固液混合物的通电加热及数值模拟

摘要

随着计算机技术和数值计算技术的发展，有限元分析已经成为解决复杂物理场问题的有效方法。通过对数学模型的模拟分析，不仅可以直观地了解通电加热过程中物料内部温度的分布情况，而且可以节省大量的试验时间和成本。因此，为了更好的发展通电加热技术，研究数值模拟在固液混合物中的应用是非常有意义的。本文主要开展了两方面的研究工作，一是以猪肋排骨为研究对象，探讨排骨长轴方向、溶液浓度对固液混合物通电加热过程中加热速率及其电导率的影响；二是应用有限元分析软件ANSYS建立了固液混合物的三维有限元模型，进行了热-电耦合分析，得到了其瞬态电场、温度场数值模拟结果，并进行了实验验证。
　　 ⑴利用浸泡式通电加热装置研究了通电加热过程中NaCl溶液浓度对猪肋排骨各部分加热速率的影响。实验结果表明：NaCl溶液浓度为0.03 mol/L时试样各部分与溶液的加热速率最接近，并且当溶液浓度低于0.03 mol/L时，通电加热过程中，试样的平均加热速率高于溶液的平均加热速率，这对传统加热方式来说是不可能实现的。结果还显示，试样各部分的平均加热速率并不相同，肌肉的平均加热速率最快，而骨髓的平均加热速率最慢。当NaCl溶液浓度为0.05 mol/L时，除肌肉外试样其它部分的加热速率都比溶液的加热速率慢，平均加热速率最慢处为中部骨髓中心。
　　 ⑵利用浸泡式通电加热装置研究了猪肋排骨长轴方向对其通电加热过程中各部分加热速率的影响，实验结果表明：溶液浓度为0.01 mol/L时，试样长轴平行于电场方向时试样各部分的平均加热速率均高于试样长轴垂直于电场方向时试样各部分的平均加热速率，其它浓度下无明显规律。
　　 ⑶利用浸泡式通电加热装置研究了猪肋排骨长轴方向、溶液浓度对固液混合物电导率的影响，实验结果表明：在所研究的溶液浓度下，加热槽内试样与溶液混合物的电导率与温度仍然呈线性关系，其电导率随溶液浓度的增大而增大，并且试样长轴方向与电场方向平行时电导率高于二者垂直时的电导率。因此，在对猪肋排骨进行通电加热时，最佳工艺条件为：试样长轴与电场方向平行，溶液浓度为0.03 mol/L。
　　 ⑷分别采用接触式通电加热装置和浸泡式通电加热装置测量了猪里脊肉和NaCl溶液的电导率，实验结果显示：与里脊肉电导率最接近的溶液是浓度为0.07 mol/L的NaCl溶液。
　　 ⑸利用有限元分析软件ANSYS模拟了猪里脊肉在NaCl溶液（0.05、0.07、 0.09 mol/L）中进行通电加热时的电流密度、电势、温度分布云图。结果显示：当溶液浓度为0.05 mol/L时，试样电导率高于溶液电导率，“冷点”出现在试样正上方长轴中部的溶液处，加热速率最快点为试样中心；当溶液浓度为0.09 mol/L时，试样电导率低于溶液电导率，“冷点”出现在试样靠近极板两侧的溶液中，加热速率最快点为试样正上方长轴中部的溶液处；溶液浓度为0.07 mol/L时，试样及溶液的混合物加热均匀，无“冷点”；试样长轴方向对各部分的平均加热速率略有影响；当溶液浓度为0.07 mol/L，试样纤维方向与电场方向平行时加热效果最佳。
　　 ⑹在猪里脊肉通电加热的最佳工艺条件下（溶液浓度为0.07 mol/L，试样纤维方向与电场方向平行），建立了猪带膘里脊肉及浓度为0.07 mol/L的NaCl溶液的有限元模型，并用ANSYS模拟了固液混合物的通电加热过程。模拟结果显示：脂肪层对里脊肉及溶液的加热规律都有显著影响，混合物内部温差较大，破坏了原先整体加热的均匀性。
　　 ⑺利用浸泡式通电加热装置对模拟结果进行了实验验证，结果显示：有限元法能较准确地预测固液混合物在通电加热过程中的加热规律。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 引言

2 通电加热过程中猪肋排骨的加热速率及电导率研究

3 通电加热过程数值模拟基本理论及数学模型

4 基于ANSYS 的固液混合物热-电耦合场分析

5 结论与建议

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文情况