食品研究与开发食品机械基于超高压对撞式均质技术的物料粉碎bookmark0机理的研究bookmark1裘子剑，张裕中（江南大学机械工程学院，江苏无锡214122）成引流区、分流区、撞击区、射流区和扩流区等5个部分，对其粉碎机理进行了初步分析，为超高压均质机关键结构均质头的设计提供一定的依据。

　　医药、化工、生物和食品等领域，对物料进行超细粉碎与均质时常采用高压均质机。而传统的高压均质机由于受到压力的限制（一般为4~8MPa），只可部分地满足生产的需要，而对于有特殊要求的产品就不适用。随着超高压均质机（纳米均质机）的出现，对于提高细胞的破壁率、提高涂料性能、改善食品口感等一系列问题，就有望得到很好的解决。

　　近年来，国外诸如加拿大Avestn、美国Mircfluidis等公司已经研制出了高压力达200MPa左石的超高压均质机，物料细化效果可达到1Mm甚至以下。我国现在一些企业也在积极研制超高压均质机，而作为超高压均质机的关键结构均质头，也自然成为关注焦点。本文就采用陶瓷烧结对撞式均质管的均质头来分析物料在超高压粉碎过程中的机理做一介绍。

　　1物料粉碎的机理为了研究方便，笔者将均质头以及前后连接的部件划分为引流区、分流区、撞击区、射流区和扩流区等5个部分（如所示）。0X1是引流区，X1X2是分流区，X2C3是撞击区A3X4是射流区A4X5是扩流区。

　　21引流区1考虑流体的横向加速度，解出其垂直于流动方向的压力差表达式其中dn是主法线上的微元，而（3）式对n微分，则得出：4）相等，得出：技术装备。

　　所以，当流体沿着迹线流动时，在与流动垂直方向不会有压力差，因此在引流区内流体中的颗粒也几乎很难存在垂直流动方向的撞击。在整个分析过程中，沿流体流向的压力（除撞击区的涡旋运动）对流体中的固体颗粒几乎并不构成直接的破坏。只有在撞击Xi固壁时有粉碎作用，在撞击区X3管道壁面上也有类似的情况，不过流速更高，撞击更猛烈。

　　22分流区物料由引流区进入陶瓷烧结的均质管。我们假设引流区的速度为Vi，管径为di，进入均质管的速度为V2，管径为d2，则由连续方程得出：在6），由于di远大于d2，流体在均质管中获得了很高的流速一般可以达到300~400m/S.现假设V=300m/fed=01mm，孔壁处的流速Vmal=0，则：ShearRate是剪切指数，表征剪切力的大小。可见，在进入撞击区以前，流体在微孔中产生了很大剪切力，对物料的粉碎起到了很好的效果。

　　3撞击区两股相同的高速流动的流体在撞击区中心A点附近相撞，流体在此区域发生强烈的能量交换。

　　撞击过程中，不同物料（如水、脂肪球和颗粒等）在粉碎和分散过程中，相互的作用对粉碎效果影响很大，其中两个主要因素为：一是物料同相流动时碰撞、互磨产生的冲击压力和剪切力造成颗粒的破碎；二是物料相向流动时的碰撞产生强烈的径向和轴向湍流速度分量，从而在撞击区造成良好的混合。

　　假设颗粒间的撞击粉碎作用只在撞击面发生，并且颗粒撞击后在轴向瞬时静止。若颗粒的质量为mp，密度为ft，撞击时的速度为Up，颗粒在碰撞前所具有的动能为由于颗粒形状以及撞击时颗粒的状态相当复杂，因此为了简化模型，假设颗粒进行碰撞时其形状为柱形如所示）。撞击发生时，在撞击面产生强力的扰动，这个扰动在颗粒1上是逆x方向传播的冲击波，在颗粒2上是顺x方向传播的冲击波。

　　圄2颗粒之间的撞击示意圄根据连续性条件可知，在撞击面上的两颗粒的波后质点速度相同且为零。根据动量守恒条件可得颗粒间的冲击压力为：由上式可知：颗粒间的冲击压力与颗粒速度、冲击波波速、颗粒密度成正比2可见，为获较高的冲击压力，我们可以提高流体的流速。但流体的流速是通过控制外载压力来实现的。因此外载压力是进行物料粉碎的重要的关键因素。

