PDF《OOD&MACHINERY》

t h e n e a r-w a l l r e g i o n o f t u r b u l e n t ;

m i c r o s t r u c t u r e o f w a l l s u r f a c e ;

f l u i d d y n a m i c s 高压均质机是液体物料均质细化和高压输送的专用设 备和关键设备, 其主要原理是使物料在通过均质阀时, 在高 压下产生强烈的剪切、 撞击、 空穴和湍流蜗旋作用, 使液态物 料或以液体为载体的固体颗粒得到超微细化.高压均质机 均质产品质量的影响主要有: ① 提高产品的均匀度和稳定性;

② 增加保质期;

③ 减少反应时间从而节省大量催化剂或 添加剂;

④ 改变产品的稠度、 口味和色泽等等. 高压均质机近年来的发展主要表现在工作压力的提高 和均质阀结构( 或均质腔) 的变化上, 其中均质阀作为均质机 的核心结构被不断研究和发展.均质阀( 或均质腔) 的结构 变化反映了均质方 式的差异和均质效果[ 1-3] .均质阀内的工作空腔称作均质腔.根据湍流近壁区的理论[ 4] 分析, 均质 腔壁的粗糙度增加, 壁面的表面摩擦系数 Cf 也随着增加, 湍 流在近壁区的一些动力参数也发生改变. 在以往对均质腔的研究中, 对狭缝区域的分析 比较多, 因为流体在狭缝处能量交换集中, 物料主要在狭缝处发生均 质细化.通过分析, 流体在均质腔壁处也会有能量变化, 如: 湍动能减小, 并且壁面的粗糙度越大湍动能减小的幅度越大.均质腔壁表面的微结构增加了壁面的粗糙度.为了 探 究腔壁表面的微结 构对均质性能的影响, 本试验对油-水乳液在高压均质腔内的流动过程进行数学建模和数值计算, 得 到速度、 湍流耗散率、 均质粒径等结果.

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1 油滴在均质腔内的流动分析 1.

1 粗糙壁面对湍流的影响 粗糙元主要作用是产生形状阻力, 并反馈给流体[ 5] .由 于粗糙元的存 在, 粗糙壁面的一些物理参数比光滑壁面的大.如粗糙壁面的平均剪切应力要比光滑壁面的大, 并且随 着粗糙度的增大, 平均剪切应力增大;

随着粗糙度的增加, 粗 糙壁面的法向脉动速度不断增大, 从而导致粗糙壁面上湍流 耗散率ε 增加[ 6-8] .根据文献[ 7] 中的结论, 制做了一个简单的管道模型, 用于分析管道壁的粗糙度对湍流的影响, 结 果见图1. 图1 流道内的剪切力和湍流耗散率 F i g u r e

1 S h e a r s t r e s s a n d t u r b u l e n t d i s s i p a t i o n r a t e i n t h e f l o w c h a n n e l 由图1可知, 对于同一模型, 湍流在流道内的剪切力和 湍流耗散率随壁面粗糙度的增加而增大.这是因为粗糙元 的存在使粗糙微流道内的流场不同于光滑流道, 特别是在壁 面附 近区域, 在粗糙元背面的角落区域形成旋涡状回流区[ 9] . 1.

2 油滴破碎的理论分析 均质腔内瞬间失压的流体以极高的流速喷出, 碰撞在均 质阀组件之一的冲击环上, 产生3种效应: 空穴效应、 撞击效 应、 剪切效应.其中剪切效应是高速流体通过均质腔通道和 缝隙时产生的强烈剪切作用. 基于剪切效应, 油滴破碎主要是由垂直于油滴表面的惯 性力作用[

1 0] .当颗 粒雷诺数大于1时, 惯性力以流体粘滞力为主, 这种流体黏滞力对油滴产生了剪切作用.其中........