计算流体力学在食品传热传质过程中的应用

第20卷第5期2004年10月FOOD &MACHI NEY 食品与机械V ol . 20N o . 5October 2004

计算流体力学在食品传热传质过程中的应用

Application of computational fluid dynamics technology

on heat and ma ss transfer in food proce ssing

谢　晶1施骏业1

XIE Jing

1

瞿晓华1

　

QU Xiao 2hua

1

励建荣2

　

LI Jian 2rong 2

　

SHI Jun 2ye

1

(1. 上海水产大学食品学院, 上海　200090; 2. 浙江工商大学食品学院食品工程系, 杭州　310035)

(1. College o f Food Science , Shanghai Fisheries Univer sity , Shanghai 200090, China ;

2. Hangzhou Univer sity o f Commerce , Hangzhou , Zhejiang 310035, China )

摘要:对计算流体力学(CFD ) 技术进行了简单介绍, 并对采用

CFD 技术模拟食品加工过程中的传热传质过程的研究现状

算机技术的发展而迅速崛起的学科。CFD 最早应用于汽车、航空、航天及核工业中, 随着计算机硬件的发展以及各种

CFD 通用软件包的陆续出现并商品化,CFD 技术为工业界广

进行了综述, 探讨了采用CFD 对这些传热传质过程进行数值模拟的优势。CFD 模拟的结果详细、直观, 模拟得到的流体流动和各种热力学参数的分布信息, 可以为装置的设计、传热过程的优化提供参考。

关键词:计算流体力学(CFD ) ; 模拟; 食品加工; 传热传质

Abstract :The application of com putational fluid dynamics (CFD ) technology on heat and mass trans fer in food processing was reviewed. The advantages of using CFD technology were discussed. The results of simulation were particu 2lar and direct. The simulation could gain the distribution of various therm ody 2namics parameters and the fluid flow , s o the design of equipment and process could be optimized.

K eyw ords :C om putational fluid dynamics (CFD ) ; M odeling simulation ; F ood processing ; Heat and mass trans fer

泛接受, 自身性能也日趋完善, 应用范围正不断扩大。

表1　CFD 技术在各领域内的应用[1]

学科

具体应用领域

航空航天、建筑业、汽车业、生物学、化工、燃烧

学、电子工业、玻璃制造业、空调业、石油、能源、船舶、动力、冶金、核能、水利、机车设计、涡轮机械设计等。

大气污染、水污染、气候预测、建筑物火灾、洋流、室内空间安全等

血管内流动(心脏或重要器官) 、肺内流动和呼吸过程等。

工业工程

环境工程医学工程

　　CFD 技术在食品工业中应用的历史并不长。许多食品加工过程依靠流体的流动(传热和传质) 来完成, 如冷冻冷却、干燥、搅拌、杀菌等过程。采用CFD 技术模拟食品加工过程, 能使食品工程师对加工过程有更详细、更深入的了解; 根据模拟结果, 生产设备设计师能改善设计方案, 提高设备性能; 工艺流程设计师则能通过优化操作流程, 生产出安全优质的食品并提高生产效率。在实际应用中, 通过CFD 模拟, 有很多设备如烘烤箱、热交换器、冷藏陈列柜、干燥箱等的设计和操作已经得到了优化。

1. 1　CFD 技术的优点

冷冻干燥技术、超高压杀菌技术、膜分离技术、超临界萃取技术、辐射技术和微波技术等一大批食品高新技术已经在食品工业中不断应用, 通过这些新技术能够不断开发出新食品材料, 亦即开发工程化食品, 这是食品工业的一个重要发展方向。在食品加工中, 包括上述新技术的应用许多都涉及到传热传质问题, 计算流体力学(C omputational Fluid Dynam 2

ics , 以下简称为CFD ) 的出现, 为解决这类问题提供了一个良

好的数值分析和优化设计的工具。

1　CFD 技术的应用现状

CFD 是用于求解流体流动、传热和传质问题的一种数值

在食品工业中, 采用CFD 技术与实验相结合的研究方法是发展的趋势。与传统的纯实验的研究方法相比, 采用CFD 技术可以使实验规模缩小、花费的时间和经费减少, 并能在极短的时间内得到精度高的模拟结果。为缩短产品的开发周期和降低研发成本创造了条件。

具体而言,CFD 技术的优点大致归纳如下:

计算技术, 它是流体力学的一个分支, 是20世纪60年代随计

基金项目:上海市教委发展基金项目(编号:01H05)

