Фиалкова Е.А., Баронов В.И., Слободин А.А.
ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММЫ SOLIDWORKS FLOW SIMULATION ДЛЯ ОПИСАНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ВИХРЕВОМ ЭМУЛЬСОРЕ *
Аннотация:
в работе сопоставлены данные о гидродинамике реального потока смоделированного в программе SolidWorks Flow Simulation в эмульсоре вихревого типа, в центральной части камеры энергетического разделения которого, создается зона пониженного давления – зона кавитации. В ней происходит разрушение дисперсионной фазы. Для оптимизации конструирования эмульсоров подобного типа предложено использование компьютерного моделирования гидродинамики процесса эмульгирования. Для проверки адекватности результатов моделирования и реального процесса проведена визуализация и сравнительная оценка формы потоков. Установлено, что использование программы SolidWorks Flow Simulation позволяет получить достаточно близкую к реальности общую картину потока
Ключевые слова:
вихрь, эмульсия, компьютерное моделирование, дисперсная среда, кавитация
DOI 10.24412/2712-8849-2023-562-884-894
УДК 664.3.032.1
Фиалкова Е.А.
док. техн. наук, профессор кафедры технологического оборудования
Вологодская государственная молочнохозяйственная академия
имени Н.В. Верещагина
(с. Молочное, г. Вологда, Россия)
Баронов В.И.
канд. техн. наук, доцент кафедры технологического оборудования
Вологодская государственная молочнохозяйственная академия
имени Н.В. Верещагина
(с. Молочное, г. Вологда, Россия)
Слободин А.А.
аспирант кафедры технологического оборудования
Вологодская государственная молочнохозяйственная академия
имени Н.В. Верещагина
(с. Молочное, г. Вологда, Россия)
ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММЫ SOLIDWORKS FLOW SIMULATION
ДЛЯ ОПИСАНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ В ВИХРЕВОМ ЭМУЛЬСОРЕ
Аннотация: в работе сопоставлены данные о гидродинамике реального потока смоделированного в программе SolidWorks Flow Simulation в эмульсоре вихревого типа, в центральной части камеры энергетического разделения которого, создается зона пониженного давления – зона кавитации. В ней происходит разрушение дисперсионной фазы. Для оптимизации конструирования эмульсоров подобного типа предложено использование компьютерного моделирования гидродинамики процесса эмульгирования. Для проверки адекватности результатов моделирования и реального процесса проведена визуализация и сравнительная оценка формы потоков. Установлено, что использование программы SolidWorks Flow Simulation позволяет получить достаточно близкую к реальности общую картину потока.
Ключевые слова: вихрь, эмульсия, компьютерное моделирование, дисперсная среда, кавитация.
Для пищевой промышленности эмульсии являются незаменимым компонентом в производстве мясных, рыбных, молочных продуктов, кондитерских изделий, напитков. Самое широкое применение эмульсии нашли, например, в масложировом производстве для изготовления маргарина, майонеза, различных соусов. Если учесть, что само молоко является эмульсией, то понятно, что эмульгирование необходимо для молочных и особенно, молокосодержащих продуктов, которые приобретают популярность в последнее время [1-5].
Чем большую дисперсность имеет эмульсия, тем выше ее вкусовые качества и усвояемость организмом. Поэтому в настоящее время большое внимание уделяется разработке всевозможных конструкций эмульсоров – устройств для производства эмульсий, которые чаще всего создают эмульсию «жир в воде», а иногда обратную – «вода в жире». Для интенсивного диспергирования жировой фракции применяют различные физические воздействия, а именно, неравномерное магнитное поле, ультразвуковое излучение, а чаще всего – интенсивное механическое воздействие. Для этого создают специальные канавки, через которые проходит диспергируемый продукт, узкие зазоры, в которых скорость продукта возрастает, применяют ударные воздействия на продукт и так далее [6, 7].
Любое новое конструктивное решение аппаратов для эмульгирования имеет целью повысить качественные показатели эмульсии, в частности, ее дисперсность, которая во многом определяет вкусовые качества эмульсии и ее усвояемость. Совершенствование конструкции устройства, требует значительных трудозатрат, а именно, проектирования и изготовления большого количества вариантов различных деталей, испытаний их влияния на процесс, подробного анализа результатов эксперимента.
Если обобщить все факторы воздействия на продукт в процессе эмульгирования, то можно понять, что все они сводятся к интенсификации зон кавитации в потоке продукта [8].
Зоны кавитации характеризуются пониженным давлением. Следовательно, для наиболее интенсивного диспергирования жировой фракции необходимо создание обширных зон кавитации и обеспечение возможности прохождения продукта через эти зоны, а, точнее увеличение времени нахождения продукта в этих зонах. Самым главным условием высокой дисперсности продукта и однородности его дисперсионного состава является прохождение всего объема поступающего в аппарат продукта через зоны кавитации [9, 10].
