计算流体力学在食品传热传质过程中的应用.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 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。E2mail :jxie 收稿日期:2004 - 07 - 26 第20卷第5期 2 0 0 4年1 0月 FOOD 2.浙江工商大学食品学院食品工程系,杭州 310035) (1. College of Food Science , Shanghai Fisheries University , Shanghai200090, China; 2. Hangzhou University of Commerce , Hangzhou , Zhejiang310035, 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 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 computational fluid dynamics(CFD) technology on heat and mass transfer in food processing was reviewed. The advantages of using CFD technology were discussed. The results of simulation were particu2 lar and direct. The simulation could gain the distribution of various thermody2 namics parameters and the fluid flow, so the design of equipment and process could be optimized. Keywords :Computational fluid dynamics (CFD) ; Modeling simulation; Food processing; Heat and mass transfer 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(Computational Fluid Dynam2 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 计算技术,它是流体力学的一个分支,是20世纪60年代随计 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 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 工业工程 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。 环境工程 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 医学工程 血管内流动(心脏或重要器官)、 肺内流动和呼吸 过程等。 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 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: 94 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. (1)可以更细致地分析、 研究流体的流动、 物质和能量 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 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 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: 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; 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; 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 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PHOENICS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; 自1997年起,PHOENICS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 FLUENT在北京设立代理公司,正式进入中国市场2; STARCD、NUMECA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、LINUX、WINDOWS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。 2 CFD技术模拟食品加工中传热传质过程 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 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 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。Straatsma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Zbicinski6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 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。 05 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 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 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Teixeira、Akterian和Fikiin、Abdul 等810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 - Ghani等10人采用CFD技术对罐装流质食品中的温度分 布和活菌含量进行了预测,求解时采用了有限容积法;Jung 和Fryer11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 - Ghani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 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, Pieter2verbovenhe和Nico2Scheerlinck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 -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。Pieter2 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 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,Quarini15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。Sahu16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 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Mittal17模拟 了肉制品的冻结过程;Da2Wen2Sun等18采用CFX4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; Zehua2Hu和Da2Wen2 Sun19对熟火腿在空气冷却过程中的传热传质进行了CFD 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530 min ,实测干耗 约为4.25 % ,模拟得到干耗为4. 074. 22 ,表明模拟数据与 实验数据有很好的一致性;Moureh和Derens20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,Cortella 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;Foster和Quari2 ni22以超市内的零售冷藏陈列柜为研究对象,利用CFD技术 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。 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 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 15 专论与综述 2004年第5期 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 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。 参考文献 1 Bin Xia ,Da - Wen Sun. Applications of computational fluid dynamics (CFD) in the food industry: a review J . Computers and Electronics in Agriculture ,2002(34) :524. 2 姚征,陈康民. CFD通用软件综述J .上海理工大学学报, 2002 ,24(2) :137144. 3 Mathioulakis E,Karathanos V T,Belessiotis. Simulation of air movement in a dryer by computational fluid dynamics: application for the drying of fruits J . Journal of Food Engineering ,1998 ,36(2) :183200. 4 Straatsma J ,Houwelingen. Spray drying of food products:1. Simulation model J . Journal of Food Engineering ,1999 ,42(2) :6772. 5 K ieviet F G,Van. Measurement and modeling of the air flow pattern in a pilot - plant spray dryer J . Chemical Engineering Research and De2 sign ,1997 ,75(A3) :321328. 6 Langrish T A G,Zbicinski I. Effect of air inlet geometry and spray cone angle on the wall deposition rate in spray dryers J . 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