外文翻译-关于液态产品包装机械中产品灌装阀内的流动分析

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1、关于液态产品包装机械中产品灌装阀内的流动分析M・F・RahamamS.Bari%D.Veale21工业发展研究中心，南澳大学，SA5095,澳大利亚2机械工程与制造发展学院，南澳大学，SA5095,澳大利亚2007年2月3日收到；2007年7月6日收到修改稿；2007年7月11日接受；2007年8月7日联网摘要如今，全尺寸的计算流体动力学模型（CFD）已经用于液态产品包装机械中产品灌装阀内部的复杂流动分析中。基于CIP（原位清洗）、产品顺行及灌装率，详细的压力、速度分析和壁面切应力分配被用来检验当前的阀设计。模型显示的关键区域可用于改进阀的CIP和灌装效率。出口处观测到的冋流的形成以及

2、壁面区观测到的相对较低的切应力，是造成阀灌装率降低和CIP低下的主要原因。空化发生在包括流动区域在内的两个区域，导致设备产生不良的声压级和灌装效率的降低。最后，我们将提出一些可行的改进建议來解决这些问题，以提高产品质量、降低运行费用、改进阀的CIP性能。关键词：原位清洗（CIP）；产品灌装阀；空化；灌装时间；湍流强度；壁面切应力1.介绍灌装机械是包装设备中较为复杂的一部分，它广泛应用于水、软饮料、酒等液态产品包装中。近年来，随着灌装系统的发展和完善，全球公司开始不断注重增加速度、设备利用率和产品通量等工艺。在对灌装速度的要求越来越高的背景下，产品灌装阀已经被Scholle公司（一家产品灌

3、装阀制造商）视为当前系统屮限制包装传递速度的部分之一。本次研究的案例是盒中袋包装（BIB）的应用，也就是说产品被包装在柔性塑料袋中，再被包装在纸箱中。在这次研究中，我们将分析把酒灌装至袋中的灌装阀，以决定当前材料、工艺、模型和制造的发展能否在保持原设备不变的同时，对产品流量的显著提升起到集成的作用。在该设备的二次设计中，重点在于CIP能力的提高、空化的削减和灌装速度的增加。除此之外，我们将测得阀产生的声压级。对设备而言，CIP有下述几点显著的效用，包括：产品质量的提升、货架寿命的延长、劳动力消耗的降低和生产能力的提高。在上批纪中叶，人们发现流速是CIP设计中的影响因素，并已确定相当于系统

4、最大管径中五英尺每秒的最小流量是完成彻底清洁的必要条件（Gallot-Lavallee,Lalande&Coirieu,1984;Jennings,McKillop&Luick,1957）。随后的研究显示，壁而切应力和湍流是影响有效清洁的重要参数（Sieberling,1997）o一些欧洲的研究者试图通过量化实际清洗食品加工设备所需壁面切应力的方法，加入到这一早期的研究课题中。然而，检测工艺设备原型的CIP性能既耗时乂耗财，这鼓励了研究人员在装备设计中运用经过验证的CFD模型，并使的制造商节省了更多的资源。一些研究员（Bergman&Trngardh,1990;Lelievreetal.

5、,2002;Tucker&Hall,1998)应用CFD来定性地评估CIP设计并得出设备组件的卫生设计准则。其中，Lelievreetal(2002)的成果令人非常感兴趣，因为它涉及了壁面切应力和湍流上流体导体的形状效果，并发现阀内壁面切应力的波动是十分重要的。在测得的应力下一些形状产生大的波动，与切应力较高而波动率较低的区域相比，它们的清洁性更好。我们通过对涉及切应力的实际测量，证实了上述结论，并显示波动率高且壁面切应力低至0.15Pa时的表面是可清洁的。Friis和Jensen(2002)所做的实验也证明了在未达到临界壁面切应力且几何形状复杂的区域，清洁不会行之有效的可能性。Jens

6、en和Friis(2005,2004)用CFD预测了符合欧洲卫生工程设计指引(EHEDG)等级要求的清洗组件的临界壁面剪应力。他们建议的3Pa临界壁面切应力已经为后人的进一步研究奠定了基础。其他关于CFD阀设计的成果(Davis&Stewart,2002;Stevenson&Chen,1997)也可以在相关文献中查得。然而，像Jensen、Friis>Benezech、Lengentilhomme和Lelievre(2005)的大多数研究成果是基于简单的二维模型的，这对预测壁面切应力波动这个研究阀CIP性能的重要参数而言是不够的。因此，我们需要一套完备的三维分析。湍流强度低的区域的壁面切

7、应力有着重要的研究价值，因为湍流强度降低，阀的清理能力也随之降低。如果能根据Lelievre等人的研究结果审慎地评估湍流强度，有价值的原位清洗能力就能被获取。所以，在这项研究中，用于葡萄酒灌装阀设计的全尺寸三维模型已被用来检测流速、壁面切应力和空化，以评估诸如CIP、灌装率等关键操作参数。在澳大利亚，大多数这样的阀都被用来包装葡萄酒等在2(TC与水具有相似物理性质的液体。在2(FC时，这些葡萄酒的粘度和具体比重分别是1.002mNs