一种基于COMSOL仿真软件的肉品烤制过程的模拟分析方法与流程

一种基于comsol仿真软件的肉品烤制过程的模拟分析方法
技术领域
1.本发明涉及食品加工与计算机模拟技术领域，尤其涉及一种基于comsol仿真软件的食品烤制过程的模拟分析方法。


背景技术：

2.烤肉制品是中国传统肉制品之一，由于具有独特的风味和诱人的色泽，深受大众的喜爱；电烤箱是餐饮业、家庭中应用最广泛的烤肉烹饪设备。
3.在肉品烤制过程中，通常会涉及到对流传热、热传导、扩散、蒸发，这些物理过程会对烤制过程中肉品的温度、水分含量造成影响，也决定着烤制终点；在实际生产中操作人员主要依靠经验对烤制终点进行判断，这种主观的判断很容易造成食品的质量不稳定；对肉品烤制过程进行仿真模拟，能有效预测食品在该过程中的温度、水分含量和压力的变化，能为实际生产加工过程提供理论指导，有利于产品质量的控制。
4.肉品等大多数食品物料都属于多孔介质；目前，有关烤制过程中的数值模拟主要采用连续介质假设模拟，这种手段忽略了多孔介质内部复杂的微观孔隙结构对其传热传质过程的影响，不能很好地解释多孔介质物料在烤制过程中产生的传热传质现象。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种采用comsol软件，基于多孔介质理论肉品在烤制过程中，温度、水分含量变化及分布情况的模拟分析方法，从而有助于更精确的控制烤制时间，保证烤制食品的品质稳定。
6.一种基于comsol仿真软件的肉品烤制过程的模拟分析方法，包括以下步骤：
7.a、基于comsol multiphysics软件构建肉品几何模型，确定控制方程、初始条件、边界条件，剖分网格并运行研究求解；
8.b、采集肉品烤制过程中温度数据及含水量信息，对数值模拟结果进行验证；
9.c、基于软件求解结果及相应的后处理，分析肉品烤制过程；
10.所述步骤a中：
11.所述肉品的几何模型为：基于肉品的几何尺寸(立方体)，在comsol软件中建立三维的几何模型；
12.所述控制方程为：以多孔介质内流体或气体分子作为主要的研究对象，基于分子动力学和能量守恒定律的相关理论知识，建立相应的耦合控制方程组。初始条件为：初始温度为室温，初始水分含量为新鲜肉品的湿基含水量，初始压力为标准大气压；所述边界条件包括：液态水和蒸气在样品表面的边界通量，样品表面的对流传热的热通量，样品表面的蒸发速率函数及边界热源。剖分网格的方法为采用自由四面体网格进行网格剖分；然后根据工艺要求设定求解时间步长并运行求解，得到烤制过程中每一点的相应物理量随时间的变化情况；
13.所述步骤b中：
14.所述的采集数据包括：烤制不同时间肉品几个不同位置点的温度数据，烤制不同时间肉品的平均水分含量；验证数值模拟结果为，将采集到的试验数据与数值模拟结果进行对比，验证数值模拟的准确性；
15.所述步骤c中：
16.基于软件求解结果及相应的后处理，对肉品烤制过程进行分析：通过温度分布云图分析肉品烤制过程不同位置的温度变化，通过水分含量分布图分析肉品烤制过程不同位置的水分含量变化，通过流线图分析水分、蒸气在烤制过程中的流动或扩散情况。
17.本发明的有益效果在于：
18.让中心温度的判断变得方便简单、经济实惠且不会破坏烤肉的完整性；基于多孔介质理论建立的孔隙尺度下的数学模型，将多孔介质内部复杂的微观孔隙结构考虑在内，对多孔介质的传热传质现象进行分析，可以更好的反应实际的烤制过程；能给出待研究烤制肉品位置的温度、湿度、压力等物理量的变化情况；应用本发明可对不同的烤制工艺条件下，烤制过程中肉品的温度、水分含量进行预测，有助于产品质量的稳定。
附图说明
19.图1为本发明的流程图；
20.图2为本发明的样品的三维几何模型；
21.图3为本发明的样品温度测定点示意图；
22.图4为在烤制过程中的实测平均水分含量和预测平均水分含量曲线；
23.图5为中心实测温度和中心预测温度的变化曲线；
24.图6为本发明的样品的温度分布图；
25.图7为本发明的样品的水分分布图。
具体实施方式
26.如图1所示，一种基于comsol仿真软件的肉品烤制过程的模拟分析方法，包括以下步骤：
27.a、基于comsol multiphysics软件构建肉品几何模型，确定控制方程、初始条件、边界条件，剖分网格并运行研究求解；具体为：
28.所述控制方程为：以多孔介质内流体或气体分子作为主要的研究对象，基于分子动力学和能量守恒定律的相关理论知识，建立相应的耦合控制方程组，其中包括水蒸气与液态水质量守恒方程、能量守恒方程、相变方程，如下所示：
