高壓射流磨振蕩反應腔CFD模擬及結構優化

梅立仁 許克平 艾凡榮 戴濤濤,2 陳 軍,2

(1. 南昌大學食品科學與資源挖掘全國重點實驗室,江西 南昌 330047;2. 江西南大國創院食品科技有限公司,江西 南昌 330047;3. 南昌大學先進制造學院,江西 南昌 330031)

動態高壓微射流技術(dynamic high-pressure microfluidization,DHPM)起始于20世紀90年代末,是在高壓均質技術(high pressure homogenization,HPH)的基礎上開發出的一種新型細化均質技術[1-2]。在食品行業中已被廣泛應用于運載體系制備、食品生物大分子改性、食品加工以及輔助殺菌等方面[3-5]。但是,DHPM設備的振蕩反應腔尺寸通常較小(<300 μm),在處理纖維素含量高、黏度大的物料時易發生堵塞,最為關鍵的是其處理量小,使得DHPM在食品行業的進一步應用受限。

工業級高壓射流磨(industry-scale micofluidizer,ISM)主要由電氣控制部件、三柱塞往復增壓泵和振蕩反應腔3個部分組成[6],如圖1所示。其工作原理是將經增壓泵升至高壓的含有固體顆粒的多相流體物料輸入到振蕩反應腔中,物料在特殊設計的微孔道結構中經歷強烈的高速剪切、射流撞擊、空穴效應等作用,實現對多相流體高效的粉碎、均質和乳化。與傳統的DHPM設備相比,ISM具有更大的反應腔孔道(300～500 μm)、更廣的粒徑要求(最大處理粒徑達80目)、更大的物料處理量(500 L/h)[7]。

ISM在食品超微粉碎加工方面具有巨大的應用潛力,可用于各種食品原料的大批量生產加工,制備全組分飲品。與DHPM相比,現有的ISM技術具有更大的處理量和更低的進料要求,但在實際工業生產中仍然會遇到處理量不足和進料要求限制。此外,ISM對一些膳食纖維流體物料粉碎效果較差,進而阻礙其在工業化生產中的應用[8-10]。振蕩反應腔是ISM設備的核心元件,改造振蕩反應腔是改進ISM設備最為有效的方法之一。

研究擬設計不同類型且孔道更大的ISM振蕩反應腔,采用數值模擬與實驗驗證相結合的方法對新型振蕩反應腔進行分析,探討不同類型振蕩反應腔的主要作用力和作用區域,并對選擇出的最優腔型進行尺寸優化,以期設計出處理量更高、允許進料粒徑范圍更大、工作性能更好的新型振蕩反應腔。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

葵花籽油:市售;

乳清分離蛋白(whey protein isolate,WPI):美國Hilmar Ingredients公司;

高速分散機:T 25型,德國IKA公司;

流變分析儀:MCR 302型,奧地利Anton Paar公司;

激光衍射粒度分析儀:Mastersizer 3000型,英國Malvern 公司;

界面流變測量儀:OCA 25型,德國Dataphysics公司。

1.2 不同類型振蕩反應腔設計

1.2.1 二分管型反應腔 基于慣性和黏性剪切是液滴破碎主要因素而射流撞擊作用只起到輔助作用的觀點[11],設計了二分管型反應腔,該腔型只存在慣性力和黏性剪切力。設計分流管長為4.5 mm;分流管徑0.7 mm。模型如圖2所示。

圖2 二分管型反應腔模型

1.2.2 T字撞擊型反應腔 基于撞擊作用是液滴破碎主要因素的觀點[12],設計T字撞擊型反應腔。其分流管、撞擊管和射流管徑分別為1.0,1.1,1.0 mm;其分流管、撞擊管和射流管長分別為1.2,2.3,2.3 mm。模型如圖3所示。

圖3 T字撞擊型反應腔模型

1.2.3 十字撞擊型反應腔 基于“十”字型管道作用力最強的觀點[13],耦合兩個T字撞擊型反應腔得到十字撞擊型反應腔。其分流管徑為0.7 mm,模型如圖4所示。

