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        基于CFD的涮爆烹飪過程模擬及試驗(yàn)驗(yàn)證

        2018-05-31 01:58:45黔東南民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院余冰妍貴州大學(xué)釀酒與食品工程學(xué)院
        食品安全導(dǎo)刊 2018年12期
        關(guān)鍵詞:傳熱學(xué)對流數(shù)學(xué)模型

        □ 崔 俊 黔東南民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院 余冰妍 貴州大學(xué)釀酒與食品工程學(xué)院

        肉類是傳統(tǒng)烹飪過程最主要的食物材料[1],在我國居民肉類消費(fèi)中占主導(dǎo)地位,適合作為研究對象。涮爆是指以水為傳熱介質(zhì)的烹飪過程,是家庭烹飪最常用的肉類食物制作方法之一[2],其復(fù)雜性雖低于“爆”“炒”等烹飪工藝,但構(gòu)建的傳熱控制方程經(jīng)合理調(diào)整后可應(yīng)用于“爆”“炒”等復(fù)雜烹飪工藝的模擬研究。

        涮爆烹飪過程中,顆粒通過與傳熱介質(zhì)對流換熱獲得熱量,顆粒表面通過熱傳導(dǎo)將熱量傳遞到顆粒中心,整個(gè)過程非穩(wěn)態(tài)特征顯著。采用傳統(tǒng)物理測量方法難以獲得顆粒全局溫度歷史,而顆粒全局溫度變化又是掌握顆粒品質(zhì)變化規(guī)律的重要參數(shù)[3],因此有必要構(gòu)建顆粒傳熱數(shù)學(xué)模型及求解方法,模擬涮爆過程顆粒傳熱過程從而獲取顆粒溫度分布,為烹飪品質(zhì)研究提供基礎(chǔ)參數(shù)。

        涮爆過程中,攪拌頻率影響液體-顆粒對流換熱強(qiáng)度[4],從而影響顆粒全局溫度分布;顆粒傳熱學(xué)尺寸直接影響顆粒升溫速率。因此,有必要對攪拌強(qiáng)度、顆粒傳熱學(xué)尺寸對涮爆過程顆粒全局溫度分布的影響開展研究。

        綜上所述,需要基于理論傳熱學(xué),開展涮爆過程顆粒的溫度分布的研究,構(gòu)建符合實(shí)際涮爆過程的顆粒傳熱數(shù)學(xué)模型及模型求解方法,把握烹飪的過程規(guī)律,獲得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 理論基礎(chǔ)

        涮爆烹飪的過程特征是開放鍋內(nèi)被攪拌液體-食品顆粒的傳熱過過程,以水為傳熱介質(zhì)的涮爆烹飪過程屬于無內(nèi)熱源的非穩(wěn)態(tài)傳熱。假設(shè)顆粒初始溫度均勻,顆粒熱物性質(zhì)穩(wěn)定,忽略顆粒收縮。

        1.1.1 液體-顆粒非穩(wěn)態(tài)傳熱數(shù)學(xué)模型

        液體-顆粒非穩(wěn)態(tài)傳熱控制方程可表述為:

        式(1)中,ρ為顆粒密度,單位為kg/m3;Cp為顆粒比熱容,單位為J/(kg·℃);T為顆粒溫度,單位為℃;k為顆粒導(dǎo)熱系數(shù),單位為W/( m·K)。

        1.1.2 定界條件

        初始條件:顆粒初始溫度為環(huán)境溫度 To。

        邊界條件:顆粒與傳熱介質(zhì)——水通過對流換熱傳遞熱量,邊界條件可表述為:

        式(2)中,hfp為傳熱介質(zhì)-顆粒對流換熱系數(shù),W/( m2·K);Tp為顆粒表面溫度,℃;Tf為傳熱介質(zhì)溫度,℃。

        1.1.3 數(shù)值計(jì)算

        利 用COMSOL Multiphysics 有限元軟件中的 Heat Transfer in Solids對式(1)、(2)進(jìn)行數(shù)值求解。在 Geometry 中定義顆粒幾何尺寸;Materials中定義顆粒熱物性參數(shù),在Temperature 和 Heat Flux 中分別加載初始條件和邊界條件,見表1;利用Mesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分,如圖1所示;選用自動迭代求解器獲得有限元解,并利用域探針獲得顆粒不同空間位置的溫度-時(shí)間曲線,并在后處理器中導(dǎo)出顆粒中心溫度-時(shí)間曲線。

        表1 豬里脊肉熱物性參數(shù)[5-7]

        圖1 網(wǎng)格劃分

        1.2 試驗(yàn)原料

        鮮豬里脊肉,市售。

        1.3 儀器與設(shè)備

        烹飪傳熱學(xué)及動力學(xué)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng),自研[8];CY-20超級恒溫水浴鍋(上海博訊有限公司);BL658切片機(jī)(深圳博萊電器有限公司);21CK2105電磁爐(深圳美的電器制造有限公司);家用平底鍋(深圳美的電器制造有限公司)。

