（农产品加工及贮藏工程专业论文）基于温控的啤酒发酵罐内流体动力学模拟.pdf

摘要 本实验使用计算流体动力学( c f d ) 商业软件对啤酒发酵后期冷却阶段的动量与热量传递进 行了模拟。模拟的结果表明在对发酵罐采用外部液氨夹套冷却的方法中，发酵液在罐内垂直方向 上有明显的温度分层现象产生，而在发酵罐径向并未产生温度梯度；发酵液在罐内也未产生大规 模的对流运动，而是在垂直方向上产生了多层小范围对流。对发酵液的流速进行轴向与径向分析， 可知，发酵液轴向速度大于径向速度。在不同的冷却阶段，锥部始终都有对流运动，也最为剧烈。 对模拟结果分析得到，冷却的各阶段，锥形部分的换热量很大。这表明发酵罐冷却过程中冷却夹 套的面积与所冷却的发酵液的体积之比越大，对流现象越容易产生，冷却速度也越快。加大第一 冷却阶段发酵罐上部的冷却介质流量，加快轴向对流速度及范围，有利于消除温度分层严重的现 象。以上结果说明了解啤酒发酵罐内在冷却过程中温度分布情况，以及发酵液的对流速度和方向 等流体动量和能量分布，可以为啤酒发酵冷却过程建立更好的温度控制基础。c f d 方法可较好的 模拟发酵后期的冷却过程，而且是了解罐内流体动量和热量分布的最经济、有效的方法。 关键词：啤酒发酵罐，冷却，c f d ，模拟温度分布 a b s t r a c t 1 1 l i se x p e r i m e n tu s et h ec o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s 化f d ) s o f t w a r et os i m u l a t et h ee n e r g ya n d m o m e n t u mt r a n s f e ri nt h ec o o l i n gt i m ed u r i n gt h el a t eb e e rf e r m e n t a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t et h a t u s i n gf l u i da m m o n i ac o o l i n g j a c k e tf o rf e r m e n t o r , d e l a m i n a t i o no f t e m p e r a t u r ei so b v i o u si nt h eu p r i g h t d i r e c t i o no f f c r m e m o r t h e r ei sn ot e m p e r a t u r eg r a d si nr a d i a ld i r e c t i o n ，o rc o s m i c a l l yc o n v e c t i o ni n t h e w h o l ef e r m e n t o r i n s t e a do ft h i s t h e r ea r em a n ys m a l lc o n v e c t i o n si nd i f f e r e n td e l a m i n a t i o n a a n a l y z e t h ea x i a la n dr a d i a lv e l o c i t yo ff l o w , w ec a l lg e tt h er e s u l tt h a ta x i a lv e l o c i t yi sl a r g e rt h a nt h er a d i a l v e l o c i t y d u r i n gt h ed i f f e r e n tp h a s e s ，t h ec o n i c a ls e c t i o na l w a y sh a v ea c u t ec o n v e c t i o n a n a l y z et h e r e s u l t ，w ek n o wt h a td u r i n gt h ec o o l i n gp h a s e s ，h e a te x c h a g e m e n ti nc o n i c a ls e c t i o ni st h eb i g g e s t t h i s i n d i c a t e dt h a tt h er a t i oo ft h ec o o l i n gj a c k e ta r e at ot h ev o l u m eo ft h ec o o l e dz y m o l y t i cl i q u i dw a s l a r g e r , t h ec o o l i n gv e l o c i t yw a sf a s t e r , a n dt h ep h e n o m e n ao f c o n v e c f i o na p p e a r e de a s i e r i tw i l lb ee a s y t or e f i e ft h ep h e n o m e n o no ft c m a p c r a t u r ed e l a m i n a t i o ni fw ei n c