借助传递与固体力学耦合模型做出更美味的爆米花

Edmund Dickinson | 2013年 11月 20日

在 COMSOL 工作期间,传热所能涉及的领域广度一直是我的兴趣所在。研究人员常常使用 COMSOL Multiphysics 进行食品制造中的传热研究,远非局限于钢锭和 CPU 风扇方面的研究。对爆米花生产过程中热力学效应的研究便是一个很好的例子,这个案例曾在 COMSOL 用户年会 2013 波士顿站上做过演示。

食品加工过程中的物理场

康奈尔大学的研究员 Tushar Gulati 和小组负责人 Ashim Datta 教授专门研究物理方法的应用(例如使用 COMSOL Multiphysics 的仿真功能),来解决食品科学领域的各种问题。正确的食物烹饪方法——如果希望总能制作出高品质的食品—要求了解正确的热含量和水含量,并能适当地加以控制。

当我们在厨房里试着提高烹饪质量时,通常会不断地试错来进行摸索—煮的时间稍长一点,火的温度调低一些,然后品尝一下,看看是否比上一次的味道更好。然而,这种方式对工业化食品加工来说却并非是有效途径。我们希望建立正确的烹饪条件以加工出一贯的高品质食品,但为此而设置大量的产品批次可能会花费高额成本或非常耗时。

Rice grain 借助传递与固体力学耦合模型做出更美味的爆米花
米粒。图像由 T. Gulati 和 A. Datta 提供,来源于他们提交的海报

因此,工业化食品加工设计依赖于工程原理,包括仿真在内的计算机辅助工程。食品的计算建模有助于更好地理解用于控制烹饪的物理和化学过程,并允许以低成本快速测试不同的条件。工程师可以根据模型结果来预测爆米花加工过程中质量控制的最佳条件。

爆米花加工问题

Gulati 和 Datta 考虑了爆米花预加工过程中所涉及的现象,对潮湿的蒸谷米快速加热时会导致水分蒸发。米粒的多孔结构中充满水蒸汽,使得米粒在蒸汽泄露之前加压并开始膨胀,从而产生我们熟悉的“膨化”效果。

正如康奈尔大学团队在他们的海报中阐述的那样,每粒米的增长范围(“体积膨胀”)是爆米花产品的一个主要质量指标。因此,他们试图根据烹饪条件和米粒本身的属性来预测体积膨胀。

将热和质量传递与固体力学耦合以分析大米膨化

要在一个模型中考虑所有的物理效应,COMSOL Multiphysics 的多物理场功能已被证明是最理想的选择。单个用户界面可用于耦合米粒膨化过程中涉及的所有物理效应,即便它们来自传统意义上独立的物理领域。预测模型必须包含许多不同的效应:米粒中通过传导和对流进行的热传递;米粒孔隙内的水分蒸发及水分和水蒸汽的输运;以及由作用在固体结构上的压力导致的米粒永久(塑性)形变。

通过考虑上述所有效应,可以对大米膨化过程进行高保真度建模,而实际仿真过程中所进行的近似也会更少。结果表明,越轻、越多孔的米粒使得蒸发越快,而这又反过来增加米粒的内部压力,造成更大的膨胀体积,从而生产出品质更高的爆米花。

Coupling transport and solid mechanics to analyze puffing rice 借助传递与固体力学耦合模型做出更美味的爆米花
该仿真描述蒸发、体积膨胀和塑性变形产生的气压量。图像由 T. Gulati 和 A. Datta 提供,来源于他们提交的海报

Gulati 和 Datta 如何得知他们的模型是否真能起到作用呢?正如他们在摘要中阐述的那样,他们使用高速摄影确认过,模型正确地预测了米粒的形变和体积膨胀。爆米花的含水量测量结果同样与模型相吻合。此次验证过程是通过测试条件下的试验来进行的,结果表明,对于爆米花加工问题中的物理场而言,物理模型是非常适用且准确的预测工具。

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