一种通过数值模拟的食品预冷性能评估和优化方法

摘要

本发明公开了一种通过数值模拟的食品预冷性能评估和优化方法。本发明从预冷过程中食品内部的热量向外传递的机理着手，涵盖现有各评估指标，能够作为唯一的食品预冷性能评估指标；本发明中食品预冷性能的评估指标传热能力损失通过计算流体力学CFD数值模拟的方式获取全场分布云图，数值模拟相对于实验测量的方法具有成本低、速度快、使用便捷的优点，并且获取的全场分布云图具有结果直观、形象的优点；本发明中以降低传热能力损失为单一优化目标，优化过程简便、直接，对实际生产应用有重要指导意义。

说明书

技术领域

本发明涉及食品冷链保鲜技术，具体涉及一种通过数值模拟的食品预冷性能评估和优化方法。

背景技术

预冷是食品冷链物流过程中的重要环节，可使采摘、捕捞、加工时累积在食品中的热量及食品自身产生的呼吸热迅速散失，从而降温至适宜贮藏保鲜的温度，进而进入冷库储存并完成之后的冷链物流过程。预冷性能可以从食品的降温速率、温度均匀性和品质以及过程能耗等多方面评估。然而，不同的预冷方法和工况参数对不同性能评估指标的影响不同，所以综合评估预冷性能较为复杂繁琐。进而，因为缺少明确且唯一的性能评估指标，预冷的优化方法往往是通过试错或根据经验提出的。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明从预冷过程中食品内部的热量向外传递的机理着手，提出了一种通过数值模拟的食品预冷性能评估和优化方法。

本发明的通过数值模拟的食品预冷性能评估和优化方法，包括以下步骤：

1)设计食品的预冷包装和在预冷设备中的码放形式，对预冷设备、预冷包装以及在其中的食品进行三维建模，得到几何模型；

2)对几何模型进行检查和修复，确定几何模型的计算域，将几何模型的计算域分为不同部分，对各部分计算域设置网格参数，将几何模型的计算域划分成网格，得到网格文件；

3)对网格文件进行网格检查，设置数值模拟的求解器类型、计算模型和数值模拟参数；

4)对网格文件开始进行计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值模拟，对CFD数值模拟中的时间依赖性选择稳态，仅求解CFD数值模拟中的质量方程和动量方程，设定最大迭代次数，开始求解，监测残差曲线，达到最大迭代次数，或计算收敛时，结束求解，计算得到质量方程和动量方程的求解结果，获得速度场；

5)利用步骤4)得到的速度场，对CFD数值模拟中的时间依赖性选择瞬态，仅求解能量方程，设定迭代参数，开始求解，监测残差曲线，每个时间步达到最大迭代次数或计算收敛时，求解下一个时间步，直至所有时间步求解完成，结束求解，计算得到单位体积食品的传热能力损失率，并按照设定的数据导出的时间间隔Δt，依次导出各个单位体积食品的传热能力损失率；

6)将计算域中的各处食品内部的温度均达到预冷要求的最终温度时的时间作为预冷总耗时，根据各个单位体积食品的传热能力损失率计算得到预冷全过程中单位体积食品的传热能力损失；

7)根据计算得到的计算域中各位置的单位体积食品的传热能力损失，评估食品预冷性能；

8)以降低在实际的预冷设备中与计算域中相应的位置处较高的传热能力损失为目标，结合具体预冷设备对该位置进行预冷操作优化。

其中，在步骤1)中，预冷包装采用预冷筐或预冷箱。利用三维建模软件构建包括预冷设备、预冷包装以及在其中的食品在内的几何模型，根据计算能力，将预冷设备的各部件、预冷包装以及在其中的食品个体简化为相应的基本几何形状。计算能力越强，简化为更为复杂更接近实际物体的基本几何形状，计算能力越弱，简化为更为简单的几何形状。

