爆炒烹饪的CFD数值模拟及功率测定研究

发布时间：2020-07-06 14:43

【摘要】：食品热处理过程中,含湿非饱和多孔介质传热传质过程的研究是一个涉及面广、难度大而又具有广泛工程应用价值的课题。热处理过程中,颗粒与加热介质通过对流换热获得能量,使颗粒表面温度迅速升高,进而使表面水分蒸发带走大量潜热,同时,在浓度梯度、温度梯度和压力梯度的驱动下,颗粒内部水分扩散至表面完成蒸发。整个过程高度复杂,涉及多相物质的热/质传递过程,各过程相互耦合且是非稳态。对于爆炒等非稳态特征显著及颗粒水分快速蒸发的热处理,传统分析手段如正交试验、响应面模型等,无法对热/质传递过程进行全局分析,难以获得颗粒的全局温度历史,而温度历史又是动力学计算和品质分析的依据,在热处理验证、工艺优化中起到基础性作用。因此,数值模拟技术是研究爆炒等食品热处理过程中热/质传递过程的必须手段。食品热处理数值模拟领域在大量研究者的不懈努力下取得了长足的发展、形成了众多研究成果,但长期未能解决有水分蒸发的颗粒热处理数值模拟问题。已构建的热/质传递数学模型,或忽略水分蒸发或忽略水分传质控制方程或忽略颗粒的多孔介质属性。本文在Datta于2007年构建的油炸过程热/质传递模型的基础上,基于多孔介质传递理论,构建了有颗粒表面水分蒸发的、多相的非饱和多孔介质热/质传递数学模型,模型包含5个二阶偏微分控制方程、5个初始条件、5个边界条件、26个附加方程及42个参数,并利用COMSOL Multiphysics 5.1多物理场有限元软件建立了求解方法,攻克了长期未能解决的带水分蒸发的颗粒热处理高准确度、全局的数值模拟问题。构建的热/质传递数学模型,是理论模型而非经验模型,具有普适性,经合理调整后可应用于其它食品热处理过程的分析研究。本文对中式烹饪的典型工艺-爆炒过程-进行热/质传递过程分析。考虑到爆炒过程的技术特征,采用油浴锅模拟烹饪爆炒过程,通过开启油泵使油脂与颗粒产生相对运动,开展颗粒温度采集和水分含量测定,获得过程参数。同时采用建立的模型对猪里脊肉爆炒过程进行数值模拟,得到了猪里脊肉颗粒的温度和水分含量分布,并分析了水分蒸发对颗粒温度分布的影响。采用LSTD法和相关系数法对模拟结果与试验结果进行比较,结果表面模拟值与试验值吻合,证明了模型的可靠性。同时,利用构建的数学模型和求解方法,初步分析了猪里脊肉颗粒传热学尺寸、物性参数和加热介质温度、搅拌强度对颗粒传热过程的影响。为研究爆炒过程搅拌频率、锅底到火源距离对食品体系吸热功率的影响,通过构建爆炒过程食品体系传热学控制方程,结合实验传热学手段,建立了分析测定爆炒过程食品体系吸热功率的方法。结果表明,搅拌频率相同时,食品体系吸热功率随锅底到火源距离增大而线性减小;锅底到火源距离相同时,食品体系吸热功率随搅拌频率增加而线性增大。同时,采用油脂替代法,研究葱爆五花肉、鱼香肉丝烹饪过程中食品体系吸热功率,其平均和峰值吸热功率分别为3.17 kW、2.93 kW以及5.32 kW、5.94 kW。误差分析表明,油脂替代法研究实际爆炒过程食品体系吸热功率具有工程价值。
【学位授予单位】：贵州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TS972.11
【图文】：

优化数学模型

参数 z 值和颗粒的温度时间关系是上述动力学函数计算 z 值有成熟的、可靠的测定方法。由于中式烹饪原料种。文献[20, 21]也积累了较多的数据，如在油炒过程中菠分别为 55 ℃、30 ℃和 33 ℃。因此，颗粒的温度历的关键。构建了典型中式烹饪工艺的化优数学模型：以终点成过热值最小为目标函数；以热/质传递数学模型为控制件为优化变量，见图 1-1。显然，求解控制方程从而获型计算的基础。析可知，获得颗粒的温度-时间历史是研究火候对烹饪数计算、烹饪优化数学模型分析的关键所在。

变化曲线,中心点,温度变化曲线,物料

2017 届贵州大学硕士研究生学位论文和质量控制方程，将扩散系数设置为温度的函数，使能程相互耦合。在文献[25]的结果与讨论中，给出了加热中心点的温度-时间变化曲线，在加热前半段温度与试段试验温度明显低于模拟温度，见图 1-2。出现模拟结原因在于忽略了水分蒸发带走的热量。

研究体系,质传递

质的属性；（4）基于多孔介质传传递数学模型，至此模型的完整不吻合。可以看出，解决多孔介重要奋斗目标，也是热处理领杂性，导致模拟热/质传递过程质传递数学模型，这是一个不可多孔介质传递理论深入研究烹热/质传递过程的迫切性术特征，文献[44]建立了中式烹、反应动力学、热处理验证和饪研究体系的关键基础。

【相似文献】