沖擊式食物破碎機(jī)是一種具有環(huán)保作用的廢棄食物處理機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡單、實用性強(qiáng)等特點，其應(yīng)用前景很廣闊，但由于引進(jìn)時間短，在國內(nèi)尚未普及，其名稱也沒能得以統(tǒng)一。目前國內(nèi)外只有一些中小型企業(yè)對該產(chǎn)品進(jìn)行過粗略的研究，如美國格萊達(dá)公司研制的食物處理器，只對高速旋轉(zhuǎn)的刀架組合及粉碎腔進(jìn)行了設(shè)計等；國內(nèi)各高校或研究所中，林德芳等針對我國食物的結(jié)構(gòu)特點，對關(guān)鍵部件如電機(jī)、粉碎室、刀組等的設(shè)計和材料作了許多改進(jìn)并申請了專利，劉建秀等應(yīng)用有限元分析從力學(xué)的角度對其進(jìn)行了粉碎刀盤的載荷計算。從流體動力學(xué)的角度來看，其內(nèi)部流動屬于液同兩相流。粒子圖像測速儀(PIV)、激光多普勒測速儀( LDA)及高速數(shù)碼相機(jī)等被廣泛地運用于固液兩相流研究，但是帶大弧度圓形器吸的測試采用以上技術(shù)手段均會產(chǎn)生測量誤差，有些誤差難以補償甚至無法補償，而采用PDPA點式測量方式能減少這些測量誤差。對食物破碎機(jī)內(nèi)部固液兩相流的流場研究還沒見過相應(yīng)的報道，本文將從濕法粉碎角度出發(fā)，對粉碎室內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，運用PDPA測試技術(shù)對沖擊式食物破碎機(jī)內(nèi)流場采用試驗的方法來研究其內(nèi)部的破碎機(jī)理，為食物破碎機(jī)的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。
1、數(shù)值模擬
    針對江蘇大學(xué)工業(yè)中心繪制的沖擊式食物破碎機(jī)，其基本參數(shù)為：額定功率350 W，額定扭矩1. 32 N．m，進(jìn)口直徑120 mm，出口直徑38 mm，轉(zhuǎn)輪直徑118 mm。圖1給出了沖擊式食物破碎機(jī)剖面圖。
    破碎過程為非定常流動過程，且破碎時間非常短，大約為3mm，所以采用數(shù)值模擬來計算這個過程相當(dāng)困難。為更加符合流動的真實條件，筆者假設(shè)破碎為3個不同過程，即第一階段顆粒粒徑為4 mm，第二階段粒徑更加細(xì)小為3 mm，最后結(jié)果為1 mm顆粒從刀盤孔徑及刀盤與邊壁間隙中隨著水流沖走。對不同粒徑顆粒的計算，從而將研究非定常破碎過程轉(zhuǎn)化為研究定常的流動過程。本文將要研究的液固兩相流是球形顆粒和水組成的兩相體系，其流動特性與清水有較大的區(qū)別。其中的固相顆粒相具有濃度、粒徑、顆粒形狀及密度等特性。液同兩相具有不同的速度場。本文中根據(jù)國人的飲食習(xí)慣，按0.5 kg計粉碎介質(zhì)的重量，其密度為2 500kg/m3，認(rèn)為流體相為牛頓流體且局部各項同性。
2、PDPA試驗研究
    整個實驗裝置可以分為沖擊式食物粉碎機(jī)回路裝置和測試系統(tǒng)實驗裝置。
2.1  回路裝置
    測試裝置為開式結(jié)構(gòu)，中間管路由PPR管連接而成，如圖2所示。試驗用沖擊式食物破碎機(jī)測試部分為高58 mm，內(nèi)徑為120 mm的有機(jī)玻璃管改裝而成，激光入射處將圓弧面修改成1cm×10cm平面，這樣就能消除由于圓弧曲率造成的測量誤差；上蓋為相同內(nèi)徑，高為92 mm的有機(jī)玻璃管，上面進(jìn)口處用螺紋與變徑管連接；兩部分用法蘭連接。為了試驗測量具有實際意義，本試驗將水箱的水位高度定為400 mm，即保證進(jìn)口速度保持恒定。進(jìn)口速度約為0.3 m/s。
