沖擊式食物破碎機是一種具有環(huán)保作用的廢棄食物處理機，具有結構簡單、實用性強等特點，其應用前景很廣闊，但由于引進時間短，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)品進行過粗略的研究，如美國格萊達公司研制的食物處理器，只對高速旋轉的刀架組合及粉碎腔進行了設計等；國內(nèi)各高校或研究所中，林德芳等針對我國食物的結構特點，對關鍵部件如電機、粉碎室、刀組等的設計和材料作了許多改進并申請了專利，劉建秀等應用有限元分析從力學的角度對其進行了粉碎刀盤的載荷計算。從流體動力學的角度來看，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。對食物破碎機內(nèi)部固液兩相流的流場研究還沒見過相應的報道，本文將從濕法粉碎角度出發(fā)，對粉碎室內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，運用PDPA測試技術對沖擊式食物破碎機內(nèi)流場采用試驗的方法來研究其內(nèi)部的破碎機理，為食物破碎機的優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。
1、數(shù)值模擬
    針對江蘇大學工業(yè)中心繪制的沖擊式食物破碎機，其基本參數(shù)為：額定功率350 W，額定扭矩1. 32 N．m，進口直徑120 mm，出口直徑38 mm，轉輪直徑118 mm。圖1給出了沖擊式食物破碎機剖面圖。
    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困難。為更加符合流動的真實條件，筆者假設破碎為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小為3 mm，最后結果為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)國人的飲食習慣，按0.5 kg計粉碎介質的重量，其密度為2 500kg/m3，認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
    測試裝置為開式結構，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測試部分為高58 mm，內(nèi)徑為120 mm的有機玻璃管改裝而成，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的有機玻璃管，上面進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，即保證進口速度保持恒定。進口速度約為0.3 m/s。
2.2測試系統(tǒng)
    本文中采用對流場無影響的PDPA進行流場測試（如圖3）。
    試驗采用側向散射測量，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給出了不同轉速下粉碎室軸截面速度矢量分布數(shù)值模擬結果。
    在粉碎室上部，進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。說明粉碎機在整個循環(huán)過程中完成粉碎過程。
    由于高轉速下破碎室內(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轉速下對破碎室內(nèi)流場進行了試驗。
3  實驗結果及分析
    在破碎機的速度場中，切向速度占主導地位。破碎機內(nèi)流場明顯具有渦結構，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)，在破碎機內(nèi)流場中，其值為-1，為強制渦。
    為了從定量上比較不同轉速下能量密度的強度變化情況，筆者選擇一個可以表征能量密度的參數(shù)，對其進行體積加權平均，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系。
粘性耗散率體積加權平均的計算式如下：
4、結論
    (1)轉速越大，研磨介質受到的離心力越大，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)，轉速越大越好。通過定量分析粘性耗散率得出：增大破碎機的轉速，其粉碎效率以轉速的2. 33次方的速度增加。但轉速過大，筒壁和刀盤的磨損加快，也會影響設備本身的壽命。所以綜合兩方面考慮，筆者建議設計時轉速范圍為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。切向速度從破碎機中心向周邊不斷增大，內(nèi)旋流具有強制漩渦特性，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，且刀頭頭部應設計成鋸齒型，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，試驗結果與模擬結果趨勢一致。