r e a s et h ec o o l i n gm e d i u mf l u xo ft h e u p p e ro ff e r m e n t o rd u r i n gt h ef i r s tp h a s e ，a n da c c e l e r a t et h ec o n v e c t i o n a l lt h e s er e s u l t si n d i c a t et h a t f o u n d i n go u tt h ef l u i de n e r g ya n dm o m e n t u md i s t r i b u t i o ns u c ha st e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t yi nb e e r f e r m e n t e r , w ec a l lg e tab e t t e rt e m p e r a t u r ec o n t r o lb a s e m e n tf o rb e e rc o o l i n g c f dc a r ls i m u l a t ec o o l i n g p h a s eo fl a t ef e r m e n t a t i o np r e f e m b l l y , a n di ti st h em o s te c o n o m i c a la n de f f e c t i v ew a yt os t u d ye n e r g y a n dm o m e n t i l md i s t r i b u t i o ni nb e e rf e r m e n t o r k e yw o r d s ：b e e rf e r m e n t o r ，c o o l i n g ，c f d ，s i m u l a t i o n ，t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t e i l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：王而萍 时间：砷。g 年6 月d 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：王衲薛 时间：7 6 年占月。日 时间： 年名月廖日 尸汐p 斤 矧 名 签 师导 1 1 问题的提出及意义 1 1 1 啤酒简介 第一章绪论 啤酒在我国有2 0 0 多年的生产历史，它已经成为人们日常生活中不可缺少的休闲食品之一。 对于热爱它的人而言，啤酒有以下特点：一，啤酒具有丰富的营养性，它充分平衡地含有碳水化 合物、蛋白质、维生素、矿物质等多种营养成分。二，啤酒具有感觉和嗜好性等功能，它的气味 基本特性有香气、苦味、二氧化碳的刺激味和泡沫的清爽感等，使人产生愉悦的感觉。三，啤酒 具有生理活性和生理调节功能。以啤酒为主的含酒精饮料的适度饮用，不仅可以缓解精神紧张， 消除应激状态，而且由于有促进胃液分泌的作用，可促进食欲。同时，饮啤酒有利尿作用，对肾 脏病和尿结石具有防治效果。而且，啤酒中钠盐含量低，可作为低盐食品利用。由此可见，啤酒 与人类生活的关系由来己久，是公认安全性很高的天然食品，随着对其功能性的深入了解，今后 必将越来越受到世人的青睐而不断发展( 陈曾三，2 0 0 1 ) 。 1 1 2 啤酒典型生产工艺简介 啤酒以大麦芽、啤酒花为主要原料，经啤酒酵母发酵而制成。由于后发酵在低温下于密封容 器中进行，发酵生成的二氧化碳保留在啤酒中。生产过程可分为3 个阶段( 管敦仪1 9 9 8 ) ：l ， 制芽。精选的优质大麦，经过浸泡，吸足水分，送入发芽室发芽，生成各种酶并使胚乳溶解，待 芽长到所需长度，即用低温干燥除去幼根，保存在麦芽仓备用。2 ，制麦芽汁。麦芽经粉碎机粉 碎后进行糖化，使麦芽和辅料中的物质降解并溶解于溶液。糖化方法依生产的啤酒种类不同而异 可分为用于制造上面啤酒的浸出法和用于制造下面啤酒的煮出法。糖化完毕后送入澄清槽或用板 框压滤机分离麦芽汁，然后放入煮沸锅中加啤酒花煮沸。啤酒花所含的挥发油、苦味素、树脂和 单宁使啤酒别具风味。3 ，发酵。麦芽汁经冷却除去凝固物后送入发酵室，加入啤酒酵母接种。 用上面酵母的发酵温度1 0 - - - 2 5 ，需时5 7 天。发酵时产生的c 0 2 和泡沫使酵母浮於液面。用下 面酵母的发酵温度5 l o ，需时8 1 4 天。发酵终时酵母沉于液底。发酵结束后经澄清、过滤， 即成生啤酒；再经巴氏灭菌杨而制成熟啤酒。啤酒生产程图1 如下： 1 1 3 啤酒发酵工艺及设备的发展 啤酒生产工艺以及设备的应用，自啤酒发明开始就在不断的改进中。二十世纪六十和七十年 代全球性的工业技术革命促进了啤酒工业新技术的发展( 李颖完，1 9 9 1 ) 。近年来，为了适应啤 酒工业的发展，啤酒的发酵工艺有很大的革新，陆续出现了快速发酵、连续发酵、单罐发酵、高 浓度麦汁发酵等新工艺。如今，啤酒发酵工艺已经接近成熟，围绕着提高质量，降低成本的目标。 