屋頂紙盒灌裝機灌裝室氣流模擬及優化

范昊宇，盧立新，2，潘 嘹，2，林自東，厲夫滿

（1.江南大學 機械工程學院，江蘇無錫 214122；2.江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，江蘇無錫 214122；3.山東碧海包裝材料有限公司，山東臨沂 276600）

0 引言

產品灌裝時如果發生微生物污染將會導致產品變質，影響貨架期［1］。因此為灌裝機提供無菌環境對于無菌灌裝非常重要。屋頂紙盒長期以來被應用于短保質期的巴氏殺菌牛奶包裝，近年來開始嘗試將其應用于長貨架期、常溫保存產品的無菌包裝，從而推廣屋頂紙盒包裝應用［2］，并研制相應的屋頂紙盒灌裝機。為保證屋頂紙盒灌裝機灌裝時內部環境的無菌性，通常采用為灌裝室提供超高級別潔凈氣流的方式［3］。

紙盒無菌灌裝過程涉及預潔凈和灌裝2 種工況。預潔凈目的是通過持續輸入潔凈氣流來清除灌裝室內部原本存在的微生物附著顆粒，使灌裝室內達到無菌環境；灌裝室預潔凈后的灌裝，也需持續輸入潔凈氣流，以保證灌裝室兩側出口氣流保持對外正壓，避免灌裝時的二次污染。截至目前，對預潔凈工況無菌灌裝氣流分析研究成果甚少，常樂等［4］針對PET 瓶無菌灌裝，通過送風頂蓋的結構設計，分析不同速度和角度下氣流在灌裝室內的均勻性。已有針對封閉或半封閉環境內氣流速度與顆粒運動軌跡等的相關研究，孟曉靜等［5］研究工廠內自然通風系統在不同室外風速條件下的通風量、氣流組織及溫度分布規律；金煒等［6］采用計算流體力學方法，探究進風口高度對食品立庫氣流和溫度的影響；JIANG 等［7］采用Realizable k-ε湍流模型計算瞬態流場，獲得房間內顆粒運動軌跡和分布情況；羅婷等［8］采用DPM模型分析可吸入飛沫顆粒在有限空間內的分布特點。在紙盒無菌灌裝工況中，兩側出口氣流的壓強會受到紙盒移動的影響，但截至目前，紙盒移動對灌裝室內氣流影響的研究未見報道。相似研究報道有趙珀等［9］應用動網格技術研究列車進入隧道時對隧道內部氣流及壓強的影響；劉海洋［10］采用動網格研究手術室內人員行走對于氣流擾動影響。

本文以BHWD6000 型屋頂紙盒灌裝機為研究對象，對預潔凈和灌裝2 種工況進行模擬，研究預潔凈工況下，0.5，1.0，1.5 m/s 入口氣流對灌裝室內顆粒清除效率的影響；分析灌裝工況下，250，500，1 000 mL 3 種規格紙盒移動對灌裝室兩側出口氣流壓強的影響，并通過添加導流板的方式對氣流進行優化，為灌裝室入口氣流設計提供依據。

1 物理模型及計算方法

1.1 灌裝流程和物理模型

BHWD6000 型屋頂紙盒灌裝機尺寸為3 m×1.225 m×1.1 m?？傮w分為2 個部分，左側為灌裝室（1.02 m×1.225 m×1.1 m），右側為包材滅菌室（1.98 m×1.225 m×1.1 m）。灌裝室頂部為氣流入口（0.65 m×0.8 m），左側為出口1，灌裝室與包材滅菌室交界處為出口2。工作流程如圖1 所示。紙盒通過滅菌過道后進入封閉的灌裝室進行灌裝，灌裝室頂部持續通入垂直向下的潔凈氣流。

