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马铃薯热风干燥过程中物性变化的数值模拟及可视化研究

作　者: 江晓
导　师: 毛伟杰
学　校: 广东海洋大学
专　业: 食品加工与安全
关键词: 马铃薯热风干燥数值模拟可视化有限元法 Fortran Femap
分类号: S532
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

马铃薯干制品因其营养丰富、体积小、重量轻便于运输,携带和贮藏方便,越来越受到人们的欢迎。热风干燥方法具有设备投入资金少、操作简单、易于控制的特点,是用于马铃薯干燥加工的主要方法。但是马铃薯在热风干燥过程中会发生干缩、干裂、表面硬化、多孔性等物理变化,在一定程度上会降低马铃薯干制品的物性品质,满足不了人们的需求。所以为了提高马铃薯干制品的物性品质,就需要对热风干燥过程进行研究,掌握马铃薯的热风干燥特性。但是传统的实验手段既耗材耗时,又无法实现对干燥过程的预测和监控,所以能快速、直观、准确地预测食品热风干燥规律的数值模拟和可视化研究方法应运而生。本课题以马铃薯为实验材料,以热风干燥过程中马铃薯的温度、水分及收缩和变形作为指标,研究在干燥过程中马铃薯内部的传热、传质、收缩和形变过程,利用三维非稳态热传导和水分扩散方程以及应力、应变理论建立基础方程,并利用Galerkin有限元法进行推导后用计算机编程语言Fortran对其编程计算,建立干燥过程中的马铃薯的温度分布和水分分布及应力应变关系的数学模型,模拟干燥过程中物料的品质随时间的变化,明确各干燥条件对物料品质的影响,并利用实验数据验证数值模拟结果的正确性。最后,利用Femap软件的可视化功能,以动态直观的表现方法模拟马铃薯的干燥过程。主要结果如下:1)建立了马铃薯热风干燥过程中的传热传质模型和收缩模型,模拟了干燥过程中马铃薯温度、水分及体积和方向收缩的变化。2)经实验结果的验证,模拟值与实验值基本一致,证明本课题建立的模型是正确和可靠的。3)利用Femap软件实现了马铃薯热风干燥过程物性变化的可视化研究。4)在研究马铃薯的收缩时未考虑到形变的因素,今后工作将是弥补这一不足。通过对马铃薯热风干燥物性变化的数值模拟和可视化研究,既可以直观、准确地了解热风干燥过程和掌握热风干燥规律;又可以根据预测结果改变调整干燥条件,达到优化热风干燥工艺的目的。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-11
1 前言  11-17
  1.1 研究背景  11-13
    1.1.1 马铃薯生产加工概况  11
    1.1.2 食品热风干燥机制  11-12
    1.1.3 数值模拟和可视化方法简介  12-13
  1.2 国内外研究现状及发展动态  13-15
    1.2.1 在食品干燥过程中传热传质的数值模拟  13
    1.2.2 在食品干燥过程中收缩形变的数值模拟  13-14
    1.2.3 可视化技术在食品干燥过程中应用的研究进展  14-15
  1.3 研究内容和意义  15-17
    1.3.1 研究内容  15
    1.3.2 研究意义  15-17
2 马铃薯热风干燥过程中传热传质的数值模拟及可视化研究  17-51
  2.1 马铃薯有限元模型的建立  17-22
    2.1.1 马铃薯几何模型的建立  17-18
    2.1.2 马铃薯几何模型的网格划分  18-20
    2.1.3 实体模型图像信息到数据信息的转换  20-22
  2.2 马铃薯热风干燥过程传热传质数学模型的计算  22-30
    2.2.1 理论解析热传导方程和水分扩散方程  22-26
    2.2.2 热风干燥过程马铃薯的热物性值和参数  26-29
    2.2.3 马铃薯热风干燥过程传热传质数学模型的计算过程  29-30
  2.3 马铃薯热风干燥过程中传热传质的实验研究  30-33
    2.3.1 实验材料和仪器设备  31
    2.3.2 实验方法  31-33
  2.4 模拟结果与实验数据的对比验证  33-40
  2.5 马铃薯热风干燥过程中传热传质的可视化研究  40-51
    2.5.1 温度的可视化输出  41-46
    2.5.2 水分的可视化输出  46-51
3 马铃薯热风干燥过程中收缩的数值模拟及可视化研究  51-61
  3.1 马铃薯热风干燥过程收缩数学模型的计算  51-54
    3.1.1 理论解析收缩应力的基础方程式  51-53
    3.1.2 应力解析必要的物性值  53
    3.1.3 马铃薯热风干燥过程收缩数学模型的计算过程  53-54
  3.2 马铃薯热风干燥过程中收缩的实验研究  54-55
    3.2.1 实验材料  54
    3.2.2 实验测试条件  54-55
    3.2.3 热风干燥过程中马铃薯收缩测定  55
  3.3 实验数据与模拟结果的对比  55-59
  3.4 马铃薯热风干燥过程中收缩的可视化研究  59-61
4 结论  61-62
参考文献  62-67
附录  67-70
致谢  70-71
作者简介  71-72
导师简介  72

马铃薯热风干燥过程中物性变化的数值模拟及可视化研究

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