[發明專利]一種基于CFD的液態罐頭食品熱殺菌過程的模擬分析方法

有效

• 申請號: 201910200727.7
• 申請日: 2019-03-17
• 公開（公告）號: CN110020465B
• 公開（公告）日: 2020-08-11
• 發明（設計）人: 劉東紅;陳舒航;劉懿;周建偉;葉興乾
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;A23L3/00;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 黃歡娣;邱啟旺

本發明公開了一種基于CFD的液態罐頭食品熱殺菌過程的模擬分析方法，該方法包括：采集數據，簡化處理后，建立罐頭傳熱模型；基于模型，確定控制方程、初始條件、邊界條件，剖分網格，導入到COMSOL Multiphysics軟件中，進行CFD求解；基于CFD求解的結果進行相應后處理，分析熱殺菌過程。通過本發明，能給出待研究熱殺菌過程中液態罐頭食品任意時刻任意位置的流體流動速度、溫度、壓力、濕度等物理量的變化情況，更精準地分析熱殺菌過程中的物理場變化及熱殺菌效果。本發明適用于不同罐形大小及不同內容物的液態罐頭食品，有助于在熱滲透測試進行前準確尋找冷點位置，確定最短殺菌時間，最終實現對殺菌工藝的優化。

技術領域

本發明涉及食品加工領域，尤其涉及一種基于CFD的液態罐頭食品熱殺菌過程的模擬分析方法

背景技術

罐頭食品因其良好的密封性和殺菌措施，被廣泛運用于食品工業中。熱力殺菌因其有效性及方便性，是食品加工中最常用的殺菌手段。計算流體力學CFD(ComputationalFluid Dynamics)是利用控制方程對流體流動進行數值模擬，通過求解方程組得到流場內各個位置上的物理量的分布以及這些物理量隨時間的變化情況。

液態罐頭食品的熱殺菌通常涉及流體傳熱，用傳統方法難以得到罐頭內的任意時刻每一位置的溫度分布情況，對罐頭內冷點和最低殺菌強度判斷的準確度不足。而基于CFD方法對熱殺菌過程進行仿真模擬，能有效預測不同類型食品在該過程中溫度、速度、壓力、最慢加熱區及殺菌強度的變化。將仿真結果應用于優化幾何尺寸、熱處理溫度、處理時間等參數,在保證殺菌強度的同時，減少殺菌時間，提高產品風味和營養水平，節約能耗。精準的仿真模型可提高試驗的精準性和有效性，為設備的研發及最優控制方案的確定提供依據。

罐頭頂隙是指罐藏食品的表面或液面與罐頭容器上蓋間所留空隙，用以維持一定的真空度，平衡罐頭內外的壓力差，以免在熱殺菌過程中出現凸角、癟聽等外觀變形的情況。

目前應用CFD方法分析罐頭食品熱殺菌過程的實例較少，且大多忽略了頂隙對傳熱的影響，或不考慮頂隙處存在的液體的蒸發和冷凝現象，因而無法對殺菌過程中的壓力變化進行準確考量。忽略頂隙也會對溫度的預測產生偏差，并導致對最小殺菌值的計算不夠準確。

發明內容

本發明提供了一種基于CFD技術分析液態罐頭食品在不同熱殺菌工藝下，罐頭內溫度、壓力、熱致死率變化情況的模擬分析方法，以便優化相應罐頭食品的熱殺菌工藝。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是一種基于CFD技術分析液態罐頭食品熱殺菌過程的模擬分析方法，包括：

a.基于待分析的液態罐頭食品及待分析的熱殺菌過程，采集數據，簡化處理后，建立罐頭傳熱模型；

b.基于上述模型，確定控制方程、初始條件、邊界條件，剖分網格，導入到COMSOLMultiphysics軟件中，進行CFD求解；

c.基于CFD求解的結果進行相應后處理，分析熱殺菌過程。

進一步地，所述步驟a具體為：

采集的數據包括：罐頭內液態食品的密度、動力粘度、恒壓熱容、導熱系數、罐頭的幾何尺寸、罐頭內的液面高度、頂隙大小，以及熱殺菌工藝中殺菌溫度隨時間變化曲線；所述簡化處理為：罐體內液體和氣體近似為均勻對稱；罐壁厚度近似為均一；液體在罐內壁近似為無滑移；加熱過程中罐體近似為不發生形變；罐頭外壁處的溫度近似為殺菌溫度，罐內溶液及頂部氣體的界面為水分蒸發的濕表面。

所述罐頭傳熱模型為：基于罐頭的幾何尺寸、液面高度及頂隙大小建立的二維軸對稱模型。

進一步地，所述步驟b具體為：