圖1 BHWD6000 型屋頂紙盒灌裝機工作流程Fig.1 Work flow of BHWD6000 roof carton filling machine

根據灌裝機實物的內部結構，應用Solidworks軟件進行建模，如圖2 所示。

圖2 灌裝機三維模型Fig.2 3D model of filling machine

1.2 控制方程

灌裝室內氣流速度較小，可視為不可壓縮均質流體；同時，由于大部分區域的溫度場均勻，故不考慮能量方程。流動過程中的控制方程主要是連續性方程和動量方程。

（1）連續性方程

式中 ρ——流體密度，kg/m3；

t——時間，s；

u，v，w—— 流體速度在x，y，z 方向上的分量，m/s。

（2）動量方程

式中 xi（i=1，2，3），xj（j=1，2，3）——坐標系坐標；

ui（i=1，2，3）——沿i 方向的速度分量，m/s；

fi——沿i 方向的質量力，N；

p——靜壓，Pa；

ρ——流體密度，kg/m3。

1.3 顆粒運動動量方程

拉格朗日方法在計算顆粒運動軌跡時，主要采用解動量方程的算法［11］。通過計算顆粒的內部受力和顆粒之間的相互作用力來推測顆粒的運動。顆粒運動動量方程：

FD(-P)—— 顆粒物受到的拖曳阻力，N；

1.4 網格無關性驗證

使用Fluent Meshing 軟件進行網格劃分，采用六面體網格。為保證計算結果的準確，劃分4組網格進行網格無關性檢驗，具體數據見表1。

表1 網格無關性檢驗數據Tab.1 Grid independence test data

當網格數量從3 705 621 進一步細化到4 506 338 時，出口1 與出口2 氣流壓強沒有顯著變化，均在0.5%以內，滿足網格無關性要求?？紤]到數值模擬結果的準確性和計算時間，選取網格數量為3 705 621 的網格進行模擬計算。

2 預潔凈工況分析

2.1 瞬態模擬參數設置

采用RNG k-ε湍流模型進行瞬態流場模擬；計算區域為整個流體域；考慮重力加速度對氣流的影響；時間步長設置為0.000 1 s；以0.5，1.0，1.5 m/s 入口氣流速度計算流場；流場計算完畢后，使用DPM 模型導入顆粒進行顆粒運動的分析。

2.2 顆粒運動軌跡分析

灌裝室內顆粒運動軌跡如圖3 所示。在0.5 m/s 入口氣流的作用下，顆粒整體呈往下沉積的趨勢。在遇到灌裝室內部結構時，顆粒與內部結構碰撞散開，影響其下落趨勢。

圖3 灌裝室內顆粒運動軌跡Fig.3 Particle movement trajectory in the filling chamber

灌裝室內顆粒濃度分布如圖4 所示。灌裝室內結構較為密集的一側，因為結構之間氣流的回流較多，導致顆粒無法向出口處擴散，在結構四周聚集，顆粒濃度高。

圖4 灌裝室內顆粒濃度分布Fig.4 Particle concentration distribution in the filling chamber

灌裝室內顆粒隨時間運動規律如圖5 所示。隨著時間的增加，所有顆粒最終都會沉積在灌裝室的底部。灌裝口與輸送鏈下方聚集顆粒較多。顆粒沉積之后，隨著持續輸入氣流對顆粒的影響，顆粒逐漸從灌裝室底部向四周擴散，一部分顆粒從兩側出口處逸出；一部分顆粒被吹至角落堆積；大多數顆粒堆積在灌裝口與輸送鏈下方。經分析，0.5 m/s 的入口氣流對灌裝室內顆粒的清除效率較差，大多數顆粒沉積在灌裝室底部，清除效率僅為42%，達不到預潔凈的效果，液態食品灌裝時有被二次污染的風險。

圖5 灌裝室內顆粒隨時間運動規律Fig.5 Movement of particles over time in the filling chamber

相比0.5 m/s 的入口氣流，顆粒初始的運動軌跡在1.0，1.5 m/s 條件下也呈往下沉積的趨勢，沉積于灌裝室底部后，在氣流的作用下向四周擴散，并隨著時間的增長逐漸從兩側出口清除出去，只有少部分顆粒在灌裝室底部的角落處堆積。1.0，1.5 m/s 的入口氣流分別將顆粒清除效率提升至95%和96%。

