鲍鱼浸入式快速冷冻理论及实验验证

现代品科技食

oderMnF odo ciSecena d Tnehncloogy

2

031 ,olV.9, 2No4

.

鲍浸入式鱼速快冻理冷及实验论证

倪锦验顾锦，，沈鸿建（中 水产国科院学业渔机仪械器研所究国家，水品产加装工研备分发中，心上 20海0092）

要摘：算计流力体(学FC)D准可预测鲍确冷鱼过冻程的传热传质中变化， 鲍冷鱼过程冻中部内度变温化和冷冻所需时的预测间 品对研质具究有重意义。要本 文鲍鱼为以研究对象，究鲍鱼的浸研入式快速冻冷，基于算流计体学力建鲍立鱼三的维非态稳数值计算模 型选用冻，结算计模，建立鲍式热鱼物的性项多计式方算，法提鲍高冷鱼过冻的计程算精，度用CF利 D计算获得鱼冷冻鲍程过温的 分布状度态获，鲍鱼得量与质冷时间的关冻系，并展开了实验验，结证果表明鱼的数鲍值算结果是计信的，可够较为能准确的预测鱼 鲍快速冻过程中冷度的变温与化冷所冻需时。 间关词键鲍：；快鱼冷速；数值冻分析计；算流体学 文章篇号：力6731-9780(20314)7-0-7114

aRid pmmersion IFeerizgn Mecahnism o Abalfone nd atis xpEermineal Vetirfiatcoi

nN JiI, nG UJi-hnog, nSEH JiNn (aisFehy rMahineryca d nIntsumrnt eeResarc Ihnsitutt,eC inhse ecAdemayo fishFeyr Siecncs,eN tiaoanlR D&Bra cnh Cenetr or Aqfauti ProcductP rcossenigE uipmenqt Sha,nhagi 20009, China)2Abs

rtat c: omCptauitnol faliu ddnymicsa(CFD) tec holngoyca n rpdeits chate nda ams sranster dfriun grpad fieezrng.iIn tih spaer,p htei mmerisn orapid rfeziegno abaflone wsain esvtigtead nd acopmtuaitnal floud dynimica techsonlgo yws eaploymed otes atbilh shtee-drimensino usneatyd nmueiral cclculaaitonm ode lo afalbone rpia frdezineg. oSildfiiatiocn omel dwa selested andct eh oplnoyima cllcaulaito metnodhw a sevelodpd eorfca lulctainga blane toermhl parpoetrisei n oder rot iprome numervical slvoni acgcuracy. heTdistr biuiont f oabaolen etpemarure duting thr freeez eropecssand the reltioasnhpibe wtee nbalaon maes ands rfzoen tim ewee grot y bsing uFCD ethnolcgoy. tI wasfo nd uhta ntuermicalc aculltainom dolea nd thesi umatlon meithos fdroab alnoe aridpim mreiosnf reeizn wgreerel ablie ,hiwhc culod rpeidate caabonle rfeze erpocess nd arfeee ztme. iKeywords: aalbno;erap d fiereze; nmueicalr anlysai; scmpoutatonai fllidu dyanicms

近年随来食着品业的快行速展发以及冷冷冻藏技 的提术，高速冷冻食快由于品具较好有的质，正逐 渐受品越来到越多费者的青消睐。速冻鱼的品质鲍决 于取冻结速[1]，在冷冻度程中过经历最，大冰晶成生带的 时间短，冰晶越几何的寸较尺小，冻冷后鱼的品 鲍质越好为。取获鲍鱼到达特定温度所的信息需传统 ，的法方是验测实，量是但这种法耗做时财、耗限性 大局且获得的息信有，限计算流力学体（CD）F是一种 用于流体适动及流热传质问传的题值数计技术算[23]， 采~

用CF技D可获术鲍鱼得冻过结程内中温部度，可 精场预确测部的内度分温情布况为，冻速质品析分和

冷收日期：201稿21-12- 基金项目：6家 863国项目 （201AA100801） 3国；贝类产业技术家体系金资资助（ ARC-48S-08B 作者简介：）锦倪1（98-）5，男， 硕，士究研习员，实要主从制事和冷产品水 冻冷鲜保等究研工作

冻艺工化优建条立件4[~5。 CFD技]术在业工各领域得到 广应泛，用并得取显著的了效果在，品冻结食域的 领研究起较步，近年晚来逐渐引才学起者的们视[重~6]8 。李杰[9]对鼓风等结虾仁进行了数值冻拟模预测，了冻结时间并以实验 验证 模拟结，与果实结果吻验较合，好 结冻间差时异百数为分.38%验，证了FD技术C食品在冻结 域运用领的行可；性此李外杰10[等]采CF用D术技实现了 土冷豆冻过的模拟程较好，的获了得土冷冻豆 据数。陈天[及11采]用FDC术对技子茄冷过程中冻温 的场度行进三了维模，拟采用物变性数参拟模同冻结不 度和不速厚度同下茄冷冻过子的程度温变情化，况 拟结模与果实吻合较验。 上好述研究表，明CDF术技可很以好实地食品冷 现过冻的程值数计，本算以文鱼为鲍要研究对象主建， 了以立液体精酒为冻介速的质冻速台平，展了鲍开鱼浸 入速式的理论冻实和研验，采究了 K用-模型

和70

1现代

食科技品

M

deon FoordS ciecen adn Tcehnlooy

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213,0Vo l29, No.4.

