低黏性物料灌装阀阀座流道分析及优化设计研究开题报告

全文总字数：4086字

1. 研究目的与意义

由于国内技术的局限，对灌装阀的结构设计还停留在凭借工程师的经验设计上。因为技术的缺乏以及工程师经验的不足往往导致设计出来的液体灌装阀未能做到真正的高效率以及安全可靠。据相关数据统计由于设计的缺陷每年造成的企业和国家经济亏损就达几十亿美元，虽然目前已经能够通过已有技术测出灌装阀内精确的流量信息及流场分布，然而流场测量极为复杂，费时费力，且价格昂贵。当前对于很多进口的罐装设备还无法运用实验方法测出内部的流场特性，而且对于测试所使用的流体、阀体以及灌装容器的要求都很严格，局限性很大。现在的迫切任务就是给优化灌装阀的设计结构建立更加完善的准则。灌装阀在我国的食品包装产业使用广泛，对于灌装阀的研究具有十分重要的意义。酱油灌装生产线的核心结构是酱油灌装机，而酱油灌装机的核心装置是酱油灌装阀，其结构设计的合理性，直接影响着灌装精度的高低。灌装阀的设计要点是要保证灌装后的液体不起泡、液面一致，提高灌装精度。在设计中，阀芯的结构将直接影响灌装阀的灌装精度。传统的设计与制造方法，步骤复杂、成本高。本课题尝试采用计算机辅助技术（ANSYS Workbench）来设计、分析和优化灌装阀结构。

2. 国内外研究现状分析

目前国内外对灌装阀的研究主要基于三种手段：实验手段，理论计算，计算流体力学（cfd法）。总体来说目前的理论研究还存在一些问题，主要是由于实践环节和理论研究的脱节，一般来说理论研究都集中在高校，然而高校试验条件较差，得出的理论成果无法在第一时间验证。而流体流动的本身特性具有非线性比较大和不确定性的特点，并且理论研究过程中会做比较多的假设，这就导致了假设条件如不能及时验证，其假设的准确性也就无法保证。另一方面研究技术问题的企业或者公司，在解决问题上往往依靠以往经验，无法进行更深层次的理论研究，结果造成了理论研究和实践环节的脱节。

国内研究进展如下：1. 南京理工大学的黄川，李东波，刘延友，何非，张敏，基于 fluent 的易拉罐灌装阀阀道流场分析与结构优化。运用 fluent 软件对易拉罐灌装阀阀道进行数值计算模拟，得出阀道流场分布，然后通过分析流场分布结果找到阀道结构受最大冲击以及最大压力的位置并进行优化，最终得到提高易拉罐灌装阀抗冲击性能以及使出口速度分布均匀的阀道结构，从而提高了灌装精度并为同类产品优化提供依据。2. 崔曼，陆佳平，盒中袋灌装阀阀口流场分析与结构优化。为了确定盒中袋灌装阀阀芯下降高度，对盒中袋灌装阀进行了流体流场分析计算。用gambit软件网格前处理了灌装阀通道模型，基于标准ｋ－ε湍流模型，对灌装阀进行了内部流场数值模拟。计算模拟了不同阀芯下降高度对内部速度压力云图的影响，分析了下降高度对灌装速率以及密封的影响。通过fluent数值计算对灌装阀进行了流体分析，为灌装阀的优化设计提供了理论依据。3. 蒋兆军，液体灌装阀的fluent流体动力学分析及优化设计。为了提高液体灌装生产线的生产效率，降低生产成本，需要优化液体灌装阀结构。以液体灌装阀作为研究对象，利用 fluent 软件分析了灌装阀流场的特性，确定了灌装过程中影响灌装速度的主要因素。利用正交实验法对灌装阀的结构进行了优化，并运用 ug 软件建立了流体模型，分析比较了不同结构下的流场特性，最终确定了最优化的结构参数，并提出了一种最合理的罐装阀结构设计。通过仿真分析，证明了该设计是可行且合理的。还有一些诸如蝶阀、等量安全阀、调节阀等的流场分析和优化设计研究。

参考文献如下：

3. 研究的基本内容与计划

本文所要进行的主要工作是：首先了解国内酱油灌装阀的结构、特性和工作原理。

通过流体建模的方法，根据灌装阀实际模型和工作原理，运用ansys workbench 软件对灌装阀建立三维几何模型，求出流场计算区域并对该区域进行网格的划分，选取适合的流动模型方程并对酱油灌装阀阀道进行数值计算模拟，得出阀道内部流场细节分布（速度场、压力场等）、灌装阀流量特性以及流场内各物理参数数据。

然后通过分析流场分布结果找到阀道结构受最大冲击以及最大压力的位置并进行优化，通过调整阀芯与阀座结构，分析结构的变化对周围流场的影响，最终得到提高酱油灌装阀抗冲击性能以及使出口速度分布均匀的阀道结构，可以保证酱油稳定准确地充进瓶中，从而提高了灌装精度并为同类产品优化提供依据。

4. 研究创新点