引言

国内外盒式气调包装机气体置换方式主要有 2种,即先抽真空后充气和边抽气边充气”~8］。其 中，边抽气边充气的气体置换方式由于其工作速度 相对较高而得到普遍应用。目前，这种置换方式都 是在气体置换腔的两端开有若干气孔，一端充入预 置气体，另一端进行抽气，从而完成包装盒内气体置 换，但由于气体置换、封盒作业安排在同一工位，其 生产效率较低。最近卢立新等改变原气调包 装机械的设计工艺，将抽真空、充气、封盒作业安排 在两个连续的工位上完成，设计新的气体置换装置， 以期有效提高包装作业效率以及包装盒内的气体置 换率。

体置换装置是气调包装机的核心部件，其性 能优劣将直接影响置换精度、置换速率以及耗气量， 并最终影响产品包装质量。虽然目前已设计研制出 了多种气体置换的结构形式，但针对置换装置内的 气体置换流程分析还未见报道；同时结合气体置换 性能进行置换装置的优化设计等方面，还缺乏理论 分析与技术方法。

本文基于以上2种气体置换方式，建立其置换 结构内气体流动的三维物理模型和分析模型，并应 用Fluent软件对包装盒内的气体流场进行三维数 值模拟，分析2种气体置换装置对气体置换性能的 影响。

1包装盒内三维流场的评价指标及影响因素

为评价气体置换结构性能,建立评价指标为:包 装盒内部气体的流动方向，包装盒内部流场的静压 分布，气体的平均流速,气体损耗量。

三维流场分布的影响因素:气体置换装置充、排 气孔的結构布置与排列方式。

为使2种置换装置性能分析结果具有可比性， 作以下假设:进、出口等效截面面积相同;进、出口边 界类型分别为压力入口和压力出口，且进、出口压力 相同；整个置换过程中，温度保持恒定；紊流气体在 管道流动过程中无沿程损失。

2流场分析模型建立

2.1气体置换结构物理模型

选取已有气体置换装置的典型结构⑸（传统结 构）与本文设计的气体置换装置结构⑻（新结构）进 行分析。可以看到，传统结构在气体置换腔的两 端开设了若干气孔，预置换气体从置换作业件左端 的气道（一列整齐排列的充气孔）进入包装盒中，将 盒内的空气向右端“排挤”，盒内的气体经右端的气 道（一列整齐排列的排气孔）被抽取排岀，从而达到 气体置换的目的。新结构在包装盒的正上 方设计1个充气孔和4个排气孔，其中充气孔位于 盒子的正中央,4个排气孔围绕在充气孔四周，并以 充气孔为中心等距分布；预置气体通过位于中间的 充气孔进入盒子与气体置换作业件之间的密闭空 间，将盒内的空气向盒子四周排挤，同时4个排气孔 接通抽真空,将盒子内的空气吸出，从而达到气体置 换的目的。

2.2流场分析模型

根据2种气体置换结构形式，选取 预置气体在2种置换装置内的流动空间为研究对 象,建立其流场分析模型,坐标原点为充气孔 中心处。

整齐排列的充、排气孔等效为一个相同面积的长方 形充、排气口，并将封盒膜与包装盒之间的空隙部分 加在分析模型的纵向高度上。

2.3数学模型

为了便于分析，假设盒内空气不可压缩，且符合假设；忽略固体和气体的热辐射；气流为低速不可压缩流动，进而忽略由流体粘性力做功所 引起的耗散热；流体的系流粘性各向同性；盒子壁面恒温且平均。

2.4边界条件及初值

为使2种置换结构有可比性，两种数值模拟方 案均采取相同的边界条件。环境压力101 325 Pa, 环境温度采用室温,即充气、排气温度为298 Ko入 口边界为压力入口 9 = 1.2X105 Pa,出口边界为压 力出口 p' = 103 Pa,采取抽气的方式。在固壁边界 上流速无滑移，均取为零，壁面温度采用绝热条件。

3结果与讨论

使用Pro/E建立盒子内气体流动空间的三维分 析模型，然后导入CFD流体软件中，采用四面体在 Gambit中进行有限元的网格划分，确定边界条件； 应用Fluent 6.2进行分析模型的三维流场分析。分 析采用的充入置换气体为氧气，得到2种分析模型 内部的气体流动状态。

模型1中的气体从充气口进入 后,一部分沿着盒子上半部分向前流动，另一部分在 充气口下方形成一个较大的漩涡；在排气口区域,一 部分气体直接流向排气口，另一部分则在排气口下 方的区域形成了一个较小的漩涡。总体趋势是由充 气口指向排气口。而模型2中的气体流动方向较为 复杂，但总体上有如下趋势:气体沿着充气孔的入流 方向是向下的；而在充气孔四周、排气孔下方的区 域，气体流向排气孔;在这两个区域之间的相关空白 区域，存在着一些小的旋涡。于是在盒子内部呈现 出中间向下，四周向上,局部区域呈漩涡状态的流动 形式。

表1为稳态时包装盒内部气体流动状况指标 值。可以发现，模型1由于采取的是充气孔与排气 孔水平放置的冲洗式置换方法，单位时间内的耗气 量明显较模型2多；同时模型1中盒内气体的流动 速度在最大流速、最小流速和平均流速上都较模型 2大，这与模型1所耗费的混合气体量是相吻合的。 究其原因，主要是由于在模型1中充气孔开口方向 与排气孔开口方向处于同一水平面上，使得大部分 的预制气体沿着入流方向快速地流向了排气孔，同 时由于排气孔处的气压值较低，使流过来的预置气 体进一步加速，导致排气孔处的气体流速快速上升, 从而间接导致了盒子内气体平均流速的提高。同

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