S

mpiel法算现了实鲍鱼的快速冷冻动的态模，研究 拟了冻冷程过中鱼鲍部内温场度变化特点，得了鲍鱼获冷冻 程中过温度的，场 开并了展实验究，研验证了 CF 数值D算结果的计可靠性，进一步究了研鲍重量与冷 鱼冻时间关的系为，鱼快速冷鲍冻艺优工和温化度制控提供基 础数据 1。 鱼冷鲍冻程的传过热模型 .1 1鱼鲍物的理数值及计算型 本文主模研要鲍究的浸入鱼快式速冷，冻主研究要对象为装 酒满的冻结区精域和放置中其鲍鱼，的放盛酒精的 器容为柱形圆外，形寸为高×尺 底半径面：10cm× 1 5c，m精酒进管道口和口出道管的径直均 为3c m 容器的，盖可上开启且可全完密，封容 外面隔热器层 为3cm 的璃玻纤棉板维，酒精 进入容的器温为度 21 K，3速为流2 5. ms /。醇乙在 -0℃时的6粘度[ 12 ]为8 70.×1 -3 0p·as 密，为 度858. 1kgm3 /。器容内局部流体 的诺数接近 雷01 数量级4故，鲍的快速鱼冷冻属 于 流流动换湍热题问[ 13。] 冷当装置内冻酒精温度达到稳定时，的理论装 上内酒置的精温应该和度入进器的酒精容的度温致一 ，温度为21即3K 但实，际中度温控制环的扰节动以流及场的不 均可匀能致导冻冷置装酒内温精度场均匀，不 此外，在冻装冷中鲍鱼通置细过金微棒属上的空镂金 支架固属

定在酒精槽中，但对于整个场流微细金属棒的 动扰极小

。、的物变性的稳非态热导题[14]和对流换热问问题鲍 鱼内，非部稳导热的三维态数学模可描型述：

为c

T T  T   T  ( )  )( (  ) t x ty  y zz

()1

鱼表鲍的面流体对流热换数的学型模[15为]

T ： T T T2T  T 22T u w v (  2 2  ) 2 x x yz x y 

(2)

注zT：为食各品几点何温度的K，；x、y、z为几点何坐 值；标c为食比热品，J/容k(g·K ；)λ食为品热率导，/(m·W )Kρ；为 鲍鱼度密，gk/3m；t时为，s间；a热扩散率为，2ms,/u；、v 、w为流体的速 分度，m量/。s

1.

2边

界件条及始初件条 为免避冷冻过中程酒精入渗到鱼鲍质肉中冷冻

，中鲍需鱼装包在包装的小EP保袋中并鲜抽取真，考空 到 虑E保P鲜影响袋鲍鱼的导系热数为，证保解精求 度，需鲍在热物鱼中修正一下导热性系。忽略数撑 镂支金空属与架鲍之间的鱼导热，鲍的主鱼换要形热 式与为器容中精酒发强生对制换热流，于属第类边界三 件条

：Q (th )A[T w (t)  T (g )]t

(

)3

式：中为对流Q热换量W；w为边，符号；界h对流换为 表面热热系数，传/Wm；2T为w鲍鱼面表温度K，T；为g体温流度， K。

在CFD计

算模中型，鲍鱼将表面与酒接精触面 合，耦 精酒温度的按照际实量值测赋值f，ulent自计算行获得 对流热换。 量文本为鲍认鱼部各内均项匀，温均度，匀初始 时刻器容内的酒精部的温度视为定也值，么那鱼鲍初始条件方程 为：

T( x , , yz,0 ) 0T

()4

鲍

和酒精鱼的初温度分别始按照实测定值验赋 。值冷容冻器酒精进口采中速度用口条件，酒精出进口 采压力用出条口件进，速口按度照验实测量果赋 值结，压力口按出照力测量压赋值值，面壁用绝选壁 面，热料为钢。材 .3 鲍1的热鱼物参性数 冷在过冻中，程鱼的鲍热物会发性较生变大，化 如能果够利用学数型模较能好描的鲍述鱼物热性变的 化规，可律保证鲍冷冻过鱼分程与析拟模果的准确 结性。lFunte中以可用分采段项式数学模多型描述鲍来鱼物 性变的规化。确律定鲍鱼要主分是合成理评鲍 鱼估热理物参数基础的，从献文可中鲍鱼知主的要成分为水 、蛋白、质脂肪碳、水合化和物分灰组成等1[]6。

图1

鲍 鱼冷冻与域的组合截段区意示 Fi图.g1S ktehc dairgma ofco minbtaonsiof abalo ena dn rfzeonr egoin

简从模化和减型计算小量发出本文，认为冻结区 中的细域微属金棒对流没有场响影冻；结置装的酒内精为不可 缩压体流冷，开始冻容时器部酒精内的温 为度21 3K且温度场均，匀冻 装结各壁置绝面热， 结装冻置 内流的流动为体稳湍态流。

在冷冻程过随着温中度的变，鲍化鱼物性的会 随温着度变的而化化，鲍变的冷鱼本质冻是上个复杂

一17

1现

食品科技

代odMren Foo S cdinec enadT ehcolony

g0132,Vo l.29 No.,

4冻在阶段结鱼体鲍内的水发会生变相导致热，物性 理会质生较发的大变，分别化建鲍立的比鱼容热和热 导数系计算方的，法具如体：下 .131.鲍 鱼的比容 热在冷过程冻水，渐变逐冰成，冰晶形的成比例是随着温度的 低而降高，为升了算计冻冷程中过鱼的 比热系鲍，需要数了鲍解鱼内任体时意刻冻结未水质的量分数， 鲍体鱼内水质的量分计算如下：

1

数



ii

(0)1

注

：i 为 i 组分的体系数，积i 为 i 分的组热导系。数

中各组其的体分积系数由下式计获算：

得 ii i  ii

密 和热度导。率

(1)1

w u , ,wz

Fz 

F 0 u FF 0

6)

