基于重叠网格的皮蛋喷淋涂膜仿真研究

摘要 为了加深对皮蛋喷淋涂膜工艺的认识，使用Fluent 软件中重叠网格耦合VOF 模型开展两相流研究，获得皮蛋不同摆放姿势下的液膜润湿比，并以膜厚变化指数为响应值，结合Box-Behnken 试验筛选出悬垂液滴去除时最优吸管参数与工作压力，结果显示：尖端朝下摆放的皮蛋经过喷淋后液膜润湿比为1，而钝端朝下摆放的皮蛋经过喷淋后液膜润湿比仅为0.836，筛选出最优吸管参数组合为间距14.50 mm、直径12.09 mm、工作压力6.97 kPa、膜厚变化指数预测值为0.636。在最优吸管参数组合下进行仿真试验，并利用气吸装置开展悬垂液滴去除试验，试验结果显示，膜厚变化指数仿真值与预测值的相对误差为1.73%，膜厚变化指数的实际值与预测值的相对误差为7.55%，与仿真值的相对误差为9.12%。结果表明本研究的耦合模型可用于皮蛋喷淋涂膜仿真试验。

关键词 皮蛋； 重叠网格； 喷淋涂膜； 悬垂液滴； 膜厚变化指数

中图分类号 S377 文献标识码 A 文章编号 1000-2421（2024）02-0254-10

目前，对皮蛋进行涂膜处理逐渐成为皮蛋加工生产中的必要环节［1-2］。禽蛋常见的涂膜方式有浸涂法、喷淋法、喷涂法等。不同涂膜方式下液膜形成机制与成膜效果存在较大差异。王子谛［3］对涂膜方法进行对比研究，发现采用喷淋涂膜速度最快。杨祯［4］以石蜡为涂膜剂，对比不同涂膜方式下皮蛋蜡膜的质量，发现采用喷淋法在皮蛋表面形成的蜡膜最为光滑。杨森［5］在设计鹌鹑蛋封蜡机时，发现利用喷涂法对鹌鹑蛋封蜡时喷出的雾状石蜡极易凝固，导致封蜡失败，最终选择喷淋法完成对鹌鹑蛋的封蜡。皮蛋喷淋涂膜过程是液膜铺展过程，液膜铺展后会在皮蛋底部形成悬垂液滴影响了液膜的均匀性。

国内外学者对液膜流动进行了大量研究。林庆国［6］通过射流撞壁试验，分析了射流孔径、射流速度、射流倾角以及壁面曲率等因素对液膜形态的影响，认为射流倾角是影响液膜形态的关键因素。Kibar［7］开展倾斜射流撞击竖直的超疏水壁面的试验，发现液膜铺展面积随着接触角的增大而减小，并分析了壁面接触角、射流倾角、射流韦伯数对射流撞壁反弹的影响。Good 等［8］则以水为冷却剂，对射流撞壁后的液膜分布进行试验研究，并分析了不同倾角下液膜最大宽度与射流速度之间的关系。Fard 等［9］通过三维数值对射流撞击溅板后液膜形成及破碎的过程进行了仿真，并结合试验验证了仿真结果的准确性。Cooke 等［10］利用数值对降膜流动过程进行了仿真研究，并且在数值仿真过程中应用了网格自适应加密技术，从而提高了计算精度和计算效率。目前有关悬垂液滴的研究较少，主要集中在纤维丝上悬垂液滴形态的研究，Mchale 等［11］基于 Young-Laplace 方程推导了忽略重力影响下纤维丝悬垂液滴轮廓表面的数学表达式；李健等［12］提出了一种基于液滴轮廓割线的纤维接触角测量方案，测量误差控制在±2.5°以内。虽然关于液膜的研究众多，但是研究主要集中在静止壁面上，鲜见有关皮蛋喷淋过程中悬垂液滴的研究。

针对目前皮蛋喷淋涂膜理论研究不足的问题，本研究开展皮蛋喷淋涂膜系统仿真研究，利用重叠网格与VOF 模型建立耦合模型对皮蛋喷淋涂膜模型进行数值计算，对皮蛋喷淋过程中皮蛋液膜铺展过程与喷淋涂膜后期悬垂液滴去除过程进行分析，并结合Box-Behnken 试验筛选出气吸式悬垂液滴去除过程中的最优参数，利用搭建的悬垂液滴去除装置对筛选出的参数进行验证，旨在为皮蛋喷淋涂膜工艺提供技术支撑。