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 图i 啤酒生产工艺流程 f i g 1b e e rp r o d u c et e c h n i c sf l o w 人们更注重生产工艺的改进，缩短生产周期以及生产过程自动化控制等方面。对于发酵工艺流程 中各个关键环节的发展与改进，成为提高啤酒质量的重要手段。发酵设备的改进，作为提高啤酒 发酵质量的重要手段，已经在几十年前就引起了各国发酵专家的重视。啤酒发酵设备也从小规模 及室内向大型、室外、联合的方向发展，出现了圆筒体锥底发酵罐、塔式发酵罐、联合罐等 类型的发酵罐。如采用问歇发酵工艺，目前世界各大型的啤酒厂均采用锥形罐或联合罐。传统的 啤酒发酵采用的发酵池或发酵室。主发酵池大多为方形( 个别也有立式圆筒形) ，发酵池容积为 1 0 1 0 0 m 3 ( 相当于一次冷却麦汁容器的1 2 倍) ，池高1 5 - 3 m ，池充满系数为8 0 。国内大多为 高2 2 2 4 m 形敞口槽，国外现有敞口槽大多装有可移动的有机玻璃拱形盖。最古老的发酵池为木 制的，国内大多数为混凝土浇铸，碳钢、不锈钢、铝，极个别有搪瓷材料制成。钢筋混凝土及碳 钢制作必须有内壁涂料。传统发酵池喜欢用沥青石蜡涂料。沥青石蜡涂料表面带有强正电荷，能 吸引带负电荷c 0 2 气泡沿壁排出，也有利于吸附带负荷的蛋白质、酵母的沉降。但沥青涂料每年 需修补，并因毒性问题，现很少采用。七五期间，我国研制的涂料，无毒性，使用寿命长( 顾国 贤1 9 9 6 ) 。 但是，随着发酵工艺的改进，发酵池和发酵室己不能满足发酵生产的要求，因此越来越多的 啤酒生产厂家采用比较先进的露天锥形发酵罐，并且趋于大型化，罐容可达4 0 0 6 0 0 m 3 。这种发 酵设各的优点在于能缩短发酵时间，而且具有生产上的灵活性，故能适合于生产各种类型的啤酒 的要求。采用锥形发酵可减少啤酒及苦味物质的损失，与直角式发酵池相比较，大麦汁的酒花添 加率可减少约1 6 ，而且泡沫的稳定性有所改善( 戴仁泽，1 9 8 5 ) 。但是在实际生产中，由于罐体过 大，操作控制难度也加大，特别是冷却过程的温度控制尤其难以掌握。 温度对发酵过程的影响是多方面的，因此它是发酵的重要控制环节。它会影响各种酶反应的 速率，改变菌体代谢产物的合成方向，影响微生物的代谢调控机制。除这些直接影响外，温度还 对发酵液的理化性质产生影响，如发酵液的粘度、基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率、某 些基质的分解和吸收速率等进而影响发酵的动力学特性和产物的生物合成。最适发酵温度是既 适合苗体的生长又适合代谢产物合成的温度，它随菌种、培养基成分、培养条件和菌体生长阶 2 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 段不同而改变。理论上，整个发酵过程中不应只选一个培养温度，而应根据发酵的不同阶段，选 择不同的培养温度。在生长阶段，应选择最适生长温度，在产物分泌阶段，应选择最适生产温度。 但实际生产中，由于发酵液的体积很大，升降温度都比较困难，所以在整个发酵过程中，往往采 用一个比较适合的培养温度，使得到的产物产量最高，或者在可能的条件下进行适当的调接。发 酵温度一般通过温度计或自动记录仪表进行检测，通过向发酵罐的夹套或蛇形管中通入冷水、热 水或蒸汽进行调节。工业生产上，所用的大发酵罐在发酵过程中一般不需要加热，因发酵中释放 了大量的发酵热，在这种情况下通常还需要加以冷却，利用自动控制或手动调整的阀门，将冷却 介质通入夹套或蛇形管中，通过热交换来降温，保持恒温发酵。 可见，啤酒酵母的发酵作用是在一定温度下进行的，发酵温度过高或过低都会对发酵过程和 啤酒质量产生影响。温度控制、调节是否合理，不仅关系到发酵能否顺利进行，而且关系到酵母 本身的性能及产品最终质量。发酵过程温度的变化，除了会使酵母过早沉降、衰老、死亡与自溶， 造成发酵异常，还直接影响到酵母代谢的副产物组成，从而影响到啤酒的酒体与风味，影响到啤 酒的胶体稳定性。所以，发酵过程温度的调节与控制历来受到酿酒工作者的重视( 王志坚，2 0 0 2 ) 。 目前，许多学者对如何控制啤酒发酵后期冷却过程酒液的温度作山了大量的研究，致力于啤 酒生产工艺的改进及啤酒发酵设各的更新的学者。在这两方面都做出了大量的贡献。啤酒的生产 工艺也从最初大量生产时的几罐法发酵，发展到采用大型锥形发酵罐的一罐法发酵方式。 1 2 文献综述 1 2 1 冷却控制策略 啤酒发酵过程温度控制的重要性众所周知，要提高啤酒质量就必须保证啤酒发酵冷却过程 中温度控制得当。但是，冷却阶段温度的控制是啤酒发酵的难点。国内外许多人对此进行了多方 面的研究。在自动控制领域，有学者根据各种控制原理，对啤酒发酵过程的温度控制提出了多种 不同控制方法。董晓津等( 2 0 0 4 ) 提出，根据发酵过程的特点，发酵罐设置有上、中、下三段冷 却夹套和温度检测点。温度的控制是通过控制各段冷却夹套阀门的开关来完成的。由于啤酒发酵 罐内热对流的存在，并且上面冷却夹套阀门的打开也会影响下部的温度，因此，这是一个各输出 输入之间有耦合关系的三输入三输出系统。虽然给定的系统温度变化对系统能量增量的传递函数 呈线性关系，但能量与控制量的关系并非简单的线性定常关系。