(注

i：、、ii 、i 别为分组分的各质分数、体积量数系

、注：

ω,uw 任一温度为时水的量质数分ω，,w 为初始时z的 质水分量，数 为函F，F0数FZ、、 和u F别分应对于 T、T0Z 和 u T的函值。数其 上中标 0：代表 于处 T027=315K.时的状态， 下标： W代未表结冻水，Z代 表初时始刻，代µ表一温度时刻

任2鲍鱼冷 温度场冻的数值算计 为准了确计算鱼鲍冻过程中结部温内场的度变 过化，程 本文做出下假如设 ①鲍鱼初始：度均匀温致；一 ②鱼内鲍的传部热导热以为主不计入对，流传；热 ③鲍鱼项同各；性 ④鱼鲍的凝非固不考虑传区和流动。 质鱼的冷冻鲍过主要程一个是流传对热辐射过和 ，鲍程在鱼温酒精中低历经预冷、相变和深过程冷 采用，冻结解求型模研究鲍的速鱼。采用Gamb冻it行进鲍 速冻模鱼的型模并划分建格，共网分网划格190287 ，将鲍鱼个网的格文件读Fluent入并，设置鲍鱼液 体与精的耦酒，合定设相的应边界件条初始条件、，采用 分差制容控积法控对方程制进分行离，用选维三 隐非稳式态算模型计 在，作条操中激活件重项力 ,据根 模时建坐的位标，置在 Z方轴向重力设加速为度9.-8 1/sm2，时 间步为0.长1s 除能，方量收敛程精度为108 -， 余方程其都为0-21。 初始 刻酒时精和鱼都是鲍均温匀体，度温分别 为度231K和2 9 3K，用固定采步长行进计，算计鲍鱼 中算心温冻度结-5到 0所℃需的时，并观间察冻过程 中鲍鱼结内部度场的变化情温况由。于CF计算D的维 显示只三能示显鱼鲍表面度温的场分情况布无法，显示鲍 内部的鱼度温变情化，况此也无法显示外场的流速度分 情况，故本文选布取鱼鲍具有表代的性心中切面 为分析对象。 作鱼鲍周围模流场速拟度量矢图图如所2， 由流示 矢量场图可知液体：酒成精流状射进

入冷冻器容腔内 酒精，经流鲍鱼表时面生附于其表产的现面象鲍鱼上 ，表面酒的流精大于下表面速流，且流速的体续连也 性于优后者 由鲍。鱼与周围结冻的二维速度区量图易知矢， 鱼的鲍冻结主要对以流换热主。为鱼鲍冷过程冻中历 了经预、冷相变和 深3冷过个程 ，本进一文步算鲍计鱼冷冻过 程的中度场，温别分30取s 1、02 s、30 s9和621 s 时鲍鱼度场温的行观察。进

172

上

式中的数 函F为： 

L  F  F(T )  ex p R  T

J/(mo· lk)

(7)

注：T 为温 ，度K ， 为L相潜变热，J/mol,，R K气为体数，

常在冻结

程过中，随温度降时冰下增量加，冰和水总的 量分数质持保不，变任时意刻冰质量的分数ω,u f为

：

f, u w, z w,u

f代 冰。

表(8)

注：fω,u,为任一温 时度已结冻的质水量数。其分中下标

鲍鱼其余：要主分成的量质冷在冻过中保程不 持，结变水和冰质合量数分计的公式，算可出算温度各 下鲍各鱼组的质量分数分最终，鲍的比热鱼由容组 分各比的容热加叠得，任意获温下鲍度的鱼比热计算 容公为式

Cu ： C ii注

：C比为容热，J/（gK· K ）下标，：i为任一分组。

(9

)1.3

2. 鲍鱼导热的系 数预冷测冻过程中鱼鲍热的导率比是困较的，这难不仅因 为鱼鲍的热率与导维方纤向有，而关且为在因 结过冻程中鱼的密鲍，空度隙度等会发生明显都的变 ，化这些而对热导都产生很率的大响影。据参根考 文献，文本用采垂直型模[7]计1算鱼的导鲍热系数假，设鲍鱼 组的分布排列分热与方向流直垂，鱼鲍的有效 热系导可以数利用组各分体积的数和分导率计热算 获得，在 算过计程中未冻和已水冻作为冰两组分处个，理 算计公式下如：

代现品食技

科M

odenrF oodS c iece nnda Tehconoly

20g1, Vo3.l9,2 o.4

N

图 2鱼鲍与周围结冻的二区维度场速 Fg.2 Tio-wdminsioealnve loctyi field o abflone araoud tne frheeez zoe n图5冻 395结 后的二维温s场度 iF.5gT o-wimedsninoal emteprautrefie d lafertf eree 3z0 9

s3图 结冻3 0s后二的维温度 Fi场g3 Tw.-odimneisoan temlpearure field tfaet rrefez e0 s

3

图 6冻6结12s 后的二维温场 度ig.6 TFowdi-mnesoinl atmpeeraure tield ffaetrf reze e621s

鱼鲍冻结到216s ， 鲍鱼的中心温时降至-度05 ， 鲍鱼℃快的冷速冻完成 从上。鲍鱼冷述冻二的维度场温知，可鲍本鱼身 的热容较小，比在强烈对流换的流热中，鲍场鱼降的温 率速快，较鲍鱼的迎流侧降温的速略度于背快流侧， 于对本文初始温度为22中 的鲍℃鱼 其中，温心度到达- 8 1所℃的时需间39为 5s ，中心温达到-度05 所需℃ 的间时6为1 2s， 其冷冻间明时优于常显冷规方法。