作者简介:谢　晶(1968-) , 女, 上海水产大学食品学院副教授, 博

士。E 2mail :jxie@shfu. edu. cn

收稿日期:2004-07-26

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第20卷第5期

谢　晶等:计算流体力学在食品传热传质过程中的应用　

(1) 可以更细致地分析、研究流体的流动、物质和能量

2　CFD 技术模拟食品加工中传热传质过程

的传递等过程, 这些能使工程师对某个特定的生产过程或系统中所发生的情况有更详细的了解;

(2) 可以容易地改变实验条件、参数, 以获取大量在传

的研究现状

在食品工业中, 很多食品加工方法都包括传热传质过程, 比如:干燥、杀菌、烘焙、搅拌、冷冻冷藏等。采用CFD 技术对这些传热传质过程进行数值模拟, 模拟结果详细、直观, 模拟得到的加工过程中的流体流动和各种热力学参数的分布信息, 可以为装置的设计、加工过程的优化提供参考。

2. 1　干燥过程

统实验中很难得到的信息资料;

(3) 不再需要考虑采用缩小比例的物理模型所带来的

误差问题,CFD 模型是严格按照基本物理规律建立的, 模型的尺寸也于实际尺寸相一致;

(4) 可以方便获得一些特殊场合的详细数据, 例如那些

无法实现具体测量的高温或危险环境(如烘烤箱内) ;

(5) 整个实验研究、设计的周期可大大缩短;

(6) 根据模拟数据, 可以全方位的控制过程和优化设

利用干燥技术加工而成的食品称为干燥食品, 它不需冷藏, 更易保存, 还有重量轻、食用方便等优点。

实际中, 要维持干燥的正常进行必须供给热量和排除水蒸气。而供给热量的过程是一个传热过程, 排除水蒸气的过程则是一个传质过程, 干燥过程实质上是一个传热、传质同时进行的复杂过程。食品干燥的主要指标是干燥速率, 它直接受到气流形式及流速的影响。在实验测量中有限的传感器不能反应各个方向复杂的流体流动, 尤其对于气体的湍流流动很难进行实际测量, 但采用CFD 技术完全可以模拟出干燥装置内的气流形式及其流场的详细情况。

Msthioulakis 等[3]采用CFD 技术研究了间歇式托盘热风

计。

1. 2　CFD 研究的基本步骤

采用CFD 技术研究某一问题时, 研究人员首先需要结合专业知识, 把具体问题用数学语言表达出来; 然后采用CFD 软件对问题进行求解、分析; 最后是利用一些作图软件进行速度场、温度场、压力场或其它参数的计算机可视化及动画处理。因此, 一般将它分为三个过程:①前处理, 在数值求解前的所有步骤被统称为前处理, 它主要包括分析问题、网格生成和建立数学模型; ②解算处理, 就是利用计算机去求解流体流动过程的一系列数学方程, 在解决较复杂的问题时每一步都需要求解数以千计的方程, 可能会花费较多的时间, 在这个过程中, 要注意观察结果是否收敛, 一旦不能收敛就需要调整参数, 重新开始计算, 直到得到收敛的结果; ③后处理, 包括了流体的速度场、温度场、压力场及其它参数的计算机可视化处理及动画处理。CFD 软件的流动显示模块都具有二维和三维显示功能来展现各种流动特性, 有的还能以动画功能演示非定常过程。

整个过程是一项复杂的工作, 网格的形状、结构和所采用的基本算法、离散格式和湍流模型等都会对精度有影响。因此在利用CFD 软件处理问题时, 采用什么样的网格形式、坐标形式、网格密度及湍流模型都是需要研究者慎重考虑的。应在能保证模拟准确度、精确度的前提下, 尽可能地选用简单的方法、模型。这样不仅可以简化问题, 而且可以节约计算机资源, 减少计算时间。

1. 3　CFD 通用软件

CFD 通用软件是CFD 技术的核心部分, 过去由于CFD 软

干燥器内的空气流动情况, 从CFD 模拟所得的压力场和速度场还可以看出, 导致干燥程度不一样的主要原因是干燥器内各个空间位置上的空气流速不均匀, 这与干燥器内不同位置上的蔬菜干燥的程度不同的实验结果一致。S traatsma 等[4]采用湍流模型建立了干燥过程数学模型, 利用它计算出了气流的流场, 并在模拟中通过调整参数得到了更好的产品质量, 优化了干燥装置的性能。

