土豆冻结过程中相变界面的模拟及实验研究

发布时间：2019-01-12 18:45

【摘要】：本文选择新鲜土豆为研究对象，采用数值模拟与实验相结合的方法，以冻结过程中土豆的温度分布及其相变界面的移动规律为考察指标，结合实验测得土豆30~-40℃范围内的导热系数和比热容拟合的多项式分析冷却空气的风速、温度等影响因素对相变界面移动的影响。实现对植物材料冻结过程的优化与控制，为冻结技术在植物材料冻结中的应用和工艺优化提供依据。本文的主要研究内容有： 1．土豆的热物性的测定实验：包括土豆的冻结点，冻结前后的密度，含水量，30~-40℃范围内随温度变化的比热容、导热系数等，并拟合多项式。 2．土豆冻结的数值模型：结合热物性测定的实验结果及其拟合所得多项式，采用COMSOL软件数值模拟，计算土豆任意时刻变物性条件下的温度分布和及其相变界面的位置。 3．土豆冻结实验：测定不同尺寸的土豆，在不同的冻结方式，不同的冻结速度下，指定点的温度变化曲线，以及冻结过程中相变界面的位置和土豆中的温度分布。 4．模拟与实验结果对比，找出误差原因，分析相变界面的移动规律。数值模拟研究发现： 1．相变界面在向中心的移动过程中速度逐渐增大。 2．强制对流换热时，在冻结过程中土豆的热中心逐渐向土豆几何中心下方偏移。冷却空气温度为-40℃时，风速从1m/s依次增大到2m/s、4m/s和8m/s，相变界面从最外侧移动到中心时间依次减少约700s、300s和400s。 3．自然对流条件下，在冻结过程中土豆的热中心逐渐偏移土豆的几何中心向上移动。冷却空气温度从-25℃依次降低到-30℃、-35℃和-45℃，相变界面从最外侧移动到中心时间依次减少约2000s、1300s和800s。实验研究发现： 1．根据实验结果将土豆的导热系数分为30~-2℃、-2~-6℃和-6~-40℃三段分别拟合多项式，将土豆的比热容分为30~0℃、0~-10℃和-10~-40℃三段分别拟合多项式，多项式的计算结果与实验结果非常接近。 2.冷风机电源频率f=0Hz时，下侧相变界面的平均移动速率最快。初始阶段，上侧相变界面的平均移动速率略快于两侧，随着冻结的进行，逐渐受到下侧换热的影响，两侧相变界面的平均移动速率逐渐超越上侧。 3.冷风机电源频率f=50Hz时，上侧相变界面的平均移动速率最快，下侧相变界面的平均移动速率最慢。 4．土豆与-48℃的冷空气进行自然对流换热时，在模拟中代入随温度变化的导热系数、比热与模拟中冻结前后热物性取定值的结果非常接近，可认为两者近似相等。当冷风机电源频率f=50Hz时，在模拟中使用随温度变化的热物性与实验结果更加接近。 5．土豆边长a=4cm，，冷风机电源频率f=50Hz时，在整个冻结过程中土豆内部的温度梯度最小；a=5cm，f=0Hz时，在整个冻结过程中土豆内部的温度梯度最大。综上可知： 1．土豆与环境的换热越快，常热物性的模拟结果与实验结果相差越大，代入随温度变化的热物性的模拟优势越明显。 2．相变界面在向中心的移动过程中速度逐渐增大。 3．冷却空气的风速越大，相变界面移动速率越快。但随着风速的增大，相变界面移动速率增大的幅度逐渐减小。 4．土豆与冷空气自然对流换热时，空气温度越低，相变界面移动速率越快。空气温度较高时，降低空气温度能大幅度提高相变界面的移动速率。但随着空气温度的降低，相变界面移动速率的增幅逐渐减小。 5．初始温度为20℃的土豆在-40℃的空气中自然冷却时，土豆尺寸不大于3.1cm时可认为任意时刻土豆中的温度分布均匀，可使用集中参数法计算土豆的温度。 6．初始温度为20℃的土豆与-40℃的空气强制对流换热时，当风速u与土豆的长度尺寸a（不大于3.1cm）满足关系ua≤7.167×10-3m2/s时可认为任意时刻土豆中的温度分布是均匀的。通过计算可得当a分别为3cm、2cm和1cm时风速依次不超过0.239m/s、0.358m/s和0.717m/s时可使用集中参数法计算土豆温度。
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【学位授予单位】：天津商业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TB611

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