冻图 4冻1结20 后s的二温维度 F场i.g4 Tw-doimensoialntempe ratue frelid

afetrf reze e20 s

1

鲍鱼3速冷冻快的实验究研 了为证验CDF模拟计算准确性，本的文开了展实 验 验证研 究采 用。 实 验 仪器的如 ：下和 普电 子 CHT 800-102数式温字巡回检测度仪，铜康-热铜电偶 （T ，外型径为0.5 mm），BBADE的34型F磁电流量 计。实验得鲍测中心鱼温度2为2 ℃，结装冻置酒内 温度精约-60 为， 酒℃的流精为量1.7701- m3/3s换流成 速管道则中酒进精速度约口2为5. ms 。/管直径子 c3。m 将C与DF计算同等规中格相初同始温的鲍鱼度 放到置冷冻装内，置利温用度线在采集系统得获中温 心的变化曲线，度如7图 。图7由可知C：DF计算鲍鱼心温度中到-达1 ℃8 需的所间时39为 s5达，到-5 0所℃需的间为时26 s1。实

由

模拟果结可，鲍知冻结鱼开始3后 s0后， 鱼 鲍与精发酒剧烈生热的交，鲍鱼换边缘的分换热最剧 烈部，迅降温速，鲍鱼内而的温度部响较影小 冻结。12到0s 时 ，鲍的鱼面温表度降下率速常非快 ，鱼鲍内的部由导于作热温度用下降到2- 左右， 鲍℃的鱼结由边缘冻深到入鲍鱼中，此外心变相用使 得作热导速减低。 鲍率鱼冻至结90 3s， 鱼中鲍心温度至降1-8℃，边 缘 的热导用作使鲍鱼中心降温速得明率显快加，对在 流用作下，侧迎右流面温梯度大于降侧。

左

173

代食现品科技

Modre Fnoo d Science ad nechnTloog

2y10,3Vol.2 9, N.4o

验

得鲍鱼中测温心达到-度18 所需的℃间为时04 1s， 到-达0 5所需℃时的间6为14s 鲍。冷冻过程中中鱼心 度的温大温差最为22.℃ 由。于度温传器存感在测滞量后 以及量过测中存程在器误仪差等，认故CF为模D拟 的冻时冷间基本映了反鱼鲍时间冷冻所的需间时

高。1了7左%，右见可预冷够有效减能小鱼鲍冷冻时 间，提高鲍的鱼冷冻的效。

图9率 同不始初度温鲍下鱼质量冻与时间的关结系 Fi.9 g kStcheo rfealtonisip behtwen eaablno qealiuty rfeeze itme udnr dieferfet inntiialte pmeartru e7 图鱼鲍中心温度的化变曲 线igF. The7aba lneo ectner teperamutercurv

e了为究鲍鱼质量研对降温速的度影响进一步开 展实验，究，研针对同不规大格的鲍小鱼先，利用CDF 技获术得心温度达到-中50 所℃的时间，需开展实再 研验，验究证FDC术预技测鱼鲍冷过冻中温度预程测 准确的性

。从述上究结果研可知CF，D拟值模与实值吻合验 较，好明说本建立文的鱼浸鲍式快入冷冻的速计模 算是型确合正理，利用的FCD技研术鲍究鱼快速的冷 是可冻的。行4 论结4. 1利 用C D 技F术鲍鱼浸入对快速式冻过程进冷行 数值拟，模可比以准较的确预鲍鱼测在冻冷过中温程度与时 之间间变的规律化可，预以鲍测在鱼某一件条下 冻结要到求的条所需的件间时，以及在某一间时点 温度，可以据根

时间需要定鲍制冻鱼结方，降案冻低 成本，结提高结冻效率。4 .2 究结研果明， 表数值模结拟果够能好的较反映 际冷冻情实况，本建文的鲍立冷冻鱼的热模传型其及处 理法方具较有高的精度可，以面全确的准预鲍鱼测在 结过程中三冻温维度场变的化能够准确，地预测冻 时结，模间结果与拟实验果结合吻较，好冻过程中温结 最大度值为2.差2 ℃，中温心度时间异在差15%.表 明，CD计算F技运术用在鱼鲍速冷快冻是行的可。4. 3经 过预冷的鱼鲍显缩明短快冷速所冻的需时间 ，快最降温时间高了1提%7左，因右，此低降鱼的初 始鲍度，温可有效减少的鱼快鲍速冷冻所需的间，提时 鲍鱼高快速冻的冷效。 参率考献

[文1 C]eland AlC O,ilxgenS. Termah lesigdnc acllutions for faodof reeznigeq upiemtn-apst ,prsentean dfuutre[J ] .nIertntaonial ouJnrla f Reorigfertaon, 1998,i21 5() :35-3719[2] eDlagod AE, unS aD-We. Hnea tna dmsas ransftr moeelds fo prerictidgnf erezni gropceses-s arvieew[ J]. Jounra lo food FngEineeinr, g0210,4 7(3:)157- 714 17

4图

8鲍鱼质量 与心中温度温降间时的关系 ig.F 8 ketchSof erlatinoshpi ebwete nthe ablaoen qulita aydnc nteer tmpeeature rocoilng time

图8从中易，知随 着鲍鱼量质增大， 鲍的鱼中心 温达到度-50 所℃时间需来越越长，两的关系类者于 似线关系，采用C性F计D算拟和模实获得验时间的异 不大差最大，时间差误1.在%，5属允许的误差于范。围 由于各条件种不，鲍同鱼初始温度存在的很大 差异为此，展了不开同始温初条件度鲍鱼下快冷冻的 速实验究，主研研究不要同始初度温条下中心件温度达到 -0 5℃所时间需的差异不，同初始温度鲍下中心 温度鱼到达50-℃所 需间如图9时所示。 图在中，无预冷鲍9的鱼初温度始22为 ℃有预，冷 鱼的鲍初始度为温 ℃2，鲍的鱼预明冷减少显鲍了鱼中 心温度达目到标值所需的时，最快降温间时提间