圖4 十字撞擊型反應腔模型

1.2.4 T字—二次撞擊型反應腔 增加流體在反應腔中受到各種作用力的次數可能是提高反應腔效果的有效途徑,基于此構造T字—二次撞擊型反應腔,模型如圖5所示。

圖5 T字—二次撞擊型反應腔模型

1.3 粗乳液的制備及性質測定

1.3.1 粗乳液制備 參考Li等[14]的方法并修改:向質量分數為1%的WPI溶液中加入體積分數為5%的葵花籽油,經高速分散機23 000 r/min處理2 min。

1.3.2 粗乳液性質測定

(1) 黏度:根據梁亞楨[15]的方法,在流變儀配備的圓筒(CC27)中緩慢加入16 mL樣品,固定溫度25 ℃、剪切速率100 s-1,分別測定粗乳液、葵花籽油和WPI溶液的表觀黏度。

(2) 粒徑:參考Wang等[16]的方法并修改:粗乳液和分散劑折射率設置為1.52和1.33,吸收率為0.01,遮光率范圍為3%～8%。每個樣品重復測定3次。

(3) 界面張力:采用界面流變測量儀測定?？ㄗ延?經分子篩吸附劑純化處理)作為油相,WPI溶液為水相[17]。將WPI溶液加入注射器,注射器針頭插入裝有葵花籽油的玻璃槽中,注射形成足夠大、不滴落且無氣泡的液滴,持續靜置并采集液滴圖像120 min[18]。

1.4 振蕩反應腔數值模擬計算

1.4.1 反應腔建模 采用ANSYS Workbench中內置的DM(ANSYS design modeler)模塊進行建模。因流場的對稱性,只需求解半個計算域,如圖6所示。計算域設置為Fluid。

圖6 4種反應腔模型

1.4.2 網格劃分與湍流模型 采用Gambit網格劃分軟件。因計算域的規則性,選擇六面體網格。以二分管型為例,網格數量為70萬,網格細節見圖7。研究涉及管內高速流動,包含高剪切、射流撞擊等復雜流態,選擇Realizablek-ε模型。

圖7 二分管型反應腔三維網格

1.4.3 多相流模型

(1) 模型選擇:群體平衡模型(population balance model,PBM)可以模擬氣泡、液體和固體顆粒的輸送、破碎等復雜問題[19-20]。

(2) 模型參數設置:粒徑和界面張力由1.3.2得到。指定顆粒組數為11,最大粒徑為128 μm,最小粒徑為0.01 μm。

1.4.4 材料屬性 連續相(WPI溶液)和離散相(葵花籽油)的材料參數見表1。粗乳液平均粒徑(D[3,2])為7.5 μm,即離散相的進口粒徑。

表1 兩相材料的物理性質

1.4.5 邊界條件和離散算法 選擇壓力入口,其值為60 MPa。離散相體積分數為5%,離散相初始粒徑為粗乳液D[3,2]值。出口為常壓。連續性方程收斂值設置為10-4。采用SIMPLEC算法并選用一階迎風格式。

1.5 反應腔部件制作及試驗

1.5.1 反應腔部件制作 選用304不銹鋼材料,由江西佳時特精密機械有限責任公司制造,尺寸偏差±0.05 mm。

1.5.2 乳液制備試驗

(1) 不同類型反應腔制備乳液:使用4種腔型對粗乳液進行ISM處理,處理壓力為60 MPa,得到4種待測樣品。

(2) 乳液粒徑測定:對4種待測樣品進行粒徑測定,方法同1.3.2。

1.5.3 尺寸優化模擬和試驗

(1) 模型優化設計:對細化效果最好的反應腔——T字撞擊型進行尺寸優化,反應腔物理模型如圖8所示。從左到右,分別對分流管徑、分流管長、撞擊管徑、撞擊管長、射流管徑和射流管長進行模擬優化。

圖8 T字撞擊型反應腔結構示意圖

(2) Fluent數值模擬:對不同尺寸的T字撞擊型反應腔進行建模、網格劃分和CFD-PBM耦合模擬。

(3) 尺寸優化模擬:不同結構參數的尺寸大小和命名見表2。

表2 T字撞擊型反應腔不同結構參數尺寸

1.6 數據處理

所有試驗(乳液制備與測定)平行3次,結果以平均值±標準差表示。使用IBM SPSS Statistics 25和Origin 2021進行數據分析和圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 4種振蕩反應腔試驗與模擬

