土豆冻结过程中相变界面的模拟及实验研究

摘要

本文选择新鲜土豆为研究对象,采用数值模拟与实验相结合的方法,以冻结过程中土豆的温度分布及其相变界面的移动规律为考察指标,结合实验测得土豆30~-40℃范围内的导热系数和比热容拟合的多项式分析冷却空气的风速、温度等影响因素对相变界面移动的影响。实现对植物材料冻结过程的优化与控制,为冻结技术在植物材料冻结中的应用和工艺优化提供依据。
　　本文的主要研究内容有:
　　1.土豆的热物性的测定实验:包括土豆的冻结点,冻结前后的密度,含水量,30~-40℃范围内随温度变化的比热容、导热系数等,并拟合多项式。
　　2.土豆冻结的数值模型:结合热物性测定的实验结果及其拟合所得多项式,采用COMSOL软件数值模拟,计算土豆任意时刻变物性条件下的温度分布和及其相变界面的位置。
　　3.土豆冻结实验:测定不同尺寸的土豆,在不同的冻结方式,不同的冻结速度下,指定点的温度变化曲线,以及冻结过程中相变界面的位置和土豆中的温度分布。
　　4.模拟与实验结果对比,找出误差原因,分析相变界面的移动规律。
　　数值模拟研究发现:
　　1.相变界面在向中心的移动过程中速度逐渐增大。
　　2.强制对流换热时,在冻结过程中土豆的热中心逐渐向土豆几何中心下方偏移。冷却空气温度为-40℃时,风速从1m/s依次增大到2m/s、4m/s和8m/s,相变界面从最外侧移动到中心时间依次减少约700s、300s和400s。
　　3.自然对流条件下,在冻结过程中土豆的热中心逐渐偏移土豆的几何中心向上移动。冷却空气温度从-25℃依次降低到-30℃、-35℃和-45℃,相变界面从最外侧移动到中心时间依次减少约2000s、1300s和800s。
　　实验研究发现:
　　1.根据实验结果将土豆的导热系数分为30~-2℃、-2~-6℃和-6~-40℃三段分别拟合多项式,将土豆的比热容分为30~0℃、0~-10℃和-10~-40℃三段分别拟合多项式,多项式的计算结果与实验结果非常接近。
　　2.冷风机电源频率f=0Hz时,下侧相变界面的平均移动速率最快。初始阶段,上侧相变界面的平均移动速率略快于两侧,随着冻结的进行,逐渐受到下侧换热的影响,两侧相变界面的平均移动速率逐渐超越上侧。
　　3.冷风机电源频率f=50Hz时,上侧相变界面的平均移动速率最快,下侧相变界面的平均移动速率最慢。
　　4.土豆与-48℃的冷空气进行自然对流换热时,在模拟中代入随温度变化的导热系数、比热与模拟中冻结前后热物性取定值的结果非常接近,可认为两者近似相等。当冷风机电源频率f=50Hz时,在模拟中使用随温度变化的热物性与实验结果更加接近。
　　5.土豆边长a=4cm,冷风机电源频率f=50Hz时,在整个冻结过程中土豆内部的温度梯度最小;a=5cm,f=0Hz时,在整个冻结过程中土豆内部的温度梯度最大。
　　综上可知:
　　1.土豆与环境的换热越快,常热物性的模拟结果与实验结果相差越大,代入随温度变化的热物性的模拟优势越明显。
　　2.相变界面在向中心的移动过程中速度逐渐增大。
　　3.冷却空气的风速越大,相变界面移动速率越快。但随着风速的增大,相变界面移动速率增大的幅度逐渐减小。
　　4.土豆与冷空气自然对流换热时,空气温度越低,相变界面移动速率越快。空气温度较高时,降低空气温度能大幅度提高相变界面的移动速率。但随着空气温度的降低,相变界面移动速率的增幅逐渐减小。
　　5.初始温度为20℃的土豆在-40℃的空气中自然冷却时,土豆尺寸不大于3.1cm时可认为任意时刻土豆中的温度分布均匀,可使用集中参数法计算土豆的温度。
　　6.初始温度为20℃的土豆与-40℃的空气强制对流换热时,当风速u与土豆的长度尺寸a(不大于3.1cm)满足关系ua≤7.167×10-3 m2/s时可认为任意时刻土豆中的温度分布是均匀的。通过计算可得当 a分别为3cm、2cm和1cm时风速依次不超过0.239m/s、0.358 m/s和0.717m/s时可使用集中参数法计算土豆温度。

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第一章 前 言

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 国内外研究综述

1.3 问题的提出

1.4 课题研究的主要内容

1.5 课题研究方案

1.6 本章小结

第二章 土豆热物性的实验研究

2.1 实验材料、仪器和设备

2.2 实验方法

2.3 实验结果及分析

2.4 本章小结

第三章 土豆冻结过程中相变界面的模拟及分析

3.1 COMSOL Multiphysics介绍

3.2 物理模型

3.3 数学模型

3.4 约束条件设定

3.5 网格的划分

3.6 求解

3.7 模拟结果及分析

3.8 本章小结

第四章 土豆冻结过程中相变界面的实验研究及分析

4.1 实验仪器及设备

4.2 冻结实验

4.3 实验结果及分析

4.4 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

发表论文及参加科研情况说明

致谢