代现品食科 技[3

Mod]enrF odoS icnce eadn Tcenhoogly

2

13,0 oV.l29,N o4

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[9]

9李杰

,谢晶.鼓冻风虾仁时间的数结值拟及模验验实证[].J 业农工程学报,002925(4,)24:-8522

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]751

现代品科技食

oderMnF odo ciSecena d Tnehncloogy

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031 ,olV.9, 2No4

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鲍浸入式鱼速快冻理冷及实验论证

倪锦验顾锦，，沈鸿建（中 水产国科院学业渔机仪械器研所究国家，水品产加装工研备分发中，心上 20海0092）

要摘：算计流力体(学FC)D准可预测鲍确冷鱼过冻程的传热传质中变化， 鲍冷鱼过程冻中部内度变温化和冷冻所需时的预测间 品对研质具究有重意义。要本 文鲍鱼为以研究对象，究鲍鱼的浸研入式快速冻冷，基于算流计体学力建鲍立鱼三的维非态稳数值计算模 型选用冻，结算计模，建立鲍式热鱼物的性项多计式方算，法提鲍高冷鱼过冻的计程算精，度用CF利 D计算获得鱼冷冻鲍程过温的 分布状度态获，鲍鱼得量与质冷时间的关冻系，并展开了实验验，结证果表明鱼的数鲍值算结果是计信的，可够较为能准确的预测鱼 鲍快速冻过程中冷度的变温与化冷所冻需时。 间关词键鲍：；快鱼冷速；数值冻分析计；算流体学 文章篇号：力6731-9780(20314)7-0-7114

aRid pmmersion IFeerizgn Mecahnism o Abalfone nd atis xpEermineal Vetirfiatcoi

nN JiI, nG UJi-hnog, nSEH JiNn (aisFehy rMahineryca d nIntsumrnt eeResarc Ihnsitutt,eC inhse ecAdemayo fishFeyr Siecncs,eN tiaoanlR D&Bra cnh Cenetr or Aqfauti ProcductP rcossenigE uipmenqt Sha,nhagi 20009, China)2Abs

rtat c: omCptauitnol faliu ddnymicsa(CFD) tec holngoyca n rpdeits chate nda ams sranster dfriun grpad fieezrng.iIn tih spaer,p htei mmerisn orapid rfeziegno abaflone wsain esvtigtead nd acopmtuaitnal floud dynimica techsonlgo yws eaploymed otes atbilh shtee-drimensino usneatyd nmueiral cclculaaitonm ode lo afalbone rpia frdezineg. oSildfiiatiocn omel dwa selested andct eh oplnoyima cllcaulaito metnodhw a sevelodpd eorfca lulctainga blane toermhl parpoetrisei n oder rot iprome numervical slvoni acgcuracy. heTdistr biuiont f oabaolen etpemarure duting thr freeez eropecssand the reltioasnhpibe wtee nbalaon maes ands rfzoen tim ewee grot y bsing uFCD ethnolcgoy. tI wasfo nd uhta ntuermicalc aculltainom dolea nd thesi umatlon meithos fdroab alnoe aridpim mreiosnf reeizn wgreerel ablie ,hiwhc culod rpeidate caabonle rfeze erpocess nd arfeee ztme. iKeywords: aalbno;erap d fiereze; nmueicalr anlysai; scmpoutatonai fllidu dyanicms

近年随来食着品业的快行速展发以及冷冷冻藏技 的提术，高速冷冻食快由于品具较好有的质，正逐 渐受品越来到越多费者的青消睐。速冻鱼的品质鲍决 于取冻结速[1]，在冷冻度程中过经历最，大冰晶成生带的 时间短，冰晶越几何的寸较尺小，冻冷后鱼的品 鲍质越好为。取获鲍鱼到达特定温度所的信息需传统 ，的法方是验测实，量是但这种法耗做时财、耗限性 大局且获得的息信有，限计算流力学体（CD）F是一种 用于流体适动及流热传质问传的题值数计技术算[23]， 采~

用CF技D可获术鲍鱼得冻过结程内中温部度，可 精场预确测部的内度分温情布况为，冻速质品析分和

冷收日期：201稿21-12- 基金项目：6家 863国项目 （201AA100801） 3国；贝类产业技术家体系金资资助（ ARC-48S-08B 作者简介：）锦倪1（98-）5，男， 硕，士究研习员，实要主从制事和冷产品水 冻冷鲜保等究研工作

冻艺工化优建条立件4[~5。 CFD技]术在业工各领域得到 广应泛，用并得取显著的了效果在，品冻结食域的 领研究起较步，近年晚来逐渐引才学起者的们视[重~6]8 。李杰[9]对鼓风等结虾仁进行了数值冻拟模预测，了冻结时间并以实验 验证 模拟结，与果实结果吻验较合，好 结冻间差时异百数为分.38%验，证了FD技术C食品在冻结 域运用领的行可；性此李外杰10[等]采CF用D术技实现了 土冷豆冻过的模拟程较好，的获了得土冷冻豆 据数。陈天[及11采]用FDC术对技子茄冷过程中冻温 的场度行进三了维模，拟采用物变性数参拟模同冻结不 度和不速厚度同下茄冷冻过子的程度温变情化，况 拟结模与果实吻合较验。 上好述研究表，明CDF术技可很以好实地食品冷 现过冻的程值数计，本算以文鱼为鲍要研究对象主建， 了以立液体精酒为冻介速的质冻速台平，展了鲍开鱼浸 入速式的理论冻实和研验，采究了 K用-模型

和70

1现代

食科技品

M

deon FoordS ciecen adn Tcehnlooy

g

213,0Vo l29, No.4.

