处理机、机筒装置、成型模具、切割装置组成。根据荞面面鱼设备的工作原理可将设备分为四大阶段，第一阶段是调质装置（机筒和桨叶）进行搅拌和面工作并将和好的荞面送入螺杆挤出装置；第二阶段是由电机驱动的首次螺杆挤出装置，荞面小团从其与调质装置接触口流入首次螺杆挤出装置；第三阶段是二次机筒挤出装置，由于这一阶段面团的形状特性基本稳定，本论文将主要针对这一阶段进行研究分析；第四阶段是模具成型阶段，在推力作用下荞面小团从其出口端挤出进行切割后流入模具成型阶段，形成荞面面鱼。

面团挤压时是利用机筒装置来推动面团进行工作，因为机筒装置中的螺杆将其全部能量完全作用于面团，所以能够产生非常高效的推动作用。螺旋进行旋转工作时对面团的作用主要有以下几个方面：（1）螺杆旋转时促使面团介质之间相互撞击并起到能量传递的作用。（2）螺杆旋转时促使面团在螺杆与机筒共同作用下受到撞击力、挤压力、剪切力进行揉搓工作。

2 有限元分析建模

对于机筒装置装置的性能参数的测定和其在机筒装置运行过程中面团的流动细节的了解是十分重要的，CFD 为螺杆挤压装置的仿真提供了理论基础，利用有限元软件的FlUENT 流体仿真模块能够相对准确的仿真出面团在机筒中的运动变化情况。仿真过程的基础结构如图1 所示。

图1 仿真过程结构图

2.1 机筒装置的三维模型

机筒装置由筒体、螺杆、机架、传动部分等部件组成。但是仿真的部件主要是筒体和螺旋挤压杆，所以只对这两部分进行三维建模，利用三维模型软件Solidworks 通过拉伸、螺杆、组合求差对面所流经区域的三维模型进行建模。建模需要的尺寸如下：

螺旋搅拌杆：螺距15mm，轴的直径12mm，螺旋搅拌叶片直径32mm，叶片厚6mm，螺旋叶片高200mm。

筒体：直径35mm 高：205mm。

通过具体尺寸建立完成的三维模型如图2（a）所示，通过求差得到面所流经区域的三维模型建模如图2（b）所示。

图2 三维模型

从流体域的轮廓线图可以明显看到面所流经区域的螺旋纹路，同时可以看到螺旋叶片是一直延伸到机筒底部。

2.2 面团流经区域模型的ICEM CFD 网格划分

研究面流经区域的流体特征是以CFD 作为理论基础，ICEM CFD 仿真过程中最重要的一个环节就是网格划分，网格划分的精度将直接影响后续仿真结果的准确性。CFD 对导入的三维模型只有线单元和面单元概念存在，三维实体创建完成后，将其另保存为step 格式的文件，CFD 通过File-Import model导入流体域的三维模型，线、面单元将流体域的轮廓线表示如图3（a）所示。导入到ICEM CFD 的中的三维模型透视图如图3（b）所示，可以清楚的看到螺旋轴的外表面与筒体之间的流体域。

图3 ICEM CFD 中流体域

从图3 中也可清楚的看到面所流经区域模型导入ICEM CFD 中的立体模型是由一个螺旋搅拌叶片内表面、圆柱机筒外表面以及上、下两个圆面所组成。

由于结构化网格在计算不规则模型存在很大的局限性和困难性，所以使用非结构网格对流体域进行划分网格，在网格划分之前需要重新生成拓扑结构以方便检查流体域是否存在多余的线，通过修补拓扑结构使得整个模型各处具有完整性，划分网格是设置Max element 为100，划分好的网格结构如图4所示，在网格划分好之后需要保存mesh 文件。

图4 CFD 网格划分

2.3 面团流经区域模型的FLUENT 仿真

2.3.1 FLUENT 仿真模型

ICEMCFD 划分并保存好的.msh 文件导入FLUENT 中的网格模型如图5 所示。在图中能够明显得看到两种颜色区域，其中白色区域是在ICEM CFD 中定义的WALL 面，蓝色区域是定义的INLET 和OUTLET 面。

图5 FLUENT 中的网格模型

2.3.2 FLUENT 参数设定

（1）定义材料

FLUENT 仿真需要对材料进行设置，面团机筒装置中主要的材料是面团，通过查阅资料得知面团密度ρ=520kg/m3，面团属于粘流态非牛顿流体。

（2）边界条件设定

面团从输入端流入输出端挤出，设定入口为速度入口（Velocity inlet），入口流速设定为0.02m/s，出口设定为压力出口（Pressure outlet）。

（3）求解算法

在Solution Methods 设置中，使用Pressure-based 求解器时，在求解时涉及到算法的问题，这里的算法一般有以下几种：SIMPLE、SIMPLEC、PISO 和Coupled。在高速可压流动时，耦合式求解器比分离式求解器更有优势。采用Coupled 算法，求解计算五十步残差收敛如图6 所示。Coupled 算法同时求解连续方程、动量方程和能量方程。计算过程也需要经过迭代。

图6 残差曲线

2.3.3 结果分析

（1）压力云图见图7，出口阶段受到的压力大于入口压力，可以清楚看到圆型底面有一部分所受压力较大，整体压力呈现下降趋势。

图7 压力云图

（2）性能云图见图8，整体面流经区域性能较好，同样在圆型底面出现性能不太稳定情况。

图8 性能云图

（3）速度云图见图9，外层流速基本处于稳定状态，随后流速沿着近似圆环状在逐渐减小。

图9 速度云图

综合以上分析，螺杆挤压装置中的面食在受到进口速度与出口压力的作用下发生挤出运动。

3 结论

本文通过ICEM CFD、FLUENT 软件对机筒装置中面所流经区域进行仿真分析，同时可根据需要设定不同参数及模型进行求解分析，绘制面流经区域的速度云图、压力云图等，模拟了面食在机筒中的情况，对螺杆挤压装置的设计优化具有一定的意义。