在步骤2)中，根据计算能力，将几何模型的计算域分为不同部分：如果计算能力弱，在预冷设备内部且在不同预冷包装的外部的计算域是自由流动域，在不同预冷包装的内部的计算域是多孔介质域；或者，如果计算能力强，在预冷设备内部且在不同预冷包装中的不同食品个体的外部的计算域是自由流动域，在不同预冷包装中的不同食品个体的内部的计算域是固体域。网格参数包括各部分计算域的最大网格尺寸、各部分计算域边界面的最大网格尺寸、边界层数和增长率；采用非结构化体网格；各部分计算域和各部分计算域边界面的最大网格尺寸为所在计算域几何尺寸的十万分之一至十分之一之间，边界层数为1～50，增长率为1～5。

在步骤3)中，求解器类型为压力基求解器，计算模型为湍流模型和能量模型，数值模拟参数包括各部分计算域的物性参数和模型参数、边界条件的类型和参数以及求解器离散格式和参数。

对自由流动域按预冷设备中实际的流体材料从数值模拟软件自带的物性数据库中调用物性参数，并使用数值模拟软件默认的模型参数；对多孔介质域或固体域按食品品种根据文献Rahman M S.Food Properties Handbook,Second Edition[M].Boca Raton:CRC Press,2009.设置物性参数或按经验取值，根据公式计算单位质量食品的呼吸作用产热率作为热源模型参数：

其中，T_m为食品内部的温度，f和g可以根据食品品种由文献Becker>

其中，V_F为单个预冷包装中的食品个体所占体积，V_T为单个预冷包装的总体积，阻力系数k₁和k₂(模型参数)通过测量不同流量的流体通过单个预冷包装时产生的单位距离上的压降Δp/Δx由下式拟合得到：

其中，μ和ρ分别为流体的动力粘性系数和密度，可以由数值模拟软件自带的物性数据库调用，q为流量，k₁和k₂为阻力系数，采用局部热平衡或非热平衡传热方式，局部非热平衡传热方式的传热系数按食品品种根据文献Rahman>

在步骤4)中，根据经验，最大迭代次数为100～1000000。

在步骤5)中，单位体积食品的传热能力损失率为：

其中，λ_e为有效导热率，T为食品内部的温度，为正交坐标系下三个方向的导数。迭代参数包括各部分计算域的初始温度、时间步数和步长、每步最大迭代次数和数据导出的时间间隔，各部分计算域的初始温度根据预冷设备的设计操作方式设定为-80～80℃，根据经验设定时间步长为1秒至1小时，通常取1分钟～10分钟；设定时间步数，使时间步数和时间步长的乘积大于预冷设备的设计操作时长，根据经验设定每步最大迭代次数为5～500，根据数据处理的需要设定数据导出的时间间隔，最小为时间步长的大小，最大为时间步数和时间步长的乘积的二分之一。

在步骤6)中，预冷要求是数值模拟前预先设定的，预冷全过程中单位体积食品的传热能力损失Φ_V为：

其中，为求解过程中导出的第n个单位体积食品的传热能力损失率，τ为预冷总耗时，Δt为数据导出的时间间隔，n＝1,……,τ/Δt。

在步骤7)中，比较各位置的单位体积食品的传热能力损失，较高的传热能力损失导致传热速率低，降温慢，温度较其他位置高，进而增加预冷过程能耗；反之，较低的传热能力损失导致传热速率高，降温快，温度较其他位置低，进而减少预冷过程能耗。

在步骤8)中，进行预冷操作优化包括：改进相应位置的食品在预冷包装中的码放形式及相应位置所在的预冷包装的摆放形式，提高相应位置所在的预冷包装的开孔率和导热率及其附近的流速。

本发明的优点：

本发明从预冷过程中食品内部的热量向外传递的机理着手，涵盖现有各评估指标，能够作为唯一的食品预冷性能评估指标；本发明中食品预冷性能的评估指标传热能力损失通过CFD数值模拟的方式获取全场分布云图，数值模拟相对于实验测量的方法具有成本低、速度快、使用便捷的优点，并且获取的全场分布云图具有结果直观、形象的优点；本发明中以降低传热能力损失为单一优化目标，优化过程简便、直接，对实际生产应用有重要指导意义。

附图说明

图1为本发明的食品预冷性能评估和优化方法的流程图；

图2为根据本发明的食品预冷性能评估和优化方法得到的传热能力损失全场分布云图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

