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引言

國內(nèi)外盒式氣調(diào)包裝機氣體置換方式主要有 2種,即先抽真空后充氣和邊抽氣邊充氣”~8］。其 中，邊抽氣邊充氣的氣體置換方式由于其工作速度 相對較高而得到普遍應(yīng)用。目前，這種置換方式都 是在氣體置換腔的兩端開有若干氣孔，一端充入預(yù) 置氣體，另一端進行抽氣，從而完成包裝盒內(nèi)氣體置 換，但由于氣體置換、封盒作業(yè)安排在同一工位，其 生產(chǎn)效率較低。最近盧立新等改變原氣調(diào)包 裝機械的設(shè)計工藝，將抽真空、充氣、封盒作業(yè)安排 在兩個連續(xù)的工位上完成，設(shè)計新的氣體置換裝置， 以期有效提高包裝作業(yè)效率以及包裝盒內(nèi)的氣體置 換率。

體置換裝置是氣調(diào)包裝機的核心部件，其性 能優(yōu)劣將直接影響置換精度、置換速率以及耗氣量， 并最終影響產(chǎn)品包裝質(zhì)量。雖然目前已設(shè)計研制出 了多種氣體置換的結(jié)構(gòu)形式，但針對置換裝置內(nèi)的 氣體置換流程分析還未見報道；同時結(jié)合氣體置換 性能進行置換裝置的優(yōu)化設(shè)計等方面，還缺乏理論 分析與技術(shù)方法。

本文基于以上2種氣體置換方式，建立其置換 結(jié)構(gòu)內(nèi)氣體流動的三維物理模型和分析模型，并應(yīng) 用Fluent軟件對包裝盒內(nèi)的氣體流場進行三維數(shù) 值模擬，分析2種氣體置換裝置對氣體置換性能的 影響。

1包裝盒內(nèi)三維流場的評價指標(biāo)及影響因素

為評價氣體置換結(jié)構(gòu)性能,建立評價指標(biāo)為:包 裝盒內(nèi)部氣體的流動方向，包裝盒內(nèi)部流場的靜壓 分布，氣體的平均流速,氣體損耗量。

三維流場分布的影響因素:氣體置換裝置充、排 氣孔的結(jié)構(gòu)布置與排列方式。

為使2種置換裝置性能分析結(jié)果具有可比性， 作以下假設(shè):進、出口等效截面面積相同;進、出口邊 界類型分別為壓力入口和壓力出口，且進、出口壓力 相同；整個置換過程中，溫度保持恒定；紊流氣體在 管道流動過程中無沿程損失。

2流場分析模型建立

2.1氣體置換結(jié)構(gòu)物理模型

選取已有氣體置換裝置的典型結(jié)構(gòu)⑸（傳統(tǒng)結(jié) 構(gòu)）與本文設(shè)計的氣體置換裝置結(jié)構(gòu)⑻（新結(jié)構(gòu)）進 行分析?？梢钥吹?，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在氣體置換腔的兩 端開設(shè)了若干氣孔，預(yù)置換氣體從置換作業(yè)件左端 的氣道（一列整齊排列的充氣孔）進入包裝盒中，將 盒內(nèi)的空氣向右端“排擠”，盒內(nèi)的氣體經(jīng)右端的氣 道（一列整齊排列的排氣孔）被抽取排岀，從而達到 氣體置換的目的。新結(jié)構(gòu)在包裝盒的正上 方設(shè)計1個充氣孔和4個排氣孔，其中充氣孔位于 盒子的正中央,4個排氣孔圍繞在充氣孔四周，并以 充氣孔為中心等距分布；預(yù)置氣體通過位于中間的 充氣孔進入盒子與氣體置換作業(yè)件之間的密閉空 間，將盒內(nèi)的空氣向盒子四周排擠，同時4個排氣孔 接通抽真空,將盒子內(nèi)的空氣吸出，從而達到氣體置 換的目的。

2.2流場分析模型

根據(jù)2種氣體置換結(jié)構(gòu)形式，選取 預(yù)置氣體在2種置換裝置內(nèi)的流動空間為研究對 象,建立其流場分析模型,坐標(biāo)原點為充氣孔 中心處。

整齊排列的充、排氣孔等效為一個相同面積的長方 形充、排氣口，并將封盒膜與包裝盒之間的空隙部分 加在分析模型的縱向高度上。

2.3數(shù)學(xué)模型

為了便于分析，假設(shè)盒內(nèi)空氣不可壓縮，且符合假設(shè)；忽略固體和氣體的熱輻射；氣流為低速不可壓縮流動，進而忽略由流體粘性力做功所 引起的耗散熱；流體的系流粘性各向同性；盒子壁面恒溫且平均。

2.4邊界條件及初值

為使2種置換結(jié)構(gòu)有可比性，兩種數(shù)值模擬方 案均采取相同的邊界條件。環(huán)境壓力101 325 Pa, 環(huán)境溫度采用室溫,即充氣、排氣溫度為298 Ko入 口邊界為壓力入口 9 = 1.2X105 Pa,出口邊界為壓 力出口 p' = 103 Pa,采取抽氣的方式。在固壁邊界 上流速無滑移，均取為零，壁面溫度采用絕熱條件。

3結(jié)果與討論

使用Pro/E建立盒子內(nèi)氣體流動空間的三維分 析模型，然后導(dǎo)入CFD流體軟件中，采用四面體在 Gambit中進行有限元的網(wǎng)格劃分，確定邊界條件； 應(yīng)用Fluent 6.2進行分析模型的三維流場分析。分 析采用的充入置換氣體為氧氣，得到2種分析模型 內(nèi)部的氣體流動狀態(tài)。

模型1中的氣體從充氣口進入 后,一部分沿著盒子上半部分向前流動，另一部分在 充氣口下方形成一個較大的漩渦；在排氣口區(qū)域,一 部分氣體直接流向排氣口，另一部分則在排氣口下 方的區(qū)域形成了一個較小的漩渦?？傮w趨勢是由充 氣口指向排氣口。而模型2中的氣體流動方向較為 復(fù)雜，但總體上有如下趨勢:氣體沿著充氣孔的入流 方向是向下的；而在充氣孔四周、排氣孔下方的區(qū) 域，氣體流向排氣孔;在這兩個區(qū)域之間的相關(guān)空白 區(qū)域，存在著一些小的旋渦。于是在盒子內(nèi)部呈現(xiàn) 出中間向下，四周向上,局部區(qū)域呈漩渦狀態(tài)的流動 形式。

表1為穩(wěn)態(tài)時包裝盒內(nèi)部氣體流動狀況指標(biāo) 值?？梢园l(fā)現(xiàn)，模型1由于采取的是充氣孔與排氣 孔水平放置的沖洗式置換方法，單位時間內(nèi)的耗氣 量明顯較模型2多；同時模型1中盒內(nèi)氣體的流動 速度在最大流速、最小流速和平均流速上都較模型 2大，這與模型1所耗費的混合氣體量是相吻合的。 究其原因，主要是由于在模型1中充氣孔開口方向 與排氣孔開口方向處于同一水平面上，使得大部分 的預(yù)制氣體沿著入流方向快速地流向了排氣孔，同 時由于排氣孔處的氣壓值較低，使流過來的預(yù)置氣 體進一步加速，導(dǎo)致排氣孔處的氣體流速快速上升, 從而間接導(dǎo)致了盒子內(nèi)氣體平均流速的提高。同

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