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基于XFLOW的破壁机内流场数值仿真

秦登，吴松波，李田*，张继业

西南交通大学牵引动力国家重点实验室四川成都610031

*litian2008@home.swjtu.edu.cn

摘要:为研究破壁机内部流场的流动特性，基于计算流体动力学理论，建立破壁机内流场数

值仿真计算模型，利用XFLOW数值仿真软件模拟破壁机内部旋转流场。研究结果表明：

破壁机内流场为自下而上的旋转涡流运动，内部出现大面积的强涡区和一些不连续的局部强涡区；在旋转叶片带动下，流体沿径向射出分成两大部分，一部分流体从下而上做旋转

运动，另一部分从上而下做旋转运动，破壁机内形成双循环流动；机壁下表面压力较大，流场中心区域为负压；破壁机内部液体不只有切向的流动，还有一定程度的径向和轴向运

动，流体冲击机壁容易造成杯体振动。随着叶片旋转速度的增加，破壁机内部流场变得更

加紊乱，流场中的强涡区区变得更大，机壁受到的冲击压力也变大。

关键词:破壁机；内流场；XFLOW；数值模拟

1.引言

随着人们生活水平不断提高，消费者对饮品品质要求也在提高，于是对破壁机的要求

更加严格。各大生产厂商为了能抓住市场，拥有主动权，因此不断研发新式破壁机，以便

能制备出使用方便、安全节能、具有更细颗粒、优质口感的料理机。与国外先进的破壁机

性能相比，我国的技术明显落后，许多国内企业对破壁机破碎机理及相关结构从事研究，

却缺乏对破壁机破碎流场分析的研究。

计算流体动力学（CFD）方法已被广泛应用于旋流流场的研究和分析，目前大部分学

者针对搅拌器的旋转流场进行了较为深入的研究（梁天将,2012;雷晶,2010;唐克伦,2011;

徐伟幸,2011;李岩,2013;党林贵,2013）。国内使用CFD方法对料理机的破碎流场进行研

究的学者较少。但基于国内对小家电的需求及使用过程产生的问题，对于料理机进行研究很有发展前景，国内已经有人对豆浆机这一产品的制浆性能进行了研究（李宝华,2009;丁

慧,2013;王立慧,2013）。目前，市面上的破壁机产品种类相当多，但由于破碎过程，果蔬

物料的随机运动范围较大，刀片高速旋转产生的离心力使果蔬物料不易与刀片发生碰撞并

剪切，然后导致果蔬物料在破碎后粒径较大，营养素尚未完全释放。目前，对破壁机破碎

技术的改进主要通过周期长、耗费大的实验方式，但缺乏理论依据。

XFLOW能够解决运动的物体和可变形部分。基于XFLOW的软件特点，可以最大程

度上还原破壁机内部流体的运动情况，区别于普通计算流体动力学（CFD）软件的数值计

算方法，XFLOW软件数值计算过程中可以更为直观的观察破壁机内部流场的运动情况。

本文通过对破壁机破碎流场进行研究，分析破碎过程中流场的运动规律，为破壁机的结构设计提供理论支持。

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2.数值计算模型

2.1几何模型及计算域

为了研究破壁机内部流场搅拌特性，对破壁机几何模型进行简化，主要分为底座、转轴、叶片以及机壁四大部分，如图1所示。为利于网格划分，先对原始模型的几何错误问

题进行修复，比如删除重合面，修复穿刺面以及修补孔隙等。进一步对破壁机各组成部分

表面进行了合理的简化，针对比较重要的部件，比如叶片部分尽可能保留了所有的细节。

破壁机内部流体考虑成连续且不可压缩的牛顿流体，计算域几何尺寸：高H=169.3

mm，底部直径D1=100mm，顶部直径D2=134.5mm。内部流体初始状态：下部分75%的

区域为水，上部分25%的区域为空气。

（a）几何模型（b）计算区域

图1几何模型以及计算域

2.2边界条件及参数设置

XFLOW中的无网络方法是基于粒子和具有完整拉格朗日函数的方法，这意味着不再

需要对经典的流体区域划分网格，同时表面复杂性不再是一种限制因素。XFLOW能够解

决运动的物体和可变形部分，能够适应低质量的输入几何。针对破壁机内部旋转流场的数

值模拟，基于拉格朗日粒子追踪法，考虑空气与水的相互作用，同时求解水相和气相。气液表面张力设置为0.072N/M，给定叶轮不同的转速（2500rpm、7500rpm、10000rpm以

及14000rpm）分别计算不同转速下破壁机内流场的流场分布情况，同时标记气液交界面

的变化情况，共计算1.5s。

边界条件设置：叶片以转速为14000rpm的角速度旋转，同时转轴也设定为相同角速

度的旋转运动，底面、壁面以及顶面均设置为固定壁面。

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3.数值计算结果

对破壁机内部流场的数值模拟，需要综合考虑物理量的场分布。涡量是速度的旋度，即速度一阶导