通过对发酵过程历史数据的分析， 图2 发酵罐上测温点与阀门安装位置 f i g 2p o s i t i o nf o rm e a s u r i n gt e m p e r a t u r ea n dv a l v e0 1 1f e r m e n t u r 3 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 该系统的多输入多输出之问虽然存在耦台关系，但耦合作用不是很强，基本上可以将上阀对上温， 中阀对中温，下阀对下温分别进行配对，组成三个相互独立的控制回路。上述对控制方案的分析 基于温度的测量，温度测量点如图2 。薛福珍等( 2 0 0 2 ) 等提出对啤酒发酵罐的外壁设置上、中、 下三段冷却套，相应设立上、中、下三个测温点和三个偏心气动阀，通过阀门开度调节冷却套内 的冷却介质以实现对酒体温度的控制。以阀门开度为控制量，酒体温度为被控量，该广义对象是 一个三输入三输出的多变量系统。酵母沉积在发酵罐的锥底部，故下部温度为酵母温度，不宜作 为被控量。因此对于每个发酵罐，组成两个2 x 2 多变量控制系统。发酵前期多变量控制系统的控 制量为上阀和中阀的开度，控制罐内温度成正向温差，使上部温度低于下部温度，以促进麦汁对 流。而发酵后期多变量控制系统的控制量为中阀和下阀的开度，减弱对流以利于啤酒中杂质的沉 淀。林清香( 2 0 0 4 ) 提出在采用计算机开环控制发酵液温度的基础上，对控制算法采用了加入了 图3 发酵罐控制方案示意图 f i g3f e r m e n t o rc o n t r o ls c h e m e p i d 算法加针对性处理和s m i t h 补偿控制算式。采用的控制方法是根据发酵液的温度控制冷却 剂的流量。发酵罐的温度通过对发酵罐中部和锥部的温度测定，其冷却剂流量的控制即是根据发 酵罐中部温度( 中温) 。杜立强等( 2 0 0 1 ) 提出的控制方案示意，如图3 。该控制方案包括： 1 ) 压力控制根据工艺曲线各阶段的压力值，由软件按程序控制电磁阀开、关实现压力控制( c 0 2 的排放) ，并设置越限报警。 2 ) 温度控制露天发酵罐体积较大，工艺设备的热交换系统分三层，连接方式为并联。如图3 所 示，工艺要求在发酵过程中罐内的酒液分三层，各层的温度略有不同。如主发酵阶段为了使中、 下的酒液和酵母充分发酵，要求中、下部的温度略高于上部的温度，以有利于上部的酒液与中下 部酒液对流。因此，罐内三层的换热量在同一发酵阶段就略有不同，温度工艺曲线就有三条，调 节回也应为三个。这三个回路的单神经元学习控制算法，结构参数相同，所不同的是给定的工艺 4 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 参数曲线在特定的阶段略有差别。所以，传感器按上、中、下三层设置，分别对应上、中、下三 个调节阀，调节三层的冷媒流量以满足工艺的要求。杨志坚( 1 9 9 7 ) 提到大部分啤酒生产厂家采 用用仪表测量，手动控制的方法，因此人为因素对发酵效果影响较大，使啤酒质量不稳定。特别 使啤酒发酵的线性升温无法严格控制。为此，采用国际流行的s t d 工业控制计算机所开发的啤 酒发酵s t d 总线控制系统。啤酒发酵大罐的温度采用铂电阻( p t l 0 0 ) 测量啤酒发酵工艺曲线存 入计算机内，微处理机把实测值与发酵工艺曲线的设定值进行比较，得到其偏差，然后，根据偏 差大小进行调节。最终，微型计算机把计算的调节结果输出，以调节冰水阀门，使偏差迅速消除， 从而，达到自动跟踪工艺曲线的目的。传感器在发酵大罐内测温位置的确定方法如下：测温传感 器共有二至三个，传感器的安装深度影响测量效果及控制效果。根据热量等值交换原理来确定传 感器的安装深度。假定在用冰水降温过程中，酒液随大罐半径有温度差存在，这种温差随半径是 线性变化的，大罐皮处的酒液受冰水的影响最早、最大，温度降低得最快。中心处的酒液通过与 边缘处的酒液交换热量而被降温，因此，其中间温度最高。当酒液达到热平恒时，应有qa = 0 。 解得r = ( 2 3 ) x r 即啤酒发酵测温传感器应安装在离大罐中心( 2 3 ) r 处。在啤酒发酵过程 温度控制的研究方面，很多人给定了控制方法。周泽魁等( 1 9 9 9 ) 等人提出啤酒生产是一个间歇 生产过程，罐体内部没有搅拌装置，热量交换仅通过对流方式进行，因此，大滞后和时变性是啤 酒生产过程最主要的特征。在以上发酵特征的基础上，该文章提出m p i d 控制方法。毛湘华等 ( 1 9 9 9 ) 提出以闭环控制为基础，控制系统采用冗余结构，每个发酵罐用一台智能调节器，将危 机分散，并将其造成的影响降低到最小程度。这样由于智能调节器除了能澳4 量各点的温度、压力 等之外，还具有时间温度曲线，伺服驱动等功能。这样可以通过预先设置好温度时间曲线参数， 置为投运状态，通过伺服驱动，形成一个闭环的控制系统，达到控制温度和压力的目的。而这些 参数和状态，都可以通过通信系统由上位机在线统一设置控制，这样就组成了一个集散控制系统。 王斌等( 2 0 0 4 ) 提出，基于现场总线技术和i n t e m e t 结合的啤酒发酵分布式控制系统，实施智能 的发酵过程自动化控制方法和工厂网络相连实现底层到高层的数据共享，正成为国内外啤酒发 酵自控行业的研究热点。这种方法的本质也是根据发酵曲线设定发酵罐的温度，进行控制。