29.基于肉品的几何尺寸(长40mm、宽40mm、高40mm)，在comsol软件中建立三维的几何模型，如图2所示。
30.水蒸气的质量守恒方程：
[0031][0032]
其中，cv水蒸气的浓度(mol/m3)，为水蒸气的通量(mol m-2
s-1
)，r
evap
为水的蒸发速率(mol m-3
s-1
)。
[0033]
水蒸气的浓度为，其中，pv为水蒸气的分压(pa)，r为通用气体常数(j mol-1
k-1
)，t为烤肉的温度(k)，mv为气体的摩尔质量(kg mol-1
)；
[0034]
水蒸气的质量通量公式为，ρ
v、
ρg分别为多孔介质中气体的密度，kg为水蒸气的固有渗透率(m2)，k
r,g
为水蒸气的相对渗透率，μg为水蒸气的动力粘度(pa s)，cg为混合气体摩尔密度(mol/m3)，d
eff,g
为混合气体有效扩散系数(m2/s)，xv为蒸气摩尔分数。
[0035]
液态水的质量守恒方程：
[0036][0037]
其中，为水的通量(kg m-2
s-1
)，r
evap
为水的蒸发速率(kg m-3
s-1
)。
[0038]
水的浓度为，cw＝ρwφsw，ρw是水的密度(kg m-3
)
[0039]
水的质量通量公式为，p为总气体压力(pa)，kw为水的固有渗透率(m2)，k
r,w
为水的相对渗透率，μw为水的动力粘度(pa s)，d
cap
为毛细扩散系数。
[0040]
能量守恒方程：
[0041][0042]
其中，ρ
eff
为有效密度，c
p,eff
为有效比热容，为空气在多孔介质的质量通量，c
p,i
为i相的比热容，k
eff
是有效导热系数，h
evap
是蒸发潜热。
[0043]
有效密度ρ
eff
计算公式为，ρ
eff
＝φ(sgρg swρw) (1-φ)ρs；有效比热容c
p,eff
计算公式为，c
p,eff
＝φ(s
wcp,w
s
gcp,g
) (1-φ)c
p,s
；有效热导率计算公式为，k
eff
＝φ(sgkg s
wkw
) (1-φ)ks。
[0044]
其中ρg、ρw、ρs分别为多孔介质中气体、液态水、固体基质的密度，c
p,w
、c
p,g
、c
p,s
分别为多孔介质中气体、液态水、固体基质的比热容，kw、kg、ks分别为液态水、气体、固体基质的导热系数。
[0045]
相变方程：
[0046][0047]
其中，mv是蒸气的摩尔质量(kg mol-1
)，p
v,eq
是平衡蒸气压(pa)，pv是蒸气压力(pa)，k
evap
是蒸发常数(s-1
)
[0048]
平衡蒸气压公式
[0049]
其中，p
v,sat
为水的饱和蒸气压力，m
db
为干基含水量。
[0050]
干基含水量的计算公式为，
[0051]
其中，φ为肉品多孔介质的孔隙度，sw为肉品多孔介质中水的饱和度。
[0052]
水饱和度的计算公式为，
[0053]
其中，δvw是水的体积(m3)，δvg是气体的体积，δvs是固体基质的体积。
[0054]
所述初始条件为：初始温度为室温，初始水分含量为新鲜肉品的湿基含水量，初始压力为标准大气压。
[0055]
所述边界条件包括水和蒸气在样品边界的通量、食品表面产生的对流传热，如下所示：
[0056]
水在样品边界的通量：
[0057]
水蒸气在样品边界的通量：
[0058]
其中，hm为传质系数，p
v,air
为烤箱中蒸气的分压。
[0059]
样品表面的热通量：
[0060]
其中，h
t
为传热系数，h
fg
为蒸发潜热。
[0061]
采用自由四面体网格进行网格剖分；然后根据工艺要求设定求解时间步长并运行求解，得到烤制过程中每一点的温度、水分含量随时间的变化情况。
[0062]
b、采集肉品烤制过程中温度数据及含水量信息，对数值模拟结果进行验证；具体为：
[0063]
本案例中肉品的烤制工艺为烤制温度170℃，烤制时间40min。使用热电偶测量肉品不同位置点温度变化，热电偶在肉品中的放置示意图如图3所示；通过测量获得的肉品平均水分含量变化曲线见图4，肉品不同位置温度变化曲线见图5。
[0064]
c、基于软件求解结果及相应的后处理，分析肉品烤制过程；具体为：基于软件求解结果及相应的后处理，对肉品烤制过程进行分析：如图6所示，通过温度分布云图分析肉品烤制过程不同位置的温度变化、通过图7的水分含量分布图分析肉品烤制过程不同位置的水分含量变化、通过流线图分析水分、蒸气在烤制过程中的流动或扩散情况。
[0065]
该方法能预测待研究烤制肉品位置的温度、湿度、压力等物理量的变化情况；应用本发明可对烤肉制品实际生产加工工艺提供理论指导，且有助于产品质量的稳定。