        1.4 試驗(yàn)方法

        1.4.1 原料處理

        將原料豬里脊肉切分后置于-18 ℃冰箱中冷凍12 h,取出后用切片機(jī)將其切割為4 cm×4 cm×0.2 cm(長×寬×高)的肉片,采用半厚粘接法[9]將兩片肉片粘接在一起,于0 ℃冰箱中冷藏,12 h后取出,恢復(fù)至室溫。

        1.4.2 顆粒中心點(diǎn)溫度-時(shí)間采集

        將熱電偶插入到肉片中心,用鑷子固定,將肉全部浸入水溫為80 ℃的平底鍋中加熱并攪拌,以模擬實(shí)際涮爆過程中顆粒的運(yùn)動,并用烹飪傳熱學(xué)及動力學(xué)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)采集肉片中心點(diǎn)的溫度-時(shí)間變化曲線。

        1.4.3 以最小溫度目標(biāo)總體差平方法(LSTD)驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性

        LSTD可反映數(shù)值模擬求得溫度與實(shí)測時(shí)間溫度的全程差異[10],一般認(rèn)為LSTD值小于5 %時(shí),兩組數(shù)據(jù)的差異可以接受,即模擬結(jié)果是可靠的,計(jì)算公式為:

        式(3)中:LSTD為溫度差平方和;Tsn、Tcn分別為在共為m個(gè)的第n個(gè)時(shí)間點(diǎn)的模擬值與實(shí)測溫度的關(guān)系。

        1.5 數(shù)據(jù)處理

        利用Origin 9對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 顆粒不同空間位置的溫度變化

        顆粒表面通過與傳熱介質(zhì)對流換熱獲得能量,溫度升溫速率快;顆粒表面到顆粒中心,由于傳熱熱阻的存在,顆粒中心升溫速率慢于顆粒表面,如圖2所示。

        圖2 200 W/( m2·K )時(shí),顆粒(4 cm×4 cm×0.4 cm )不同空間位置溫度

        2.2 不同攪拌強(qiáng)度對顆粒溫度分布的影響

        攪拌強(qiáng)度影響顆粒對流換熱系數(shù),攪拌強(qiáng)度越大則對流換熱系數(shù)越大,顆粒在單位時(shí)間內(nèi)與傳熱介質(zhì)通過對流換熱獲得的熱量多,則顆粒升溫速率快,如圖3所示。

        2.3 不同幾何尺寸對顆粒溫度分布的影響

        攪拌強(qiáng)度相同時(shí),傳熱學(xué)尺寸越小,顆粒導(dǎo)熱熱阻越小,則顆粒單位時(shí)間獲得的熱量越多,顆粒升溫速率越快,如圖4所示。

        圖3 不同攪拌強(qiáng)度下顆粒(4 cm×4 cm×0.4 cm)中心點(diǎn)溫度

        圖4 200 W/( m2·K)時(shí),不同傳熱學(xué)尺寸顆粒的中心點(diǎn)溫度

        3 討論

        3.1 構(gòu)建的顆粒傳熱數(shù)學(xué)模型的可靠性、代表性

        進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí),若傳熱學(xué)尺寸、物性參數(shù)、定界條件等與實(shí)際涮爆過程相同,由解的唯一性定律可知,數(shù)值模擬的結(jié)果是唯一的,若模擬值又與試驗(yàn)值吻合,則可證明模擬結(jié)果是可靠的[11,12]。通過對測定的實(shí)際涮爆過程顆粒中心溫度曲線,與構(gòu)建的顆粒傳熱數(shù)學(xué)模型模擬實(shí)際涮爆過程獲得的顆粒中心溫度曲線進(jìn)行誤差分析(如圖5所示),LSTD值為0.11 %,證明了模型的可靠性。同時(shí),構(gòu)建的顆粒傳熱數(shù)學(xué)模型是理論模型,而非經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?,可?yīng)用于不同涮爆操作條件下的溫度模擬。

        圖5 200 W/( m2·K))時(shí),顆粒( 4 cm×4 cm×0.4 cm )模擬中心溫度與實(shí)測中心溫度

        4 結(jié)論

        基于能量平衡,本文構(gòu)建了涮爆過程中顆粒傳熱過程數(shù)學(xué)模型及模型求解方法,模擬了顆粒傳熱學(xué)尺寸、對流換熱系數(shù)對顆粒溫度分布的影響。模擬結(jié)果表明,顆粒傳熱學(xué)尺寸越小、對流換熱系數(shù)越大,則顆粒升溫速率越快。同時(shí),利用熱電偶采集實(shí)際涮爆過程中顆粒中心點(diǎn)的溫度-時(shí)間曲線,與模擬求解出的溫度-時(shí)間曲線進(jìn)行誤差分析,證明了模型的可靠性。最后,討論了顆粒傳熱數(shù)學(xué)模型的代表性,數(shù)學(xué)模型經(jīng)合理修正后可應(yīng)用于其他烹飪工藝的模擬研究,是烹飪研究中獲得顆粒全局溫度歷史的重要技術(shù)手段。

        [1]劉合光,孫東升.中國豬肉消費(fèi)現(xiàn)狀與展望[J].農(nóng)業(yè)展望,2010(1):35-38.

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