他们 还提山一套多层集散控制的系统方案，并给出一个模糊和p i d 结合的混和控制算法用于控制发酵 控制方法，但是引进了模糊控制方法，与p i d 方法结台，可大大减少温度的超调。 国外关于啤酒发酵过程中温度的控制，已经有几十年的历史了。m a n g e r 等( 1 9 9 6 ) 对关于 啤酒发酵过程中发酵罐的冷却问题给出了如下的讨论：发酵罐在发酵生产过程中需要从罐内移出 的热量，啤酒发酵罐向环境中释放的热量冷却方法及发酵罐采用的冷却装置，直接冷却及间接 冷却方法，锥形发酵罐在冷却过程中的优点及缺点，带有冷却夹套的锥形发酵罐，带有外部冷却 循环系统的锥形发酵罐，没有特殊冷却装置的锥形发酵罐之间的比较，单罐生产和多罐生产之间 的相对优点，发酵罐的热绝缘设计等。l a l $ o l l 等( 1 9 8 8 ) 在一罐法生产过程的讨论中指出在通 常情况下的单独生产步骤被合并在一个单独的容器内。所需的传热过程包括了调和发酵原料( 大 麦汁) 和将最终经过发酵的嫩啤酒冷却至接近冰点两个过程。适当的设计此时对于单罐的冷却系 统很需要，以便达到生产所需的温度。在此描述了单一罐的冷却相的实验和解析的传热研究，由 此确定单一罐最合适的冷却系统，以便在使资本和操作成本达到最小时应付发酵过程中特殊过 程。在单一发酵罐的冷却循环系统中温度是时间的函数。这些数据用来计算发酵液的温度，以便 确定粘性流体域范围和在不同条件下所产生的温度梯度范围。对数据的分析及他们之间的关系表 明冷却性能可以由总传热系数描述，因为传热系数由发酵罐的几何形状，冷却夹套的几何形状、 冷却介质、啤酒温度等决定。当它应用在不稳定系统的热平衡中时，总传热系数服从于一条精确 的非线性的预计曲线，瞬时温度反映了单一罐的操作控制参数。b r a c q 等( 1 9 9 6 ) 提出采用计算 5 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 的方法，对大型发酵罐和储存罐的冷却过程中技术参数进行确定，这种确定方法是针对采用乙二 醇、液氨循环冷却方法，以及对冷藏工厂的控制，冷凝过程的压缩能力而言的。u n t e r s t e i n ( 1 9 7 8 ) 提出在计算冷却必要条件中到目前为止还没有关于发酵罐材料和冷却剂流速的问题。但是，在热 传递系数的研究中即从罐壁到啤酒之间的热传递，有一个很重要的不确定因素，而且明显的与对 流的影响有关。本研究提山该问题以便建立更好的热传递过程，并能更好的计算冷却过程中的传 热系数。m a u l e ( 1 9 7 6 ) 提山由于在低温条件下，在3 时啤酒的密度最大，冷却系统分别在高处 和低处设定了两处夹套，将啤酒液在发酵结束后冷却至o c 。发酵成熟阶段结束后以及在延长储 存期内有必要采用锥形冷却套进行冷却。酵母的沉降在这些试验过程中进行改进，但是在发酵容 器内在横向或垂直方向都没有一个明显的浓度梯度。 国内外学者在啤酒以及其它的发酵生产方面做了大量的研究，主要集中在对发酵罐的改进， 以及基于温度计测量的发酵液的温度作出的控温方法的研究。只有清楚地了解发酵罐内各处液体 的温度，才能对控温作出更好的研究。目前，还没有对发酵罐内热量和动量的传递进行的全面研 究。本文首次采用c f d 软件对啤酒发酵过程的冷却阶段进行模拟。 1 2 2c f d 软件简介及应用 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，c f d ) 是通过计算机数值计算和图像显示， 对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所作的分析( 王福军，2 0 0 4 ) 。针对每一种流动 的物理问题的特点，采用适合于它的数值解法在计算速度、稳定性和精度方面达到最佳。可以计 算流场、传热和化学反应，其思想实际上就是做很多模块，这样只要判断是哪一种流场和边界就 可以拿已有的模型来计算。c f d 包括多种类型的软件，f l u e n t 软件是其中的一种，主要应用在对 流体的研究中。f l u e n t 软件能推出多种优化的物理模型，如定常和非定常流动；层流( 包括各种非 牛顿流模型) ；紊流( 包括最先进的紊流模型) ：不可压缩和可压缩流动；传热；化学反应等等。对 每一种物理问题的流动特点，有适合它的数值解法，用户可对显式或隐式差分格式进行选择，以 期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。f l u e n t 将不同领域的计算软件组合起来，成为c f d 计算机软件群，软件之间可以方便地进行数值交换，并采用统一的前、后处理工具这就省却了 科研工作者在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动，而可以将主要精力和 智慧用于物理问题本身的探索上。例如，采用g a m b i t 的专用前处理软件，使网格可以有多种形状， 对二维流动，可以生成三角形和矩形网格；对于三维流动，则可生成四面体、六面体、三角柱和金 字塔等网格：结合具体计算，还可生成混合网格，其自适应功能，能对网格进行细分或粗化，或 生成不连续网格、可变网格和滑动网格( 刘霞等，2 0 0 3 ) 。 c f d 方法是对流场的控制方程组用数值方法将其离散到一系列网格节点上，并求其离散数值 解的一种方法。