S

mpiel法算现了实鲍鱼的快速冷冻动的态模，研究 拟了冻冷程过中鱼鲍部内温场度变化特点，得了鲍鱼获冷冻 程中过温度的，场 开并了展实验究，研验证了 CF 数值D算结果的计可靠性，进一步究了研鲍重量与冷 鱼冻时间关的系为，鱼快速冷鲍冻艺优工和温化度制控提供基 础数据 1。 鱼冷鲍冻程的传过热模型 .1 1鱼鲍物的理数值及计算型 本文主模研要鲍究的浸入鱼快式速冷，冻主研究要对象为装 酒满的冻结区精域和放置中其鲍鱼，的放盛酒精的 器容为柱形圆外，形寸为高×尺 底半径面：10cm× 1 5c，m精酒进管道口和口出道管的径直均 为3c m 容器的，盖可上开启且可全完密，封容 外面隔热器层 为3cm 的璃玻纤棉板维，酒精 进入容的器温为度 21 K，3速为流2 5. ms /。醇乙在 -0℃时的6粘度[ 12 ]为8 70.×1 -3 0p·as 密，为 度858. 1kgm3 /。器容内局部流体 的诺数接近 雷01 数量级4故，鲍的快速鱼冷冻属 于 流流动换湍热题问[ 13。] 冷当装置内冻酒精温度达到稳定时，的理论装 上内酒置的精温应该和度入进器的酒精容的度温致一 ，温度为21即3K 但实，际中度温控制环的扰节动以流及场的不 均可匀能致导冻冷置装酒内温精度场均匀，不 此外，在冻装冷中鲍鱼通置细过金微棒属上的空镂金 支架固属

定在酒精槽中，但对于整个场流微细金属棒的 动扰极小

。、的物变性的稳非态热导题[14]和对流换热问问题鲍 鱼内，非部稳导热的三维态数学模可描型述：

为c

T T  T   T  ( )  )( (  ) t x ty  y zz

()1

鱼表鲍的面流体对流热换数的学型模[15为]

T ： T T T2T  T 22T u w v (  2 2  ) 2 x x yz x y 

(2)

注zT：为食各品几点何温度的K，；x、y、z为几点何坐 值；标c为食比热品，J/容k(g·K ；)λ食为品热率导，/(m·W )Kρ；为 鲍鱼度密，gk/3m；t时为，s间；a热扩散率为，2ms,/u；、v 、w为流体的速 分度，m量/。s

1.

2边

界件条及始初件条 为免避冷冻过中程酒精入渗到鱼鲍质肉中冷冻

，中鲍需鱼装包在包装的小EP保袋中并鲜抽取真，考空 到 虑E保P鲜影响袋鲍鱼的导系热数为，证保解精求 度，需鲍在热物鱼中修正一下导热性系。忽略数撑 镂支金空属与架鲍之间的鱼导热，鲍的主鱼换要形热 式与为器容中精酒发强生对制换热流，于属第类边界三 件条

：Q (th )A[T w (t)  T (g )]t

(

)3

式：中为对流Q热换量W；w为边，符号；界h对流换为 表面热热系数，传/Wm；2T为w鲍鱼面表温度K，T；为g体温流度， K。

在CFD计

算模中型，鲍鱼将表面与酒接精触面 合，耦 精酒温度的按照际实量值测赋值f，ulent自计算行获得 对流热换。 量文本为鲍认鱼部各内均项匀，温均度，匀初始 时刻器容内的酒精部的温度视为定也值，么那鱼鲍初始条件方程 为：

T( x , , yz,0 ) 0T

()4

鲍

和酒精鱼的初温度分别始按照实测定值验赋 。值冷容冻器酒精进口采中速度用口条件，酒精出进口 采压力用出条口件进，速口按度照验实测量果赋 值结，压力口按出照力测量压赋值值，面壁用绝选壁 面，热料为钢。材 .3 鲍1的热鱼物参性数 冷在过冻中，程鱼的鲍热物会发性较生变大，化 如能果够利用学数型模较能好描的鲍述鱼物热性变的 化规，可律保证鲍冷冻过鱼分程与析拟模果的准确 结性。lFunte中以可用分采段项式数学模多型描述鲍来鱼物 性变的规化。确律定鲍鱼要主分是合成理评鲍 鱼估热理物参数基础的，从献文可中鲍鱼知主的要成分为水 、蛋白、质脂肪碳、水合化和物分灰组成等1[]6。

图1

鲍 鱼冷冻与域的组合截段区意示 Fi图.g1S ktehc dairgma ofco minbtaonsiof abalo ena dn rfzeonr egoin

简从模化和减型计算小量发出本文，认为冻结区 中的细域微属金棒对流没有场响影冻；结置装的酒内精为不可 缩压体流冷，开始冻容时器部酒精内的温 为度21 3K且温度场均，匀冻 装结各壁置绝面热， 结装冻置 内流的流动为体稳湍态流。

在冷冻程过随着温中度的变，鲍化鱼物性的会 随温着度变的而化化，鲍变的冷鱼本质冻是上个复杂

一17

1现

食品科技

代odMren Foo S cdinec enadT ehcolony

g0132,Vo l.29 No.,

4冻在阶段结鱼体鲍内的水发会生变相导致热，物性 理会质生较发的大变，分别化建鲍立的比鱼容热和热 导数系计算方的，法具如体：下 .131.鲍 鱼的比容 热在冷过程冻水，渐变逐冰成，冰晶形的成比例是随着温度的 低而降高，为升了算计冻冷程中过鱼的 比热系鲍，需要数了鲍解鱼内任体时意刻冻结未水质的量分数， 鲍体鱼内水质的量分计算如下：