Следовательно, задача сводится к оптимизации гидродинамических условий процесса эмульгирования, которые достигаются оптимизацией конструктивных и эксплуатационных и технологических параметров устройства, а именно, температуры, давления, мощности ультразвуковых или магнитных излучений.
Материалы и методы
Оптимизация гидродинамических параметров любого процесса, в частности, процесса эмульгирования, требует, в первую очередь, соответствующего изменения конструктивных параметров устройства, а именно, конструктивной части, организующей поток эмульсии и ее компонентов, а также поток всевозможных излучений. Для того чтобы сократить время и затраты на совершенствование конструкции аппарата представляется целесообразным проведение виртуального моделирование гидро- и термодинамических процессов, сопровождающих эмульгирование. Для этого в настоящее время существуют многочисленные компьютерные программы Siam Well Test, ANSYS fluent, COMSOL Multiphysics®, SolidWorks Flow Simulation и многие другие. Безусловно, результаты гидо- и термодинамической картины, полученной с помощью любой из этих программ нельзя считать истиной в последней инстанции. Все они имеют в своей основе метод наименьших квадратов. Для проведения исследования модель разбивается на ряд элементарных участков посредством расчетной сетки. В каждом узле расчетной сетки программа осуществляет вычисление всех гидродинамических параметров. Любая из перечисленных программ производит ряд последовательных итераций до условия полной сходимости в каждом узле расчетной сетки. Расчет может быть произведен с различным размером ячейки сетки: чем гуще расчетная сетка, тем точнее будут результаты расчета. В то же самое время такое повышение точности потребует значительно больших затрат времени на расчет. Программа позволяет выбрать размер ячейки расчетной сетки в соответствии со шкалой степени точности. Поэтому погрешность всегда существует, даже при выборе самой высокой степени точности.
Устройство и принцип работы эмульсора
Целью работы является сопоставление данных о гидродинамике реального потока и смоделированного в программе SolidWorks Flow Simulation в эмульсоре вихревого типа.
Основным элементом экспериментального вихревого эмульсора является вихревая камера, или камера энергетического разделения 1 (рис.1.а). В центральной части камеры энергетического разделения образуется зона интенсивной кавитации, где происходит диспергирование всех составных частей эмульсии. Камера выполнена из прозрачного материала, обеспечивая возможность визуализации гидродинамических процессов, происходящих в ней. Камера энергетического разделения закреплена на металлическом корпусе 6 при помощи герметика 3. Прокладка 2 дополнительно обеспечивает полную герметичность рабочей камеры. К верхней части корпуса 6 при помощи четырех симметрично расположенных винтов 5 прижимается диск 4 с тремя прорезями, обеспечивающими равномерную тангенциальную подачу дисперсионной фазы в камеру энергетического разделения эмульсора.
Рис. 1. Конструкция вихревого эмульсора: а – схема вихревого устройства, б – компьютерное моделирование траектории вихревого потока, 1 - камера энергетического разделения, 2 – прокладка, 3 – слой герметика, 4 – диск с прорезями для подачи дисперсионной среды, 5 – винты, 6 – верхняя часть корпуса, 7 – патрубок подачи дисперсионной среды, 8 – патрубок подачи дисперсной фазы, 9 – напорная камера подачи дисперсионной среды в рабочую камеру; 10 – линия траектории движения потока, 11 – тангенциальные прорези в диске 4, 12 – шкала скоростей потока
Для жесткой фиксации диск прижимается к ступеньке на верхней части корпуса. Диск 4 отделяет зону подачи дисперсионной среды 9 от камеры энергетического разделения. Дисперсионная среда подается по патрубку 7, жестко закрепленному на корпусе. Дисперсная фаза подается по патрубку 8 в камеру энергетического разделения, в область кавитации, через инжектор, которым заканчивается патрубок подачи дисперсионной среды. Патрубок 8 ввинчен в корпус 6. На рисунке 1б показана траектория движения дисперсионной среды 11, которая проходит сначала по патрубку 7, затем по камере 8, а, далее, проходя через прорези 4, приобретает форму скручивающейся спирали в камере энергетического разделения 1.
Принцип действия вихревого эмульсора заключается в следующем. По патрубку 7 в камеру 9 под давлением подается дисперсионная среда. Затем, проходя через прорези 10 в диске 4, поток дисперсионной среды приобретает винтовую траекторию, перемещаясь к выходу вихревой камеры 1 в виде скручивающейся спирали 11. Вихревое движение обладает свойством создания зон пониженного давления в центральной части потока, вблизи оси. Именно вблизи оси камеры энергетического разделения создается зона кавитации. Поэтому конструкцией вихревого эмульсора предусмотрена подача дисперсной фазы по патрубку 8 непосредственно в зону кавитации. В зоне кавитации происходит интенсивное перемешивание дисперсионной среды и дисперсной фазы и ее дробление на мелкие жировые шарики.
