afd质热耦合传递数值模拟及试验研究

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1、分类号UDC密级编号硕士学位论文AFD质热耦合传递数值模拟及试验研究NumericalandExperimentalInvestigationofMassandHeatTransferduringAtmosphericFreezeDrying学位申请人：张伟指导教师：任广跃教授一级学科：食品科学与工程二级学科：农产品加工及贮藏工程学位类别：工学硕士2016年05月万方数据独创性声明本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下完成的研究工作及取得的研究成果。据我所知，文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河南科技大学或

2、其它教育机构的其他学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：日期：关于论文使用授权的说明本人完全了解河南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校拥有对所有学位论文的复制权、传播权、汇编权及其它使用权（特殊情况需要保密的论文应提前说明，但在解密后应遵守此规定）。需要保密的论文请填写：本学位论文在年月至年月期间需要保密，解密后适用本授权书。（需要保密的学位论文无须向图书馆提供论文的电子文档）研究生签名：导师签名：日期：万方数据摘要摘要干燥作为传统加工的单元操作之一，能够有效地延长产品货架期

3、，保持产品品质，但干燥处理过程能耗较大。真空冷冻干燥被外界认为是干制品营养价值保留最高，外形收缩褐变率最低的加工方法，由于这种干燥需要加入真空泵等设备以维持真空环境，并且需要提供-40℃的低温环境，所产生的能耗和成本较高，因而主要运用于产品质量要求较高的物料中，不适用于工业化推广应用。常压冷冻干燥因兼有高效节能和产品品质高的特点，一直是国内外相关学者研究的热点。然而，在常压下进行冷冻干燥常常存在升华速率低，冰晶易融化的缺点，极大的限制了该干燥技术的发展。常压冷冻干燥过程的研究非常复杂，目前主要集中在物料质热传递过程及其影响因素中，深入研究该过程显得十分困难。计算流体

4、力学作为解决复杂流体流动问题的重要工具，对丰富和完善物料干燥的质热耦合传递理论很有必要。因此，结合计算流体力学探索多种除湿模式以克服上述不足显得尤为必要。论文采用基于涡流管制冷的常压冷冻干燥技术和计算流体力学的原理，对苹果片干燥过程进行数值模拟，主要研究内容如下：1.理论研究本文在常压冷冻干燥的基本原理以及多孔介质各参数的基础上，根据干燥仓内流体流动和多孔湿物料干燥过程中物理量的变化情况，运用计算流体力学的原理，在连续性方程、动量方程和能量守恒偏微分方程组的基础上，建立了二维非稳态流场和多孔介质区域的控制方程，从而为研究常压冷冻干燥过程中物料质热传递及干燥仓内物理场

5、变化奠定理论基础。2.数值模拟将研究物料看作是均匀同向性的冷冻多孔介质，利用ANSYSICEMCFD软件对常压冷冻干燥工况建立二维几何模型并对其进行网格划分，调用软件中的多孔介质模型和多相流模型，通过有限体积法迭代求解不同入口空气风速（分别为1.5m/s、2.5m/s、3.5m/s）以及辐射温度（分别为283.15K、288.15K、293.15K）下冷冻物料内部水分比及中心温度随时间的变化，分析得出最佳组合参数。研究最佳干燥条件下不同干燥时刻的速度场、温度场、压力场以及多孔介质干区迁移界面变化规律。3.试验验证采用数值模拟分析得出的最优参数组合进行试验验证。论文选

6、取冷冻苹果片（冷冻温度253.15K）为研究对象，试验参数设置为最佳参数组合状态，即：入口风速为2.5m/s，入口温度为263.15K，辐射温度为283.15K。在该试验条件下做3次平行试验取平均值，绘制出物料水分比和内部中心温度随时间变化的曲线图。通过物料内部含水量变化和中心温度的变化对模型进行验I万方数据摘要证，结果表明试验值与模拟值吻合较好，所建模型适用于多孔介质的冷冻干燥。关键词：多孔介质；常压冷冻干燥；传质传热；数值模拟论文类型：应用基础研究选题来源：国家自然科学基金面上项目（31271972）II万方数据ABSTRACTABSTRACTDrying,as

7、oneoftheuniteoperationsofconventionalprocessing,cangreatlyextendproduct’sshelflife,maintainproductquality,whileitisalsothebiggestenergyconsumptionprocess.Atmosphericfreezedryinghasdualcharacteristicofsavingenergyconsumptionandholdingproductquality.Ithasbecomethehotspotofthedomestican