控制所有流体流动的基本规律是：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。 由它们可以分别导出连续性方程、动量方程和能量方程，得到纳维尔斯托克斯偏微分方程组，简 称为n s 方程组。n s 方程组是流体流动所必需遵守的普遍规律。在守恒方程组基础上，加上反 映流体流动特殊性质的数学模型( 如湍流模型、燃烧模型、多相流模型等) 和边界条件、初始条件， 构成封闭的方程组来数学描述特定流场、流体的流动规律。c f d 数值求解方法主要有有限差分法、 有限容积( 控制容积) 法、有限元法、边界元法、有限分析法、谱分析法、数值积分变换法、格子 6 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 b o l t z m a n n 法等，虽然后几种方法近几年来有很大的发展，并己成功地解决了一些问题，但就方 法的成熟程度、实施的难易及应_ h j 的广泛性等而言，有限容积法和有限元法仍占相当优势( 钟英 杰等，2 0 0 3 ) 。随着我国各个研究领域的学者对c f d 商业软件的了解的不断加深，越来越多的研 究人员将眼光从传统的模拟方法及实验方法转向了c f d 模拟。 在国内，c f d 软件普遍应用于空气动力学等各种流体动力学领域内。师奇威等( 2 0 0 5 ) 提到， c f d 可应用于对室内空气分布情况进行模拟和预测，从而得到房间内速度、温度、湿度以及有害 物浓度等物理量的详细分布情况；在暖通空调工程中的应用主要在于模拟预测室内外或设备内的 空气或其他工质流体的流动情况。潘小强等( 2 0 0 4 ) 提出用f l u e n t 软件进行典型测试问题钝 体绕流数值模拟，经过与相关文献比较，其计算精度和模拟流态完全令人满意。赵琴( 2 0 0 3 ) 提 到根据f l u e n t 软件的特点，对传统壁挂式空调环境下的气流组织进行数值模拟，分析了室内温度 场的变化情况。使用f l u e n t 作流体分析无需编程，这样能将大量的时间从编程这样操作性工作中 节省出来，使人们有更多的时间和精力考虑问题的物理本质，优化算法选用，参数的确定。提高 工作效率。陶建兴等( 2 0 0 2 ) 提出利用c f d 仿真软件s t a r - - c d 对四面出风和传统水平出风空 调器温度场、速度场进行模拟，从舒适性角度作出评价，发现房间温度场分部比较均匀，对人体 而言出风柔和，温度变化平缓，空调控制设定温度与人体感温误差较小。与传统壁挂空调相比 具有优越性。通过s t a r - - c d 模拟房间温度场，结果直观，对于指导产品设计有重要作用。丰 存礼等( 2 0 0 5 ) 使用g a m b i t 和兀u e n t 对填料塔中的双切环流气体分布器的流场分布和入口阻力 进行了研究和分析，模拟过程采用的是k e 模型，所得的模拟结果与干仞的实验符合较好。在 此基础上，对气流分布器的设计参数及其它结构进行改变，模拟优化比较佳的设计尺寸。吴天等 ( 2 0 0 5 ) 提出根据研究表明，c f d 软件在通风领域和航空领域内应用广泛，已经有很高的成就。 c f d 软件不但可以应用于流体动力学领域，对食品、生物领域内许多科学问题的解决，也有很多 重要的科学应用。 国外在食品领域内对c f d 应用的研究开始的时间较早，研究的范围也很广，除了在流体( 主 要为风) 领域和微生物方面的应用，也涉及到啤酒发酵领域。d a v i d s o n 等( 2 0 0 3 ) 等即是采用c f d 软件对发酵罐内流体的混合进行模拟，提到在发酵罐内不理想的混合会导致营养及氧气的梯度的 产生，在p h 和其它因素上会对细胞的行为、生长和产物产生影响。暴露在这些梯度中的频率可 以根据循环时间的分配( c i r c u l a t i o nt i m ed i s t r i b u t i o n ) ( c t d 进行定义。采用c f d 软件对单叶轮混 合罐内的c t d 进行模拟，c f d 软件用来模拟在3 个不同的混合罐内的流动区域。它是通过对罐 进行网格元素划分，并利用n s 方程解决k 一湍流方程，在模拟流体范围内，跟踪粒子从相关 领域内释放，粒子轨道模拟时间为3 0 s ，这些粒子回到相关领域的内所花费的时间可以计算出来。 c t d 的值通过实验得到，并表现出明显的特征。c f d 模拟得到的特征与此进行比较，再产生实 验处理信号，c f d 再捕捉新的c t d 数据。最终由c f d 数据得到3 个罐的预计单峰c t d 的新的 处理信号程序。m i r a d e 等( 2 0 0 3 ) 采用f l u e n t 软件模拟对肉类进行通风干燥的过程，气流的大小 及通风的模式。他在文中提到采用的2 维计算流体动力学模型，结合时间的边界条件，采用f l u e n t 软件模拟，可以预知在小型工业中循环通风干燥肉类的第一阶段中气流的模式，并对风轮中的通 风模式进行修改。可以得知c f d 可对工厂的工作性能进行预计及修正。l e e 等( 2 0 0 0 ) 等人将 c f d 软件应用在通风领域内。他们提出，在自然通风系统采用c f d 数学系统进行评价和修正风 速和方向，边缘通风口的开度和位置。