在食品工业中, 奶粉或咖啡常常采用喷雾干燥来加工, 但是由于喷雾干燥装置中存在复杂的空气和雾状颗粒的运动, 喷雾干燥装置的设计比较困难。K ieviet 等[5]模拟并测量了喷雾干燥装置中的空气流场;Langrish 和Zbicinski [6]模拟并分析了在喷雾干燥装置中, 空气入口几何尺寸和喷嘴角度对壁面沉积率的影响; 吴中华和刘相东[7]应用气—粒两相流理论和CFD 技术, 建立了模拟喷雾干燥室内气体—颗粒两相湍流流动的CFD 模型, 求解得到了喷雾干燥室内气流的温度、湿度分布图, 气体流线图和颗粒相的运动轨迹图。上述研究表明CFD 技术可用于对喷雾干燥过程的模拟。

纵观国内外的研究发现, 利用CFD 技术能更好地控制干燥过程; 降低干燥系统的能耗; 提高干燥食品的质量; 优化干燥系统的性能。

2. 2　杀菌过程

件属于西方国家对中国的禁运商品之列, 所以CFD 通用软件在我国的引进推广比较晚, 直到近几年才开始进入中国。人们接触较多的是PH OE NICS 的早期版本; 著名软件“CFX ”于

1995年在我国设立代理, 是进入较早的一个CFD 通用软件;

食品加工的目的之一是提高食品的安全性。现在出现了很多种新型的杀菌技术, 但加热灭菌仍是最主要的杀菌方法。在加热灭菌过程中, 加热温度、加热时间是很难控制的参数, 一旦加热过度, 将影响食品的风味和质量。将CFD 技术应用到杀菌过程中, 可以模拟分析整个杀菌过程中食品的温度分布和流动状态, 甚至可以模拟出食品中细菌的含量和分布情况, 进而对杀菌过程进行有效的控制, 达到提高食品质量的目的。

自1997年起,PH OE NICS 以其较低廉的价格、较高的性价比发展了不少国内用户;1998年, 全球市场占有率最高的CFD 软件—F LUE NT 在北京设立代理公司, 正式进入中国市场[2];

ST AR —C D 、NUMEC A 等著名软件也先后在中国设立代理, 发

展用户。CFD 通用软件中大多数都能在一般高性能计算机的UNIX 、LI NUX 、WI NDOWS 操作系统上运行, 这为这些软件的推广使用打下了良好的基础。

50

专论与综述

加热灭菌中, 热量的供给是一个传热过程, 流体的流动是一个传质过程,Datta 和T eixeira 、Akterian 和Fikiin 、Abdul 等[8～10]许多人都曾对食品的加热灭菌过程进行过研究, 为优化过程控制和保持食品营养和风味打下了理论基础;Abdul

-G hani 等[10]人采用CFD 技术对罐装流质食品中的温度分

　2004年第5期

现,CFD 技术能优化传质过程, 减少能量消耗并缩短搅拌时间。

2. 5　冷冻冷藏过程

冷冻、冷藏使食品中微生物的生长和生化反应得到了抑制, 可以更好地保证食品的质量和安全, 并延长食品的贮藏时间和货架期。冷藏链的提出与发展, 使得食品冷冻、冷藏过程的研究拓展到了整个冷藏链的各个环节, 食品冷冻冷藏方面的CFD 研究近年来非常活跃。

国内外许多研究人员都采用CFD 技术研究了冷却和冻结过程中的传热和传质过程。Mallikarjunan 和Mittal [17]模拟了肉制品的冻结过程;Da 2Wen 2Sun 等[18]采用CFX 4软件模拟了熟火腿的真空冷却过程, 在模型中考虑了水蒸气的扩散、各向异性、热收缩、水的扩散、表面辐射、压力修正等因素, 并比较了每种因素对模拟结果的影响; Z ehua 2Hu 和Da 2Wen 2

Sun [19]对熟火腿在空气冷却过程中的传热传质进行了CFD

布和活菌含量进行了预测, 求解时采用了有限容积法;Jung 和Fryer [11]利用CFD 对杀菌过程进行了非稳态模拟, 研究结果表明:CFD软件可以有效模拟流质食品的杀菌过程。但加热灭菌方面的CFD 研究主要集中在罐装食品。只是在近两年, 才涉及到袋装流质食品, 如Abdul -G hani 等[10]人对袋装胡萝卜汤在杀菌过程中的温度、流速和最慢传热带作了模拟研究。

国外采用CFD 在杀菌方面的应用研究也只局限于流质性食品的加热灭菌, 相关的文献不多, 而目前国内在这方面的研究基本空白。此外, 当今世界食品领域还有很多杀菌新技术:包括微波杀菌、高压杀菌、高压脉冲电场杀菌、脉冲强光杀菌、辐射杀菌、臭氧杀菌、远红外照射杀菌等,CFD 技术应该也可以模拟这些杀菌过程。