本实施例通过数值模拟对苹果进行预冷性能评估和优化的方法，如图1所示，包括以下步骤：

1)根据苹果码放在预冷筐中并将预冷筐以行列均匀堆放在冷库中的设计，对冷库、风机、预冷筐以及在其中的苹果进行三维建模，利用GAMBIT软件，将冷库库体和风机均简化成长方体，将预冷筐及其中的苹果作为整体简化成表面开孔的长方体，得到几何模型，导出几何模型的IGES文件；

2)将几何模型的IGES文件导入ICEM CFD软件，对几何模型进行检查，并利用几何修补工具进行修复，将冷库库体以内、预冷筐以外的区域作为自由流动域，将每个预冷筐以内的区域分别作为单独的多孔介质域，对这些计算域构建体，采用非结构化体网格，设置各部分计算域和各部分计算域边界面的最大网格尺寸为0.01、边界层数为20、增长率为1.5，经过自动网格计算、光滑，在这些计算域中生成最低质量大于0.4、数量为10000000的网格，导出网格的MESH文件；

3)将网格的MESH文件导入FLUENT软件，对网格文件进行网格检查，选择压力基求解器，选择SST k-ω湍流模型和能量模型，自由流动域的流体材料为空气，采用软件自带的空气物性参数，设定多孔介质域的孔隙率为0.6、粘性阻力系数为10000m^-2和惯性阻力系数为5000m^-1，流体为空气，采用软件自带的空气物性参数，固体为苹果，设定密度为898kg/m³、比热容为3829J/kg·K、导热率为0.40W/m·K，采用局部热平衡传热方式，其他模型参数使用数值模拟软件的默认值，根据公式计算单位质量苹果的呼吸作用产热率作为热源模型参数：

其中，T_m为苹果内部的温度，设定风机出口为速度5m/s的速度入口边界，风机回风口为出流边界，预冷筐边界面、风机壳体和冷库库体为固壁边界，厚度分别为0.005m、0.01m和0.1m，冷库库体的传热系数为0.01W/m²·K，其他边界条件的参数使用软件的默认值，压力和速度耦合采用SIMPLE格式，方程离散采用二阶迎风格式，其他求解器参数使用软件的默认值；

4)对网格文件开始进行计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值模拟，CFD数值模拟的时间依赖性选择稳态，仅求解质量和动量方程，对于CFD数值模拟中的迭代过程设定最大迭代次数为3000，开始求解，监测CFD数值模拟过程中自动生成的残差曲线，达到最大迭代次数，结束求解，计算得到质量方程和动量方程的求解结果：速度场；

5)利用步骤4)得到的速度场，CFD数值模拟的时间依赖性选择瞬态，仅求解能量方程，设定自由流动域的初始温度为2.5℃、多孔介质域的初始温度为21℃、时间步数为400、时间步长为3分钟、每步最大迭代次数为20、数据导出的时间间隔为15分钟，开始求解，监测残差曲线，每个时间步达到最大迭代次数或计算收敛时，求解下一个时间步，直至所有时间步求解完成，结束求解，计算得到单位体积苹果的传热能力损失率为：

其中，λ_e为有效导热率，T为食品内部的温度，为正交坐标系下三个方向的导数，按时间间隔Δt依次导出各个单位体积食品的传热能力损失率；

6)将多孔介质域中的各处温度均达到2.5℃时的时间作为预冷总耗时，按下式计算预冷全过程中单位体积苹果的传热能力损失Φ_V为：

其中，为步骤4)中导出的第n个单位体积食品的传热能力损失率，τ为预冷总耗时，Δt为数据导出的时间间隔，n＝1,……,τ/Δt；

7)根据计算得到的在冷库内部沿X-Z方向预冷筐中心截面的平面上单位体积苹果的传热能力损失全场分布云图，如图2所示，评估苹果冷库预冷性能，比较不同位置单位体积苹果的传热能力损失，从靠近风机到远离风机的5堆预冷筐，较高的传热能力损失分别出现在其左侧、右侧、左侧、右侧和左侧，因而这些位置的传热速率低，降温慢，温度较其他位置高，进而增加预冷过程能耗；

8)以降低这些位置的传热能力损失为目标，在这些位置附近增加空气扰流装置，提高这些位置附近的流速，从而改善苹果冷库预冷性能。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。