1.0，1.5 m/s 的入口氣流對顆粒的清除效率幾乎相同，2 種工況僅在時間上有微小差距（不超過0.5 s）。所以，預潔凈工況可采用1.0 m/s 的入口氣流來進行顆粒的清除。

3 灌裝工況分析

灌裝時，紙盒從包材滅菌區經輸送鏈送入灌裝室進行雙工位灌裝。以灌裝最大生產速度3 600 盒/h 為例，即每2 s 完成1 次灌裝，每次灌裝2 個紙盒，輸送鏈以每間隔1 s 移動200 mm 的距離向灌裝室送入紙盒。

3.1 動網格技術

動網格技術是將紙盒本身看成一個整體，空氣流場為另一部分，將紙盒的速度以UDF 函數的形式賦予紙盒壁面，紙盒剛體移動并帶動周邊網格進行更新及數據交換。動網格的計算遵循守恒方程，其通式：

式中 ρ——流體的密度，kg/m3；

u，v——流體的速度矢量，m/s；

?！獢U散系數；

Sφ——通量φ的源項。

在使用動網格時，網格質量和參數設定都會對網格更新產生很大影響。若設置不當會導致迭代過程中網格產生負體積報錯，而不能完成計算。采用彈性光順法和局部重構法實現動網格的更新。選用六面體非結構化網格進行動網格計算。圖6為六面體非結構化網格劃分的示意圖。

圖6 六面體非結構化網格劃分示意圖Fig.6 Schematic diagram of hexahedral unstructured meshing

3.2 數值方法

非穩態流場的模擬采用Fluent 軟件完成，計算時采用雙精度的隱性分離算法器，壓力和速度耦合運用PISO 算法，動量項、湍流動能項和湍流擴散項都采用QUICK 格式。各變量的松弛因子取0.7～1.0，其他壓力松弛因子為0.3～0.4。湍流模型采用SST K-omega 模型，時間步長取0.000 01 s。

3.3 模擬計算及分析對比

研究250 mL（70 mm×70 mm×104.57 mm），500 mL（70 mm×70 mm×157.62 mm），1 000 mL（70 mm×70 mm×250.54 mm）3 種規格的紙盒在0.5，1.0，1.5 m/s 入口風速下，紙盒運動對出口1，2氣流壓強的影響。選取紙盒在灌裝時移動經過的3 個位置，位置1 為紙盒在滅菌通道完成包材滅菌即將從出口2 進入灌裝室；位置2 為紙盒移動到灌裝口下進行灌裝；位置3 為紙盒已經移動到出口1 的位置，并且后續灌裝工況的紙盒位置都與位置3 相符。分析紙盒在這3 個位置時，灌裝室兩側出口氣流壓強的大小。

計算完畢后，以1 000 mL 紙盒的動網格計算為例。如圖7 所示，發現出口1，2 的氣流壓強分布較為均勻，滿足灌裝室出口氣流壓強均勻分布的要求。

圖7 1 000 mL 紙盒運動下出口1 與出口2 氣流壓強分布Fig.7 Air flow pressure distribution of outlet 1 and outlet 2 during the movement of 1 000 mL carton

表2 為0.5，1.0，1.5 m/s 入口氣流下，250，500，1 000 mL 紙盒分別運動在位置1，2，3 處出口1，2 的氣流壓強。

表2 各工況出口1，2 氣流壓強Tab.2 Airflow pressure at outlet 1，2 under each working condition