1

数



ii

(0)1

注

：i 为 i 组分的体系数，积i 为 i 分的组热导系。数

中各组其的体分积系数由下式计获算：

得 ii i  ii

密 和热度导。率

(1)1

w u , ,wz

Fz 

F 0 u FF 0

6)

(注

i：、、ii 、i 别为分组分的各质分数、体积量数系

、注：

ω,uw 任一温度为时水的量质数分ω，,w 为初始时z的 质水分量，数 为函F，F0数FZ、、 和u F别分应对于 T、T0Z 和 u T的函值。数其 上中标 0：代表 于处 T027=315K.时的状态， 下标： W代未表结冻水，Z代 表初时始刻，代µ表一温度时刻

任2鲍鱼冷 温度场冻的数值算计 为准了确计算鱼鲍冻过程中结部温内场的度变 过化，程 本文做出下假如设 ①鲍鱼初始：度均匀温致；一 ②鱼内鲍的传部热导热以为主不计入对，流传；热 ③鲍鱼项同各；性 ④鱼鲍的凝非固不考虑传区和流动。 质鱼的冷冻鲍过主要程一个是流传对热辐射过和 ，鲍程在鱼温酒精中低历经预冷、相变和深过程冷 采用，冻结解求型模研究鲍的速鱼。采用Gamb冻it行进鲍 速冻模鱼的型模并划分建格，共网分网划格190287 ，将鲍鱼个网的格文件读Fluent入并，设置鲍鱼液 体与精的耦酒，合定设相的应边界件条初始条件、，采用 分差制容控积法控对方程制进分行离，用选维三 隐非稳式态算模型计 在，作条操中激活件重项力 ,据根 模时建坐的位标，置在 Z方轴向重力设加速为度9.-8 1/sm2，时 间步为0.长1s 除能，方量收敛程精度为108 -， 余方程其都为0-21。 初始 刻酒时精和鱼都是鲍均温匀体，度温分别 为度231K和2 9 3K，用固定采步长行进计，算计鲍鱼 中算心温冻度结-5到 0所℃需的时，并观间察冻过程 中鲍鱼结内部度场的变化情温况由。于CF计算D的维 显示只三能示显鱼鲍表面度温的场分情况布无法，显示鲍 内部的鱼度温变情化，况此也无法显示外场的流速度分 情况，故本文选布取鱼鲍具有表代的性心中切面 为分析对象。 作鱼鲍周围模流场速拟度量矢图图如所2， 由流示 矢量场图可知液体：酒成精流状射进

入冷冻器容腔内 酒精，经流鲍鱼表时面生附于其表产的现面象鲍鱼上 ，表面酒的流精大于下表面速流，且流速的体续连也 性于优后者 由鲍。鱼与周围结冻的二维速度区量图易知矢， 鱼的鲍冻结主要对以流换热主。为鱼鲍冷过程冻中历 了经预、冷相变和 深3冷过个程 ，本进一文步算鲍计鱼冷冻过 程的中度场，温别分30取s 1、02 s、30 s9和621 s 时鲍鱼度场温的行观察。进

172

上

式中的数 函F为： 

L  F  F(T )  ex p R  T

J/(mo· lk)

(7)

注：T 为温 ，度K ， 为L相潜变热，J/mol,，R K气为体数，

常在冻结

程过中，随温度降时冰下增量加，冰和水总的 量分数质持保不，变任时意刻冰质量的分数ω,u f为

：

f, u w, z w,u

f代 冰。

表(8)

注：fω,u,为任一温 时度已结冻的质水量数。其分中下标

鲍鱼其余：要主分成的量质冷在冻过中保程不 持，结变水和冰质合量数分计的公式，算可出算温度各 下鲍各鱼组的质量分数分最终，鲍的比热鱼由容组 分各比的容热加叠得，任意获温下鲍度的鱼比热计算 容公为式

Cu ： C ii注

：C比为容热，J/（gK· K ）下标，：i为任一分组。

(9

)1.3

2. 鲍鱼导热的系 数预冷测冻过程中鱼鲍热的导率比是困较的，这难不仅因 为鱼鲍的热率与导维方纤向有，而关且为在因 结过冻程中鱼的密鲍，空度隙度等会发生明显都的变 ，化这些而对热导都产生很率的大响影。据参根考 文献，文本用采垂直型模[7]计1算鱼的导鲍热系数假，设鲍鱼 组的分布排列分热与方向流直垂，鱼鲍的有效 热系导可以数利用组各分体积的数和分导率计热算 获得，在 算过计程中未冻和已水冻作为冰两组分处个，理 算计公式下如：

代现品食技

科M

odenrF oodS c iece nnda Tehconoly

20g1, Vo3.l9,2 o.4

N

图 2鱼鲍与周围结冻的二区维度场速 Fg.2 Tio-wdminsioealnve loctyi field o abflone araoud tne frheeez zoe n图5冻 395结 后的二维温s场度 iF.5gT o-wimedsninoal emteprautrefie d lafertf eree 3z0 9

s3图 结冻3 0s后二的维温度 Fi场g3 Tw.-odimneisoan temlpearure field tfaet rrefez e0 s

3

图 6冻6结12s 后的二维温场 度ig.6 TFowdi-mnesoinl atmpeeraure tield ffaetrf reze e621s

鱼鲍冻结到216s ， 鲍鱼的中心温时降至-度05 ， 鲍鱼℃快的冷速冻完成 从上。鲍鱼冷述冻二的维度场温知，可鲍本鱼身 的热容较小，比在强烈对流换的流热中，鲍场鱼降的温 率速快，较鲍鱼的迎流侧降温的速略度于背快流侧， 于对本文初始温度为22中 的鲍℃鱼 其中，温心度到达- 8 1所℃的时需间39为 5s ，中心温达到-度05 所需℃ 的间时6为1 2s， 其冷冻间明时优于常显冷规方法。