2. 3　烘焙过程

模拟, 从而达到预测冷却速率及干耗情况的目的, 模拟的结果显示熟火腿从74. 4℃降温到4℃将近530min , 实测干耗约为4. 25%, 模拟得到干耗为4. 07～4. 22, 表明模拟数据与实验数据有很好的一致性;M oureh 和Derens [20]模拟研究了在冷链配送过程中采用托盘包装的冻结食品的升温状况, 实验数据与模拟数据的差别在10%以内, 研究表明了在冷链配送过程中严格控制温度是保证食品质量的必要措施。虽然通过模拟已经能得到比较完备的空气流场和温度分布信息, 但对于相变过程(如凝固过程和气化过程) 的模拟还有待进一步研究。

此外, 在制冷设备制造前, 建立冷却设备数学模型, 调整模型的相关参数(如:进风管的设置、温度、流速, 风机的位置, 出风管的布置等) 进行模拟计算, 在模拟的基础上对冷却装置进行优化设计也是非常必要的。

在这方面, 国内外的研究人员都做了大量工作,C ortella 等[21]对敞开式冷藏陈列柜用CFD 进行了研究, 并对陈列柜内的空气流场和温度分布情况作了数值分析;F oster 和Quari 2

ni [22]以超市内的零售冷藏陈列柜为研究对象, 利用CFD 技术

在世界绝大多数国家中, 无论是人们的主食, 还是副食品, 烘焙食品都占有十分重要的位置。

烘焙加工过程也是一个传热传质同时进行的过程,

Pieter 2verbovenhe 和Nico 2Scheerlinck 等[13]采用CFD 模型模拟

了空气强制对流烤炉中的温度场, 模型由连续性方程、动量方程、能量方程和用来模拟湍流流动的标准k -ε模型组成, 在模型中还考虑了密度的影响, 实测的炉内平均温度与模拟平均温度的差别只有4. 6℃, 实测与模拟基本吻合。Pieter 2

verbovenhe 等[14]还对空气强制对流烤炉中的气流流场进行了CFD 模拟, 在模型中引入了风机模型和湍流模型, 并进行了

实验验证, 通过分析发现风压、风机漩流和烤炉几何尺寸是最重要的参数, 但由于湍流模型的局限性和网格划分的问题, 模拟与实测有22%的平均误差。

烘烤加工过程中最重要的控制参数就是温度, 研究表明适当的CFD 模型能准确地模拟烤炉内的温度场, 对提高产品品质有指导意义, 但现有的CFD 模型在模拟气流流场方面还存在较大误差, 而气流流场的均匀性对温度场的均匀有很大影响, 因此还需要进一步改善模型, 使其能准确地反应气流流动的分布信息。

2. 4　搅拌过程

研究如何减少陈列柜冷量的外漏, 降低了冷藏陈列柜的能耗; 天津大学孙英英[23]的硕士论文研究了影响电冰箱温度分布和能耗的因素, 并指出了房间温度和冰箱门的开启次数是两个作用较大的因素; 西安交大的凌长明[24]等针对冰箱从启动到周期性运行这一复杂的非稳态自然对流进行了二维数值研究, 得出蒸发器表面局部努谢特数与平均努谢特数随时间作周期性变化的规律。

利用CFD 技术, 可以改善冷却装置内的气流组织、温度控制、湿度控制并降低能耗, 对优化制冷装置的设计有重要的指导意义。

搅拌是食品工业中常用的加工工序。搅拌包括了气相、液相和固相混合的传质过程, 复杂的多相湍流问题为搅拌器和搅拌流程的设计带来了困难。

在实际中, 一般通过改变叶片或翼轮的形状来提高搅拌效率,Quarini [15]通过CFD 模拟发现叶轮所处的空间位置也是一个重要的影响因素。Sahu

[16]

3　小结

CFD 模拟结果可以提供食品加工中传热传质过程的各

等模拟了容器内的搅拌过程,

设计了合适的叶轮和容器几何尺寸, 得到了能量平衡与流场的关系, 尽管没有进行实验, 但通过比较已发表的实验数据, 模拟结果与实测结果只有5%～10%的差异。CFD 模拟解决了叶轮型式、搅拌时间和容器的尺寸等技术问题。研究发

种热力学参数与流体流动的详细信息, 为优化设计加工设备和操作工艺流程提供了依据。通过优化, 食品生产企业能提高产品质量、降低设备能耗、提高生产效率和降低生产成本。随着计算机性能的不断提高和CFD 通用软件价格的逐步降

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第20卷第5期

谢　晶等:计算流体力学在食品传热传质过程中的应用　

低, 未来CFD 技术将为更多的食品工程技术人员所掌握, 并在食品加工领域得到更广泛的应用。

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