2.2測試系統(tǒng)
    本文中采用對流場無影響的PDPA進(jìn)行流場測試（如圖3）。
    試驗采用側(cè)向散射測量，因為相對于其他相對模式減少了在測量體內(nèi)對速度梯度的敏感性。具體測點的位置坐標(biāo)如圖4所示，H為液面到刀頭頂部的距離。
2.3數(shù)據(jù)分析及圖像處理
    圖5給出了不同轉(zhuǎn)速下粉碎室軸截面速度矢量分布數(shù)值模擬結(jié)果。
    在粉碎室上部，進(jìn)口處液體在壓力的作用下獲得最初始的速度，隨后在重力及壓力的作用下速度有所上升。在轉(zhuǎn)速比較小時，液體受刀盤剪切力影響不大，粉碎室中液流變化不大；隨著轉(zhuǎn)速的增加，靠近邊壁的液體形成一個很小的軸面漩渦，并且漩渦的范圍隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加。這主要是主流區(qū)液體在與刀盤相碰撞后，受刀盤離心力影響被迅
速輸運到粉碎室邊壁上，由于速度較大，先到的液相被后來的液相強(qiáng)烈沖擊作用而沿著壁面向上運動，然后與來流混合，速度慢慢減少最后再次隨著來流一起向下運動。說明粉碎機(jī)在整個循環(huán)過程中完成粉碎過程。
    由于高轉(zhuǎn)速下破碎室內(nèi)周液兩相流清晰度不高，給試驗帶來很大難度，筆者僅從350r／min、750r/min和850 r／m．n轉(zhuǎn)速下對破碎室內(nèi)流場進(jìn)行了試驗。
3  實驗結(jié)果及分析
    在破碎機(jī)的速度場中，切向速度占主導(dǎo)地位。破碎機(jī)內(nèi)流場明顯具有渦結(jié)構(gòu)，即外旋流受破碎刀頭影響不均勻，內(nèi)旋流具有漩渦特性。其流速分布為：
式(1)中：n為漩渦指數(shù)，在破碎機(jī)內(nèi)流場中，其值為-1，為強(qiáng)制渦。
    為了從定量上比較不同轉(zhuǎn)速下能量密度的強(qiáng)度變化情況，筆者選擇一個可以表征能量密度的參數(shù)，對其進(jìn)行體積加權(quán)平均，然后比較其大小。這里直接選用粘性耗散率，因為它與能量密度有著更直接的關(guān)系。
粘性耗散率體積加權(quán)平均的計算式如下：
4、結(jié)論
    (1)轉(zhuǎn)速越大，研磨介質(zhì)受到的離心力越大，靠近壁面的速度梯度越大，即剪切率越高，所以從提高粉碎效率和效果出發(fā)，轉(zhuǎn)速越大越好。通過定量分析粘性耗散率得出：增大破碎機(jī)的轉(zhuǎn)速，其粉碎效率以轉(zhuǎn)速的2. 33次方的速度增加。但轉(zhuǎn)速過大，筒壁和刀盤的磨損加快，也會影響設(shè)備本身的壽命。所以綜合兩方面考慮，筆者建議設(shè)計時轉(zhuǎn)速范圍為850—3 000 r/min。
    (2)粉碎室底部靠壁面處有兩處大小不一的渦，形成二次回流。切向速度從破碎機(jī)中心向周邊不斷增大，內(nèi)旋流具有強(qiáng)制漩渦特性，從軸面圖得出0. 6<r/R<0.9為主要粉碎區(qū)。所以刀頭最佳區(qū)域為0. 6R～0.9R范圍，且刀頭頭部應(yīng)設(shè)計成鋸齒型，以便于增加剪切力度。
    (3)通過比較沖擊式食物破碎機(jī)粉碎室軸面及刀盤切向速度圖，兩者均在0. 6R以后速度變化較大，速度梯度明顯，試驗結(jié)果與模擬結(jié)果趨勢一致。