【摘要】：本文選擇新鮮土豆為研究對象，采用數(shù)值模擬與實驗相結(jié)合的方法，以凍結(jié)過程中土豆的溫度分布及其相變界面的移動規(guī)律為考察指標(biāo)，結(jié)合實驗測得土豆30~-40℃范圍內(nèi)的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容擬合的多項式分析冷卻空氣的風(fēng)速、溫度等影響因素對相變界面移動的影響。實現(xiàn)對植物材料凍結(jié)過程的優(yōu)化與控制，為凍結(jié)技術(shù)在植物材料凍結(jié)中的應(yīng)用和工藝優(yōu)化提供依據(jù)。 本文的主要研究內(nèi)容有： 1．土豆的熱物性的測定實驗：包括土豆的凍結(jié)點，凍結(jié)前后的密度，含水量，30~-40℃范圍內(nèi)隨溫度變化的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等，并擬合多項式。 2．土豆凍結(jié)的數(shù)值模型：結(jié)合熱物性測定的實驗結(jié)果及其擬合所得多項式，采用COMSOL軟件數(shù)值模擬，計算土豆任意時刻變物性條件下的溫度分布和及其相變界面的位置。 3．土豆凍結(jié)實驗：測定不同尺寸的土豆，在不同的凍結(jié)方式，不同的凍結(jié)速度下，指定點的溫度變化曲線，以及凍結(jié)過程中相變界面的位置和土豆中的溫度分布。 4．模擬與實驗結(jié)果對比，找出誤差原因，分析相變界面的移動規(guī)律。數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)： 1．相變界面在向中心的移動過程中速度逐漸增大。 2．強(qiáng)制對流換熱時，在凍結(jié)過程中土豆的熱中心逐漸向土豆幾何中心下方偏移。冷卻空氣溫度為-40℃時，風(fēng)速從1m/s依次增大到2m/s、4m/s和8m/s，相變界面從最外側(cè)移動到中心時間依次減少約700s、300s和400s。 3．自然對流條件下，在凍結(jié)過程中土豆的熱中心逐漸偏移土豆的幾何中心向上移動。冷卻空氣溫度從-25℃依次降低到-30℃、-35℃和-45℃，相變界面從最外側(cè)移動到中心時間依次減少約2000s、1300s和800s。 實驗研究發(fā)現(xiàn)： 1．根據(jù)實驗結(jié)果將土豆的導(dǎo)熱系數(shù)分為30~-2℃、-2~-6℃和-6~-40℃三段分別擬合多項式，將土豆的比熱容分為30~0℃、0~-10℃和-10~-40℃三段分別擬合多項式，多項式的計算結(jié)果與實驗結(jié)果非常接近。 2.冷風(fēng)機(jī)電源頻率f=0Hz時，下側(cè)相變界面的平均移動速率最快。初始階段，上側(cè)相變界面的平均移動速率略快于兩側(cè)，隨著凍結(jié)的進(jìn)行，逐漸受到下側(cè)換熱的影響，兩側(cè)相變界面的平均移動速率逐漸超越上側(cè)。 3.冷風(fēng)機(jī)電源頻率f=50Hz時，上側(cè)相變界面的平均移動速率最快，下側(cè)相變界面的平均移動速率最慢。 4．土豆與-48℃的冷空氣進(jìn)行自然對流換熱時，在模擬中代入隨溫度變化的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱與模擬中凍結(jié)前后熱物性取定值的結(jié)果非常接近，可認(rèn)為兩者近似相等。當(dāng)冷風(fēng)機(jī)電源頻率f=50Hz時，在模擬中使用隨溫度變化的熱物性與實驗結(jié)果更加接近。 5．土豆邊長a=4cm，，冷風(fēng)機(jī)電源頻率f=50Hz時，在整個凍結(jié)過程中土豆內(nèi)部的溫度梯度最��；a=5cm，f=0Hz時，在整個凍結(jié)過程中土豆內(nèi)部的溫度梯度最大。 綜上可知： 1．土豆與環(huán)境的換熱越快，常熱物性的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果相差越大，代入隨溫度變化的熱物性的模擬優(yōu)勢越明顯。 2．相變界面在向中心的移動過程中速度逐漸增大。 3．冷卻空氣的風(fēng)速越大，相變界面移動速率越快。但隨著風(fēng)速的增大，相變界面移動速率增大的幅度逐漸減小。 4．土豆與冷空氣自然對流換熱時，空氣溫度越低，相變界面移動速率越快�？諝鉁囟容^高時，降低空氣溫度能大幅度提高相變界面的移動速率。但隨著空氣溫度的降低，相變界面移動速率的增幅逐漸減小。 5．初始溫度為20℃的土豆在-40℃的空氣中自然冷卻時，土豆尺寸不大于3.1cm時可認(rèn)為任意時刻土豆中的溫度分布均勻，可使用集中參數(shù)法計算土豆的溫度。 6．初始溫度為20℃的土豆與-40℃的空氣強(qiáng)制對流換熱時，當(dāng)風(fēng)速u與土豆的長度尺寸a（不大于3.1cm）滿足關(guān)系ua≤7.167×10-3m2/s時可認(rèn)為任意時刻土豆中的溫度分布是均勻的。通過計算可得當(dāng)a分別為3cm、2cm和1cm時風(fēng)速依次不超過0.239m/s、0.358m/s和0.717m/s時可使用集中參數(shù)法計算土豆溫度。
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【學(xué)位授予單位】：天津商業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TB611

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本文編號：2408084