[发明专利]一种基于CFD的液态罐头食品热杀菌过程的模拟分析方法

说明书

本发明公开了一种基于CFD的液态罐头食品热杀菌过程的模拟分析方法，该方法包括：采集数据，简化处理后，建立罐头传热模型；基于模型，确定控制方程、初始条件、边界条件，剖分网格，导入到COMSOL Multiphysics软件中，进行CFD求解；基于CFD求解的结果进行相应后处理，分析热杀菌过程。通过本发明，能给出待研究热杀菌过程中液态罐头食品任意时刻任意位置的流体流动速度、温度、压力、湿度等物理量的变化情况，更精准地分析热杀菌过程中的物理场变化及热杀菌效果。本发明适用于不同罐形大小及不同内容物的液态罐头食品，有助于在热渗透测试进行前准确寻找冷点位置，确定最短杀菌时间，最终实现对杀菌工艺的优化。

技术领域

本发明涉及食品加工领域，尤其涉及一种基于CFD的液态罐头食品热杀菌过程的模拟分析方法

背景技术

罐头食品因其良好的密封性和杀菌措施，被广泛运用于食品工业中。热力杀菌因其有效性及方便性，是食品加工中最常用的杀菌手段。计算流体力学CFD(ComputationalFluid Dynamics)是利用控制方程对流体流动进行数值模拟，通过求解方程组得到流场内各个位置上的物理量的分布以及这些物理量随时间的变化情况。

液态罐头食品的热杀菌通常涉及流体传热，用传统方法难以得到罐头内的任意时刻每一位置的温度分布情况，对罐头内冷点和最低杀菌强度判断的准确度不足。而基于CFD方法对热杀菌过程进行仿真模拟，能有效预测不同类型食品在该过程中温度、速度、压力、最慢加热区及杀菌强度的变化。将仿真结果应用于优化几何尺寸、热处理温度、处理时间等参数,在保证杀菌强度的同时，减少杀菌时间，提高产品风味和营养水平，节约能耗。精准的仿真模型可提高试验的精准性和有效性，为设备的研发及最优控制方案的确定提供依据。

罐头顶隙是指罐藏食品的表面或液面与罐头容器上盖间所留空隙，用以维持一定的真空度，平衡罐头内外的压力差，以免在热杀菌过程中出现凸角、瘪听等外观变形的情况。

目前应用CFD方法分析罐头食品热杀菌过程的实例较少，且大多忽略了顶隙对传热的影响，或不考虑顶隙处存在的液体的蒸发和冷凝现象，因而无法对杀菌过程中的压力变化进行准确考量。忽略顶隙也会对温度的预测产生偏差，并导致对最小杀菌值的计算不够准确。

发明内容

本发明提供了一种基于CFD技术分析液态罐头食品在不同热杀菌工艺下，罐头内温度、压力、热致死率变化情况的模拟分析方法，以便优化相应罐头食品的热杀菌工艺。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种基于CFD技术分析液态罐头食品热杀菌过程的模拟分析方法，包括：

a.基于待分析的液态罐头食品及待分析的热杀菌过程，采集数据，简化处理后，建立罐头传热模型；

b.基于上述模型，确定控制方程、初始条件、边界条件，剖分网格，导入到COMSOLMultiphysics软件中，进行CFD求解；

c.基于CFD求解的结果进行相应后处理，分析热杀菌过程。

进一步地，所述步骤a具体为：

采集的数据包括：罐头内液态食品的密度、动力粘度、恒压热容、导热系数、罐头的几何尺寸、罐头内的液面高度、顶隙大小，以及热杀菌工艺中杀菌温度随时间变化曲线；所述简化处理为：罐体内液体和气体近似为均匀对称；罐壁厚度近似为均一；液体在罐内壁近似为无滑移；加热过程中罐体近似为不发生形变；罐头外壁处的温度近似为杀菌温度，罐内溶液及顶部气体的界面为水分蒸发的湿表面。

所述罐头传热模型为：基于罐头的几何尺寸、液面高度及顶隙大小建立的二维轴对称模型。

进一步地，所述步骤b具体为：