　　超高压均质机也在努力寻求在压力升高技术上的突破。

　　同时，在撞击区里不但发生流体的撞击现象，还发生着气穴现象、涡旋现象、振动现象、射流现象和热不可逆转化现象。流体中的颗粒在如此复杂的过程中进一步地得到粉碎。

　　24射流区物料在发生强烈碰撞后，汇成一股流体从A点射出去。由于受到管道的影响，物料在射流区的粉碎原理与分流区相同，只不过此时固体颗粒的粒径变小了，压力也发生了变化。另外，射流会产生一种反作用力，如火箭的升空。当射流速度很大时，这种反作用力是否构成对流体中的颗粒影响也是值得研究的课题。

　　5扩流区3从射流区进入扩流区，我们假设射流区的管径为d4，速度为V4，压力为P4；扩流区的管径为4，速度为V5，压力为P5.由连续方程，得出：由于流道通常很短，在应用实际流体的柏努利方程时不考虑重力势能的影响，则有：hs―能量损失，包括沿程摩擦损失和局部压力损失。

　　由于均质结构流道很短，表面粗糙度小，故忽略沿程摩擦损失，则有：可见，流体的流速越大，扩流后的压力损失就越大。对于微孔流道内高速流体，由于压力的突变会导致气泡在瞬时大量生成和破灭，这就形成了空穴现象。空穴时产生的冲击压力为连续射流滞止压力的86~124倍，这是物料粉碎的又一重要作用力。但同时由空穴作用对微孔流道材料产生点蚀性损坏，使金属表面变得粗糙。由（10）（13）式可知，压差的大小和前后连接件的管径有关，这为我们合理设计均质头来控制空穴现象的破坏提供了基础。

　　总结与展望以上仅是对采用YT“均质管的均质头粉碎机理做了初步的探讨，我们可以针对不同物料的特性来设计出不同的流道形式，使得某种作用机理更为突出，达到更好的粉碎效果。此种均质管特意采用对撞的形式，大大地提高了粉碎效率，同时避免了传统均质结构由于部件之间的相对运动容易造成磨损的现象。（下转第185页）4高剪切均质机内部流动解析结果41周向流的流场解析解析计算实施后定子与转子交界横截面上速度分量v（既代表周周向速度）的分布如所示。由图中我们可以看出在转子区域和转子腔体内周向速度非常大，而在定子区域的周向速度非常小，于是就产生了很大的速度梯度从流线速度梯度可以更直观地看出其中存在，巨大的速度梯度。由于有巨大的速度梯度存在我们可以推断出在定子和转子间就会产生很大的剪切率，在表示剪切率的中也得到了验证。大剪切率存在就有大剪切应力存在，从而对液滴进行剪切达到均质细化的目的。

　　42径向流的流场分析剪切均质过程中，流体通过定转子间的高速剪切后，在离心力作用下穿过定、转子上的开口槽开口槽一般都设计成与径向成一定角度）。流体的流动可假设为径向流动因定转子之间间隙相对于定、转子叶片厚度来说非常小），物料在相互接触处受到强烈的剪切和研磨作用；而在对应开口槽处，物料主要受到流场的作用而产生相互碰撞，径向流的流动如所示。由此图也可验证上面的假设。从流线梯度可更直观地看出在开口槽内确实有很强的径向速度梯度，从而也能产生巨大的剪切力，从剪切率中也可以得出以上结论。在靠近切槽边界面区域内，速度为负值，说明在该区域出现了回流，流体在边界面分离，形成旋涡和流动状态不稳定现象。旋涡的产生不仅使流体碰撞更强烈，也是形成区域性湍流的主要因素之一。当然在实际流动中，流动状态及速度更加复杂。

　　43湍流流场分布由可知物料在高剪切均质机内部的转子区存在巨大的湍流应力，湍流应力的存在也是导致液滴破碎分裂的一大因素。

　　4.4吸入流场的产生高剪切均质机不需要外加泵就可以吸入与输送物料是由于内部产生强大的吸入流场，从和的流线图中就可以清楚的看到这个吸入流场，物料被从顶部吸入进入转子和定子区被均质这也证明了吸入流场的存在。

　　5小结高剪切定转子均质机腔体内流体流动的实际流场远比上述复杂，所涉及的相关参数很多，流场分布受到均质机的结构和操作参数的影响，且物料特性对流体流场分布也有较大影响。在工程应用中，对湍流的的存在不明确，通过CFX软件的模拟可直观的展现湍流区域的存在。特别是流体速度场和剪切场关系的确定，对均质机能量特性研究有较大影响。因此，通过CFX软件对流体流场的分析研究，不仅可以清楚地了解物料在均质机腔体内的流动情况，还可以确定产生强烈剪切作用的主要因素与均质能量特性，以及流场分布对均质效果的影响，这些工作有待于进一步研究。