顶层通风口开放的类型，区域的数量，由通风率和气流分 7 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 配来检测，采c f d 软件可对这些检测进行优化设计。l e e 等( 1 9 9 8 ) 二人还利用c f d 软件对温 和天气条件下通过双层堆笼设备的空气流动和颗粒输运进行了模拟。分别给出了不同数量风扇时 风速范围，并预知了没有边界通风v i 时风速的范围。w o d e y 等( 1 9 9 5 ) 对气流中粒子的运动进行 了研究。提出气流流型和粒子在中等气温情况下通过两个储存器中堆层设备可以采用c f d 进行 模拟。模拟几个晟高限度的进口系统以便粒子对运动特性进行确定。l i u 等( 1 9 9 5 ) 认为c f d 是 一个强大的工具，它可以对很大的范围内包括工业生产和农业操作中各种类型流体的运动过程进 行模拟。在此次应用中，他们示范了如何运用c f d 商业软件包，建立预测在液体边界层上的蒸 发膜通道模型，验证数学方法分析液体的典型扩散问题。c f d 软件包可以适用于一般方法的传质 模拟。t s a y 等( 2 0 0 4 ) 提到气助喷雾法对于减轻喷雾流是最推荐使用的。即使许多研究表明气助 喷雾相对可减轻喷雾流，但是很少信息关于最佳操作参数和风速的作用，喷雾速度，喷雾方向在 减轻气助喷雾中有作用。在本研究中，采用c f d 软件对在没有盖的情况下具有不同操作参数的 气助喷雾机进行了模拟，采用表面响应方法使操作参数最优化，并评价喷雾流的性质。实验的结 果证明有价值的操作信息，对从气助喷雾法中减轻喷雾流是有帮助的。 由此可见，c f d 系统应用领域较为广泛，现已成为解决各种流体流动与传热问题的强有力工 具，成功应用于水利、航运、海洋、环境、食品、流体机械与流体工程等各种技术科学领域。过 去只能靠实验手段才能得到的某些结果，现在已完全可以借助c f d 模拟来准确获取。c f d 模拟 方法已经成功地应用于空调制冷、流体机械、航空等多个研究领域( 王福军，2 0 0 4 ) 。 1 3 研究内容及方法 1 3 1 总结 综上所述，虽然很多人对啤酒发酵过程温度控制方法作了大量的研究、模拟工作，但是，大 多数人只注重采取自动控制理论与方法，对啤酒发酵后期冷却过程的温度测定滞后现象所产生的 控温难的问题作出一定的改善，很少有人尝试过利用c f d 软件对啤酒发酵的过程进行模拟。有 人对锥形发酵罐的缺点一冷却过程中容易造成温度分层现象，使大罐发酵液温度不一致作出研 究，即将罐内气式系统操作应用于锥形发酵罐内，在罐体内轴向不同的地方装有5 个温度传感器， 以便随时检查温度变化情况，罐底部装孔径为5 1 u n 的不锈钢柱，发酵条件同普通大罐发酵。在 发酵过程中，从罐底的微孔柱中向罐内通c 0 2 气体，温度混台效率可以通过轴向温度差梯度完全 消失所需的时间来确定( 路福平，1 9 9 5 ) 。这种方法对于解决温度混合不均匀的问题虽然可行，但 是，却存在很多问题。首先，向罐内通入c 0 2 后，虽然解决了温度问题，却使罐内c o ：浓度增高， 其次，对于大型锥形发酵罐内装入此设各，一则使发酵罐生产工艺变繁，二则增加了设备的成本。 最后，此装置虽然能解决温度混合不均匀的问题，但是，却仍然不能完整地了解发酵罐内液体温 度的变化情况，以及流体动力学特征。因此，此方法仍然不能达到我们的要求。对于啤酒发酵过 程的温度控制理论的研究，只能改善上述测定滞后现象，被动地对发酵过程进行监视，不能对发 酵过程主动控制，从根本上解决发酵冷却过程控制难这一问题。同时对于发酵液与冷却夹套内 的冷却液对流传热速度的大小和方向，我们很难知道，也没有人做过类似的研究( 王福军，2 0 0 4 ) 。 8 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 2 发酵罐内部热量动量传递的研究 发酵罐内热量和动量的传递是发酵在工稃水平上的进行。冷却过程中发酵液在温度和速度等 方面发生的变化是及其复杂的，并不像人们所想象的那样温度由轴心处向发酵罐壁处逐渐降低， 速度也不像人们想象的那样，由于降温的原因，在发酵罐内自上而下或自下而上地形成了大规模 的对流运动。如图4 、图5 分别是本实验模拟的降温2 2 5 h 和1 2 8 3 h 时的温度分布图利速度分布 图。 可见，发酵冷却过程发酵罐内降温过程是由下层锥形部分先降温，温度由下而上逐渐升高， 形成了很多温度层，即在发酵罐内，处于同一水平位置的发酵液，降温过程中。温度的变化基本 相同，温度梯度主要存在于轴线方向。由速度分布图可见，发酵罐内速度最大点是罐顶部，其数 值为0 0 2 3 m s ，从速度分布上，可见在发酵罐上部分和中部分别有一个对流区域，特别是上部比 较明显。而在锥形部分，速度大小较小，且方向杂乱，没有形成明显的对流。可见，冷却过程中 在罐内形成一个大规模的对流运动的设想是与现实有很大偏差的。上述从温度分布图和速度分布 图中我们可知对于冷却过程发酵罐内部热量和动量传递的研究目前很需要，而且很必要。 