两种冻结装置内食品冻结时间的数值模拟与实验研究

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1、学校代码：10264研究生学号：M150202347上海海洋大学硕士学位论文两种冻结装置内食品冻结时间的数值模拟与实验研题目：究英文题目：NumericalSimulationandExperimentalValidationofFoodFreezingTimeinTwoKindsofFreezer专业：制冷及低温工程研究方向：食品冷冻姓名：唐婉指导教师：谢晶教授二O一八年六月上海海洋大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何

2、其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日上海海洋大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权上海海洋大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密▉，在年解密后适用本版权书。本学位论文属于不保密□学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日上

3、海海洋大学硕士学位论文姓名工作单位职称备注李云飞上海交通大学教授刘宝林上海理工大学教授陶乐仁上海理工大学教授答辩地点A210答辩日期2018年5月21答辩委员会成员名单上海海洋大学硕士学位论文两种冻结装置内食品冻结时间的数值模拟与实验研究摘要速冻是重要的食品保鲜技术之一，符合当代人们对绿色、方便、保健的三大要求，而速冻食品的品质与速冻设备的性能密切相关。近年来随着速冻食品需求量的增加，国内越来越重视耗能较大的速冻设备的研究和优化。但与国外同类设备在性能指标、结构设计以及智能化方面存在差距。因此，如何优化设计速冻设备，降低能耗已成为科学研究工作者的目标。冻结时间作为评价

4、和衡量冻结设备性能以及食品品质的一个重要指标，如何准确计算和预测食品冻结时间具有重要意义。目前计算食品冻结时间的方法主要是经验公式法、实验法以及数值模拟法。传统的实验法需要耗费大量的时间、耗材、而且受实验条件等限制，获取数据量有限；经验公式法也是基于大量的实验的基础上，且受计算模型几何尺寸、形状等限制；而数值模拟法依靠计算机强大的处理功能很好的解决了以上问题，能用较低的成本模拟复杂的传热传质以及流体运动等问题。本文在大量查阅了数值模拟在食品冻结领域的中英文文献的基础上，建立简单的食品冻结模型，用数值模拟法预测食品冻结过程及食品冻结时间，并通过实验验证，确定模拟的方法和

5、思路，然后进一步研究冲击式冻结设备中食品冻结的过程，具体研究内容与结论如下：（1）以冰箱冻结牛肉为研究对象，建立描述三维食品冻结过程的微分方程，然后用计算流体力学（CFD）数值模拟技术对该冻结过程进行模拟，并通过数值模拟得出冻结时间的模拟值；同时进行了实验验证，各测点（T1、T2、T3、T4、T5）模拟计算的冻结时间与实验冻结时间的误差分别为5.45%，3.90%，5.80%，4.24%，9.60%，各点实时温度的模拟平均误差是1.79℃。结果表明，数值模拟能较好地预测牛肉的冻结时间，在冰箱冷冻室内部的空气温度为-29℃，底部蒸发盘管的温度为-30.4℃，牛肉的冻结时

6、间为18060s。（2）以冰箱冻结虾仁为研究对象，通过实验测量和公式计算法获得虾仁的含水率、比热容、导热系数、密度相变潜热等参数，采用有限差元法对不规则虾仁建模，分析了虾仁在冰箱冷冻室内不同位置的冷冻效果，分别预测了虾仁对称I上海海洋大学硕士学位论文截面距冰箱冷冻层底部15mm、50mm、100mm处的冻结时间。整体来看，随着虾仁距冰箱冷冻室底部蒸发盘管距离的增加，冻结时间逐渐增加。（3）以虾仁为研究对象，首先利用ANSYS模拟软件对上下冲击式速冻设备冻结虾仁的过程进行三维模拟计算，并进行实验验证，结果表明：实验证明冻结时间差异为3.85％，冻结时间的最大温差为3.5

7、℃。进一步对比分析了上下冲击式速冻设备与一般冰箱冻结虾仁的冻结时间，结果表明：冲击式冻结设备的冻结时间远远低于一般的冰箱冻结装置，尤其表现在相变阶段，冰箱冻结时间约为冲击式冻结时间的9.5倍。（4）以虾仁为研究对象，进一步研究影响其他因素（风温、风速以及孔板到冲击网带的距离）对虾仁冻结时间和冻结过程的影响。结果表明：随着风温的降低，虾仁的冻结时间逐渐缩短，但是随着风温越低，系统能耗增高，同时风温较高时，相变阶段和相变后的冻结时间较长，综合考虑以上因素，结合模拟结果，风温度以-29～-39℃为宜；随着风速的增加，虾仁冻结时间逐渐缩短，但是随着风速的增加