Описание гидродинамических процессов в вихревом эмульсоре
В результате компьютерного моделирования в программе Flow Simulation была получена траектория движения потока (рис. 1б), получены такие параметры потока как давление и скорость по всему объему вихревого устройства. Для расчета была выбрана сетка с размером ячейки от 0,039 до 0,43 мм. В качестве граничных условий исследуемой модели были выбраны параметры статического давления на входе патрубка 7 и выходе из камеры энергетического разделения 1. Значение входного давления составляет 0,4 МПа. Условие выхода предполагалось свободным, то есть 0,1 МПа. Расчетом предусматривалась упрощенная модель течения жидкости в корпусе эмульсора, не учитывающая подачу жидкости через инжектор. Как видно из рисунка 1 б, линия траектории имеет различную окраску. Цвет линии соответствует скорости потока, которая определяется по шкале 12 на рисунке 1б. Проходя по патрубку подачи дисперсионной среды 7 (рис. 1), поток имеет небольшую скорость порядка 3,5 м/с, затем, проходя по напорной камере, поток 2 замедляется и вновь ускоряется в прорезях и на входе в камеру до 7 м/с.
Результаты
Для визуального сравнения модельного и теоретического потоков строилась эпюра окружных скоростей с линиями тока, которая сравнивалась с фотографией реального потока в рабочей камере эмульсора при алогичной конструкции и эксплуатационных параметрах, а именно, давление на входе 0,4 МПа, коэффициент кинематической вязкости равен 10-6 м2/с. При рассмотрении расчетного потока с позиции перемещения жидкости и сравнении с опытными денными (рис. 2) заметно их хорошее совпадение по форме приосевых потоков. На модели четко видны вихревые зоны 1, 2, 3 (рис. 2). В реальном потоке существуют аналогичные вихревые зоны 5, 6, 7, которые, хотя и не очень четко, но визуализируются при фотографировании. Они несколько смещены по сравнению с модельными, но присутствие их очевидно. Следует отметить хорошее совпадение по форме приосевых потоков 4 и 8. Следовательно, использование программы позволяет получить достаточно близкую к реальности общую картину потока. Однако, сделать вывод о совпадении скоростей движений расчетного и реального потоков не представляется возможным.
Рис. 2. Жидкостной поток в вихревой камере эмульсора:
а – эпюры окружных скоростей потока, б – фотография реального жидкостного потока при тех же конструктивных параметрах вихревой камеры и граничных условиях потока, 1,2,3 – вихревые зоны в модели, 5,6,7– вихревые зоны в реальном потоке, 4,8 – приосевые потоки в модели и в реальном потоке соответственно, 9 – шкала скоростей потока
Обсуждение
В заключении следует отметить, что, в основе программ лежат гидродинамические закономерности, предложенные в уравнениях Навье-Стокса, которые не всегда адекватно описывают реальный процесс. Поэтому достижение оптимальных условий при компьютерном моделировании не гарантирует его абсолютной адекватности реальному процессу. Полученные при расчетах данные должны проходить проверку в реальных условиях. Рассматривая различные конструктивные изменения при моделировании и оценивая их влияние на гидро- и термодинамику процесса, можно выявить некоторые закономерности и использовать их при проектировании новых конструкций.
Выводы
Сопоставление экспериментальных данных и компьютерной модели в программе SolidWorks Flow Simulation при одних и тех же условиях протекания процесса, позволяет получить достаточно близкую к реальности общую картину потока. Однако, сделать вывод о совпадении скоростей движений расчетного и реального потоков не представляется возможным. В результате можно сделать вывод, что результаты компьютерного моделирования могут быть хорошим руководством при создании новых устройств.
Благодарности
Работа выполнена на средства научного гранта Департамента экономического развития Вологодской области (договор №21 от 10.12.2021)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Номер журнала Вестник науки №5 (62) том 4
Ссылка для цитирования:
Фиалкова Е.А., Баронов В.И., Слободин А.А. ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММЫ SOLIDWORKS FLOW SIMULATION ДЛЯ ОПИСАНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ВИХРЕВОМ ЭМУЛЬСОРЕ // Вестник науки №5 (62) том 4. С. 884 - 894. 2023 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/8500 (дата обращения: 29.04.2024 г.)
Вестник науки СМИ ЭЛ № ФС 77 - 84401 © 2023. 16+