图4 降温2 2 5 h 后发酵罐内温度分布图 f 瑭4t e m p e r a r a ed i s t r i b u t i n gi nf c r m e n t o ra f t e rc o o l i n ga b o u t4 0h o u r s 9 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 图5 降温1 2 8 3 小时后发酵罐内速度分布图 f i g 5v e l o c i t yd i s t r i b u t i n gi nf e r m e n t o ra f t e rc o o l i n ga b o u t1 2 8 3h o u r s 1 3 _ 3 本课题的内容 研究发酵罐内热量和动量传递过程，所作内容如下： ( 1 ) 分析发酵罐内热量和动量传递特征，建立物理模型。包括以下内容： 确定罐内啤酒的流动速度及传热特性 确定夹套内冷却介质的流动及相变特性 ( 2 ) 对物理模型建立相应的数学模型，具体内容如下： 建立连续性方程，动量方程，能量方程组成的控制方程，给山定解条件。 ( 3 ) 使用f l u e n t 软件对发酵冷却过程进行模拟。具体内容如f ： ( 4 ) 对冷却过程进行实验确定，得出实验结果 ( 5 ) 对实验结果和模拟结果进行对比分析 通过研究我们希望得到以下结果： ( 1 ) 冷却过程中啤酒发酵罐内液体温度变化规律 ( 2 ) 研究在冷却过程中发酵罐内液体的流动状态变化过程， ( 3 ) 导致上述变化规律的原因所在 ( 4 ) 根据实验结果对实验方案进行改进。 最后，希望通过此次模拟发酵罐内发生的热量和动量的传递过程，所得到的结果，能够为发 酵工作者改进冷却过程的控制打下基础。 1 0 中国农业大学硕士学位论文第二章啤请发酵罐冷却装置及实验 第二章啤酒发酵罐冷却装置及实验 2 1 锥形发酵罐的特点 锥形发酵罐的外形一般如图6 所示，其特点有以下几点： 图6 锥形啤酒发酵罐示意图 f i g 6c y l i n d r o - c o n i c a lb e e rf e r m c n t o r ( 1 ) 锥形发酵罐具有罐底，主发酵后回收酵母方便，所采用的酵母也应该是便于回收的凝 聚沉淀型的酵母菌株。 ( 2 ) 罐本身具有冷却夹套，冷却面积能够满足工艺上的降温要求。一般在圆柱体部分，视 罐体高度，可分设2 3 段冷却，锥底部分设有一段冷却，有利于酵母沉降和保存。 ( 3 ) 圆柱锥底罐是密封罐，可以回收c 0 2 ，也可以进行c 0 2 洗涤，可以作发酵罐也可咀 作贮酒罐。 ( 4 ) 罐内的发酵液，由于罐体高度而产生的c 0 2 梯度，以及冷却方位的控制，可以形成自 下而上或自上而下的自然对流。罐体愈高，对流作用愈强。对流情况与罐形状、大小和冷却系统 的控制都有关系。一般来说，罐体高度也应控制，以免对流过剩，形成搅拌发酵，影响酵母沉淀 和酒的质量。 ( 5 ) 圆柱锥形罐具有相当高度，凝聚力较强的酵母可以沉淀，凝聚性差的酵母就需要离心 分离。 ( 6 ) 圆柱锥形的罐适用于下面发酵，也适用于上面发酵：但是用于上面发酵，需要选择凝 聚沉淀型上面酵母便于回收( 管敦仪，1 9 9 8 ) 。 l j 中国农业大学硕士学位论文第二章啤酒发酵罐冷却装置及实验 本课题所研究的发酵罐是当今大型啤酒生产厂家普遍采用的大型锥形发酵罐。发酵罐总高度 为2 2 m ，直径为7 2 m ，仅锥部就高5 m 。罐顶采用圆弧形的罐盖，并有观察孔咀便在发酵期间观 察发酵程度。罐体采用不锈钢材料，罐体表面采用钢板材料制成的蜂窝状冷却夹套包裹。冷却夹 套之间有液氨管道连接，液氨可以回收，经压缩后可循环利用。 2 2 冷却夹套的特点 对于锥形发酵罐。由于不存在倒罐等工艺，因此，对发酵罐的冷却系统的要求就格外严格， 尤其是对于发酵降温工艺。冷却夹套的功能是对发酵罐在适当的时候进行冷却，对于冷却夹套的 研究白采用大型锥形发酵罐以来就很重要。主发酵过程中产生大量的热，经过冷却后，如果温度 低于预设值，只要停止冷却，很快就会有新的热量产生，对温度的回升起到作用。在主发酵后期 的冷却阶段，发酵液产生的热量很少，如果发酵液温度降低的过快，低于发酵所需的温度，就很 难再次回升。因此，冷却系统的作用以及对它的控制很重要。 发酵设备冷却系统的发展经历三个阶段：第一为钢板或钢筋混凝土制的、放置在低温室内的 发酵容器( 即传统发酵室) ，其中主酵容器中装有冷却蛇管或排管，冰水冷却；后酵容器仅靠室内 冷却排管降温。二为钢制锥形发酵罐，采用一罐法工艺发酵，发酵液的降温罐壁缠绕焊接的冷却 夹套，通入酒精水冷却。三为液氮蒸发冷却式露天发酵罐，其特点是把罐外夹套当作蒸发器，液 氨在夹套内蒸发，利用液氨蒸发的汽化潜热冷却发酵液。其优点是去掉液氨蒸发冷却酒精水的换 热循环，省掉面积很大的酒精水池以及酒精的损耗，进一步降低投资，节省能耗( 管敦仪。1 9 9 8 ) 。 发酵冷却设备中最为简单实用的就是冷却夹套。冷却夹套又称冷带，冷带可采用矩形、梯形、 弧形、半圆形管道和米勒板。其中半圆管和米勒板内冷媒呈湍流传热，传热系数明显提高，换热 效果较好。工业生产上一般采用的冷却装置是半圆形冷却夹套和蜂窝冷却夹套，冷却效果最好 安全性能最高( 付攸安，1 9 9 5 ) 。 半圆形冷却夹套在实际生产中具有良好的效果，特点有三个：一，结构简单，节省材料，又 便于检修。与蛇管结构相比，由于蛇管置于罐内，需要占有罐内一定的空间，致使罐内清洗、安 装、检修均不方便，尤其当蛇管圈数较多、体积、重量较大时，固定蛇管的零