2.1.1 4種振蕩反應腔與原反應腔對比 不同腔型的結構參數和流量見表3。4種振蕩反應腔的最小孔徑為原腔的2～3倍,有效增大進料粒徑范圍。二分管型、T字撞擊型、十字撞擊型和T字—二次撞擊型反應腔的流量分別為原腔的2.1,2.5,2.6,1.7倍,有效增大了ISM設備的處理量。

表3 不同類型反應腔的管徑和流量

2.1.2 不同類型振蕩反應腔對乳液粒徑的影響 如表4所示,乳液平均粒徑(D[3,2])的模擬和試驗值吻合良好。乳液粒徑細化效果為T字撞擊型>T字—二次撞擊型>十字撞擊型>二分管型。圖2～圖5分別標出了4種腔型內不同截面位置的簡稱以及區域名稱。

表4 不同類型反應腔試驗與模擬粒徑

由圖9可知,二分管型腔體在分流管內產生明顯的液滴破碎,分流管前段(見圖2)提供最大粒徑差,7.08 μm減小到2.41 μm。T字撞擊型、十字撞擊型和T字—二次撞擊型腔體具有類似的粒徑降低規律,分流管和撞擊管均具有明顯的破碎液滴作用,而射流管的效果非常微弱。該對比分析可推斷:分流管前段效果明顯,當分流管與撞擊管組合時會表現出更強的粒徑細化效果,而射流管作用非常微弱。對比T字撞擊型和T字—二次撞擊型可知:第二個T字結構的引入并不會帶來細化效果的提升,反而會降低流量(見表3)。

圖9 4種反應腔不同截面上的平均粒徑

2.1.3 速度場分析 流體速度是剪切力和撞擊力大小的直觀表現[21]。由圖10可知,最大速度為二分管型>T字撞擊型=十字撞擊型>T字—二次撞擊型。

圖10 4種反應腔速度分布云圖

由圖11,圖12可知,二分管型腔內速度分布最為平滑,不存在撞擊點(或稱駐點),而其他3種腔內均存在速度突變為零的撞擊點,因此二分管型腔只提供剪切力,而其他腔體還提供撞擊力。圖12(a)表明剪切力在整個分流管內變化較小,但是液滴在分流管中、后段粒徑降低效果減弱(見圖9),說明剪切力的細化效果隨粒徑減小而大幅減弱。對比分析圖9、圖12(b)、圖12(c)和圖12(d)可知:撞擊力的引入會進一步明顯降低粒徑,并且綜合效果優于單一的剪切力。因此撞擊力也是有效的粒徑細化手段,與Kumar等[22]的結論一致。在圖12(b)、圖12(c)中,射流管內存在比分流管更大的流速,但是粒徑降低效果非常微弱(見圖9),可能是因為粒徑越小,液滴破碎的難度越大[23]。

白線為物理量提取區域

圖12 4種反應腔軸線速度分布圖

2.1.4 湍流動能場分析 圖13表明,湍流動能場的強度在總體上是T字撞擊型>十字撞擊型>T字—二次撞擊型>二分管型,與2.1.2中的粒徑細化效果排序略有不同。圖14表明,相對撞擊管區和射流管區湍流動能在分流管內較小,因為分流管相對狹窄湍流難以充分發展[24],而撞擊管區的撞擊作用產生了高湍流區域[25]并保持到射流管區,且射流管區管徑相對較大湍流在此區域得到了充分的發展[19]。因此,撞擊管和射流管的引入會給湍流帶來充分的發展空間,有利于液滴的破碎。

圖13 4種反應腔湍流動能分布云圖

圖14 4種反應腔不同區域湍流動能

2.1.5 空化模型和壓力場分析 空化氣泡破裂時會釋放巨大能量因而具有破碎液滴的作用[26]。氣體含量越高、最大氣相體積分數越大的區域空化數越高,空化強度越大[27]。圖15表明,氣體主要存在于近壁區域。圖16表明,最大體積分數排序為T字撞擊型>T字—二次撞擊型>十字撞擊型>二分管型,這也可能是T字撞擊型反應腔的乳液粒徑細化效果最好的又一重要原因。圖17展示了4種反應腔中的壓力分布(沿圖11白線)。對比圖15和圖17可知,負壓區域具有強烈的空化作用。