經分析發現。

（1）在位置1 時，紙盒的規格對兩側氣流壓強的影響不大。

（2）相比位置1，位置2，3 對氣流的影響較為顯著，紙盒規格越大，對出口氣流壓強影響越顯著。

（3）兩側出口氣流壓強均隨著入口氣流速度的增大而增大。0.5 m/s 入口氣流受紙盒運動影響最大，導致兩側出口氣流壓強較低。入口氣流速度提高至1.0，1.5 m/s 時，兩側出口氣流壓強顯著提升。

（4）由于灌裝機內部結構、氣流入口與出口距離的影響，致使出口1 氣流壓強低于出口2。

（5）兩側出口氣流壓強在紙盒進入灌裝室并逐漸占滿輸送鏈的過程中逐漸降低。

3.4 灌裝工況入口氣流優化

為保證3 種規格的盒型在灌裝過程中均能保證兩側出口氣流對外保持0.5 Pa 正壓，通過添加導流板的方式對氣流進行優化。導流板結構及安裝位置如圖8 所示。導流板厚度為10 mm，長度為100 mm，寬度與氣流入口寬度相同，為800 mm，傾斜角度為45 °。

圖8 導流板結構及安裝位置Fig.8 Structure and installation position of the deflector

使用導流板優化氣流后，兩側出口氣流壓強顯著提高。以最大規格1 000 ml 紙盒數據為例，表3 為兩側出口氣流分別在0.5，1.0，1.5 m/s 入口氣流下的壓強。在1.0，1.5 m/s 入口氣流的工況下，紙盒在3 處位置的兩側出口氣流壓強均達到標準要求（5 Pa）以上。結果表明，導流板對氣流優化的作用顯著，考慮到節能等因素，可選擇潔凈氣流速度為1.0 m/s。

表3 1 000 mL 紙盒3 種風速下出口1，2 氣流壓強Tab.3 Airflow pressure of 1 000 mL carton at the outlets 1，2 at three wind speeds

4 試驗驗證

4.1 預潔凈工況試驗驗證

使用Lighthouse HANDHELD 3016-IAQ 型顆粒物濃度PM2.5 測試儀測試灌裝室內的顆粒濃度。首先測試灌裝室內初始顆粒濃度；隨后分別通入0.5，1.0，1.5 m/s 入口氣流進行預潔凈，測試3 種不同速度入口氣流下預潔凈后灌裝室的顆粒濃度，結果如表4 所示。

4 種顆粒在0.5，1.0，1.5 m/s 入口氣流下的平均清除效率分別為42.825%，95.125%，96.375%。灌裝室內顆粒的清除效率與仿真結果較為一致，誤差不超過1%。因1.0，1.5 m/s 入口氣流對顆粒清除效率幾乎相同，預潔凈工況可采用1.0 m/s 的入口氣流進行顆粒的清除。

4.2 灌裝工況試驗驗證

結合仿真氣流優化方案，在氣流入口下方安裝導流板，使用TSI 9565 型風速風溫風壓測試儀測量灌裝工況兩側出口氣流壓強。以最大規格1 000 mL 紙盒為例，表5 為兩側出口氣流在0.5，1.0，1.5 m/s 入口氣流下的壓強。對表5 與表3 數據比較可知，仿真結果與試驗結果較為吻合，添加導流板優化入口氣流的方式有效。

表5 灌裝工況試驗數據Tab.5 Experimental data of filling condition

5 結語

（1）在預潔凈工況下，入口氣流對顆粒的清除效率隨著氣流速度的增大而提高，但速度達到1.0 m/s 后，繼續增大速度對顆粒的清除效率影響不顯著；1.0 m/s 入口氣流可滿足預潔凈需求。

（2）灌裝工況下，紙盒移動、紙盒尺寸對灌裝室兩側出口氣流壓強影響顯著；隨著紙盒規格的增大，兩側出口氣流壓強減小。

（3）設置導流板改變入口氣流，能有效提高兩側出口氣流壓強。1.0 m/s 入口氣流即能滿足灌裝工況的要求。結合預潔凈工況結果，1.0 m/s入口氣流速度可滿足灌裝機2 種工況的需求。