火腿鼓风冷却过程的三维数值模拟

常志娟，张培旗

（郑州轻工业学院食品与生物工程学院，河南郑州 450002)

火腿鼓风冷却过程的三维数值模拟

常志娟，张培旗

（郑州轻工业学院食品与生物工程学院，河南郑州 450002)

食品的冻结速率是影响冷冻食品质量的主要因素之一。近年来数值模拟在食品冷却过程中得到了广泛的应用。本文应用有限容积法对火腿鼓风冷却过程进行数值模拟，研究了火腿冷却到指定温度3℃时的时间，并将计算结果与实验结果进行比较分析。结果表明：在外界空气温度为1℃时，大约需要12h左右，火腿的中心温度可以达到指定的冷却温度，且数值模拟的结果与实验结果符合得很好。这说明数值模拟能有效地预测食品冷却过程。

火腿，风冷，冷却时间，传热，数值模拟

食品的冷冻冷藏可以延长贮藏时间，保证食品的品质和安全。先前对食品冷冻冷藏过程主要集中于实验研究，近年来，随着食品工业的不断发展，计算流体动力学（Computational fluid dynamics，CFD)在食品加工过程的传热传质研究中得到了广泛的应用[1-5];相比实验研究，数值模拟能更为详细地获得食品加工过程中的传热传质特征，这对提高食品品质有一定的指导意义。早在1983年Naveh等[6]应用有限元方法研究食品加工过程的传热问题。在对熟火腿冷冻过程的研究中，Sun和Hu[7-8]对熟火腿在吹风冷却过程的传热传质进行模拟，对冷却速率和质量损失的研究结果表明：计算结果与实验结果有较好的一致性。Sun和Hu[9]用CFX软件对熟火腿的真空冷却过程进行了数值研究。通过对核心温度和质量损失对比来看，数值模拟与实验结果符合得很好。Wang和Sun[10]等应用有限元方法对不同条件下的熟火腿的冷却过程进行三维数值模拟。国内学者也在计算流体力学在食品传热传质的研究中做出了很好的贡献[11-14]。本文应用有限容积法对火腿冷却过程进行三维数值模拟，研究冷却过程中的温度变化过程，并对冷却时间进行预测。

1 物理问题数学模型

1.1 物理模型

为了计算的方便，我们选取了一个立方体的火腿作为研究对象，由于对称性，只选取1/8区域作为计算区域，计算模型如图1所示。

图1 物理模型Fig.1 Physical model

1.2 数学模型及边界条件

本文的物理模型以文献[15]中的实验火腿为研究对象，三维均匀介质非稳态的导热方程及边界条件如下：

在计算区域的表面上，要同时考虑由于表面的辐射换热、对流换热和由于水分蒸发带走的潜热，因此它是一个复合换热边界条件，其边界条件定义如下：

其中：Tsf是火腿表面温度;Ta是冷却流体温度;qib为食品蒸发过程中由于质量损失而带走的热流，计算方法如下：

其中：ht为复合热系数;Ky是传质系数;aw是水分活度，取0. 75;Psf为表面温度上饱和水蒸气压力;Pa为冷却空气温度下饱和水蒸气压力;RH为相对湿度。食品冷却过程中是一个典型的复合换热方式，传质系数用刘易斯关系式计算如下：

计算采用有限容积法全隐格式进行计算，划分网格为21×21×21。

2 结果与讨论

为了便于比较，本文应用文献[15]所测到的温度作为初始温度，文献中分别在中心点、长宽高各一半的位置处及表面布置了五个测温热电偶。在计算过程中用这五点温度插值全场的温度场作为初始计算的温度场。

图2 中心点的温度随时间的变化关系Fig.2 Changes relationship between temperature of center point along with time

图2给出了计算结果与实验结果的比较图，从图2中可以看出，计算所得的中心温度与实验结果符合得很好。随着冷却时间的增加，中心点的温度先增加后降低，这是因为在制作火腿过程中，中心的温度比表面的温度低，因此在冷却的初期其外部的热量向内部传递，造成冷却初期食品的温度有所增加，进而随着冷却时间的增加中心点的温度逐渐降低，大约12h左右中心温度冷却到3℃。

图3 H点的温度随时间变化关系Fig.3 Changes relationship between temperature of H point along with time

图4 L点的温度随时间的变化关系Fig.4 Changes relationship between temperature of L point along with time

图5W点的温度随时间变化关系Fig.5 Changes relationship between temperature of W point along with time

图6 表面温度随时间的变化关系Fig.6 Changes relationship between surface temperature along with time

图3～图6分别给出了计算区域高度方向的中心点（H)、长度方向的中心点（L)、宽度方向的中心点（W)和上表面中心点的温度随着冷却时间的变化关系，从上述图中可以看出有限容积法计算的结果与精确解符合度较高。

3 结论

本文应用有限容积法对火腿鼓风冷却过程进行三维数值模拟，应用实验测得的几个中心点温度作为基础，对初始的温度场应用插值方法获得。计算结果表明：模拟结果与实验测点的结果之间符合度较好，大约需要12h左右火腿中心点温度可以达到所需的温度，因此，该数值模拟的结果对火腿冷却过程优化具有一定的理论指导。

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Three-dimensional numerical simulation for air-blast cooling process of ham

CHANG Zhi-juan，ZHANG Pei-qi
（School of Food and Bioengineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou 450002，China)

The freezing rate of food is one of main influencing factors to the quality of frozen food.In recent years，numerical simulation has been applied widely in heat and mass transfer of food freezing and cold storage process.The air-blast cooling process of ham was simulated using finite volume method（FVM).Freezing rate was investigated under the given food frozen temperature for 3℃.Simultaneously，the computational results were compared with those of experimental results.The investigated results showed that the central temperature of ham might reach the given frozen temperature in 12h with specific temperature for 1℃.The computational results had good agreement with the experimental results.So these results illustrated that numerical simulation could efficiently predict the proceeding of food cooling.

ham;air cooling;cooling time;heat transfer;numerical simulation

TS205.7

A

1002-0306（2012)07-0052-03

2011－06－15

常志娟（1979-)，女，硕士，讲师，主要从事食品冷冻冷藏及功能性食品开发等方面的研究。

国家自然科学基金（21076200);河南省教育厅攻关项目（2011A470013);郑州市科技创新团队项目（10CXTD151)。