圖15 4種反應腔氣相體積分數云圖

圖16 4種反應腔的最大氣相體積分數

圖17 4種反應腔不同區域壓力變化

2.2 T字撞擊型反應腔孔道尺寸優化及模擬分析

2.2.1 孔道尺寸優化分析 圖18(a)表明,分流管徑從1.4 mm減小至1.0 mm時,粒徑減小顯著,而繼續減小至0.7 mm時,粒徑減小程度下降。在一定范圍內,減小分流管徑能有效提高粒徑細化效果。SR-0.7、SR-1.0、SR-1.4的出口乳液平均粒徑分別為0.33,0.36,0.76 μm。選擇SR-0.7進行下一步尺寸優化。

圖18 不同分流管徑、分流管長、撞擊管徑、撞擊管長、射流管徑、射流管長反應腔內部乳液平均粒徑變化

圖18(b)中,SL-0.0表示不存在分流管(或稱分流管長度為0),此時粒徑細化效果最差,應當避免該結構的缺失。分流管越長,乳液在分流管內被細化的效果越好,但在經過撞擊管區后,不同分流管長的粒徑細化效果差異被抹平,最終在經過射流管區后已無明顯差異。分流管長度與其粒徑細化效果呈正相關,但撞擊管的引入會使得該區別沒有實際意義,這也進一步說明撞擊作用是高效的。選擇SL-1.2進行下一步尺寸優化。

圖18(c)表明,增大撞擊管徑能略微提升撞擊管的細化效果。選擇IR-1.4進行下一步尺寸優化。

圖18(d)表明,按照撞擊管從短到長排序,出口乳液平均粒徑分別為0.41,0.37,0.33,0.33,0.32 μm。當撞擊管長延長到2.3 mm后,乳液平均粒徑已無明顯變化。選擇IL-2.3進行下一步尺寸優化。

圖18(e)表明,射流管徑的增大能小幅度提高各區域的細化效果,按射流管徑從小到大排序,出口乳液平均粒徑分別為0.44,0.33,0.24,0.23 μm。選擇JR-1.4進行下一步的尺寸優化。

圖18(f)表明,射流管長對粒徑細化效果沒有影響。

以JL-2.3作為最終優化所得。

2.2.2 最終反應腔模擬與分析 表5表明T字撞擊型反應腔優化前(SR-1.0)和優化后(JL-2.3)乳液制備試驗和模擬粒徑結果誤差小于5%。反應腔優化后,其制備的乳液粒徑從0.356 μm降低到0.249 μm,減小了30.06%。JL-2.3T字撞擊型反應腔最小管徑(分流管徑)為0.7 mm,120 MPa下流量為878 L/h。相比于原反應腔,優化后的反應腔可允許進料粒徑范圍和設備處理量均有了明顯提高。

表5 T字撞擊型反應腔尺寸優化前后模擬與試驗粒徑對比

3 結論

分流管是形成高速流體的首要條件,其中存在剪切作用力并對液滴破碎具有明顯作用;當引入撞擊管和射流管結構時,液滴破碎效率顯著提升,并且分流管的優化不再起作用,說明撞擊作用力的粒徑降低效率更高。對T字—二次撞擊型結構的分析可知,更多更復雜的作用力形式并不能帶來預想中的粒徑降低效果,反而會大幅降低流量。而空化作用力并不能起到決定性的作用。

湍流只有在幾何區域較大的地方才能充分發展,撞擊管和射流管就提供了該條件,充分發展的湍流能夠提供更多液滴破碎的能量。對撞擊管徑、撞擊管長和射流管徑的增大均會提高粒徑細化效果,因為孕育湍流的空間得到增大。

總之,T字撞擊型振蕩反應腔具有破碎液滴的結構優勢。通過尺寸優化得到最終反應腔模型,其最小管徑為0.7 mm,120 MPa下流量可達878 L/h,制備的乳液粒徑達249 nm。