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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  文章来源:笔耕文化传播
【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。
[Abstract]:......
【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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10 赵Z

本文编号:2408084


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