冻图 4冻1结20 后s的二温维度 F场i.g4 Tw-doimensoialntempe ratue frelid

afetrf reze e20 s

1

鲍鱼3速冷冻快的实验究研 了为证验CDF模拟计算准确性，本的文开了展实 验 验证研 究采 用。 实 验 仪器的如 ：下和 普电 子 CHT 800-102数式温字巡回检测度仪，铜康-热铜电偶 （T ，外型径为0.5 mm），BBADE的34型F磁电流量 计。实验得鲍测中心鱼温度2为2 ℃，结装冻置酒内 温度精约-60 为， 酒℃的流精为量1.7701- m3/3s换流成 速管道则中酒进精速度约口2为5. ms 。/管直径子 c3。m 将C与DF计算同等规中格相初同始温的鲍鱼度 放到置冷冻装内，置利温用度线在采集系统得获中温 心的变化曲线，度如7图 。图7由可知C：DF计算鲍鱼心温度中到-达1 ℃8 需的所间时39为 s5达，到-5 0所℃需的间为时26 s1。实

由

模拟果结可，鲍知冻结鱼开始3后 s0后， 鱼 鲍与精发酒剧烈生热的交，鲍鱼换边缘的分换热最剧 烈部，迅降温速，鲍鱼内而的温度部响较影小 冻结。12到0s 时 ，鲍的鱼面温表度降下率速常非快 ，鱼鲍内的部由导于作热温度用下降到2- 左右， 鲍℃的鱼结由边缘冻深到入鲍鱼中，此外心变相用使 得作热导速减低。 鲍率鱼冻至结90 3s， 鱼中鲍心温度至降1-8℃，边 缘 的热导用作使鲍鱼中心降温速得明率显快加，对在 流用作下，侧迎右流面温梯度大于降侧。

左

173

代食现品科技

Modre Fnoo d Science ad nechnTloog

2y10,3Vol.2 9, N.4o

验

得鲍鱼中测温心达到-度18 所需的℃间为时04 1s， 到-达0 5所需℃时的间6为14s 鲍。冷冻过程中中鱼心 度的温大温差最为22.℃ 由。于度温传器存感在测滞量后 以及量过测中存程在器误仪差等，认故CF为模D拟 的冻时冷间基本映了反鱼鲍时间冷冻所的需间时

高。1了7左%，右见可预冷够有效减能小鱼鲍冷冻时 间，提高鲍的鱼冷冻的效。

图9率 同不始初度温鲍下鱼质量冻与时间的关结系 Fi.9 g kStcheo rfealtonisip behtwen eaablno qealiuty rfeeze itme udnr dieferfet inntiialte pmeartru e7 图鱼鲍中心温度的化变曲 线igF. The7aba lneo ectner teperamutercurv

e了为究鲍鱼质量研对降温速的度影响进一步开 展实验，究，研针对同不规大格的鲍小鱼先，利用CDF 技获术得心温度达到-中50 所℃的时间，需开展实再 研验，验究证FDC术预技测鱼鲍冷过冻中温度预程测 准确的性

。从述上究结果研可知CF，D拟值模与实值吻合验 较，好明说本建立文的鱼浸鲍式快入冷冻的速计模 算是型确合正理，利用的FCD技研术鲍究鱼快速的冷 是可冻的。行4 论结4. 1利 用C D 技F术鲍鱼浸入对快速式冻过程进冷行 数值拟，模可比以准较的确预鲍鱼测在冻冷过中温程度与时 之间间变的规律化可，预以鲍测在鱼某一件条下 冻结要到求的条所需的件间时，以及在某一间时点 温度，可以据根

时间需要定鲍制冻鱼结方，降案冻低 成本，结提高结冻效率。4 .2 究结研果明， 表数值模结拟果够能好的较反映 际冷冻情实况，本建文的鲍立冷冻鱼的热模传型其及处 理法方具较有高的精度可，以面全确的准预鲍鱼测在 结过程中三冻温维度场变的化能够准确，地预测冻 时结，模间结果与拟实验果结合吻较，好冻过程中温结 最大度值为2.差2 ℃，中温心度时间异在差15%.表 明，CD计算F技运术用在鱼鲍速冷快冻是行的可。4. 3经 过预冷的鱼鲍显缩明短快冷速所冻的需时间 ，快最降温时间高了1提%7左，因右，此低降鱼的初 始鲍度，温可有效减少的鱼快鲍速冷冻所需的间，提时 鲍鱼高快速冻的冷效。 参率考献

[文1 C]eland AlC O,ilxgenS. Termah lesigdnc acllutions for faodof reeznigeq upiemtn-apst ,prsentean dfuutre[J ] .nIertntaonial ouJnrla f Reorigfertaon, 1998,i21 5() :35-3719[2] eDlagod AE, unS aD-We. Hnea tna dmsas ransftr moeelds fo prerictidgnf erezni gropceses-s arvieew[ J]. Jounra lo food FngEineeinr, g0210,4 7(3:)157- 714 17

4图

8鲍鱼质量 与心中温度温降间时的关系 ig.F 8 ketchSof erlatinoshpi ebwete nthe ablaoen qulita aydnc nteer tmpeeature rocoilng time

图8从中易，知随 着鲍鱼量质增大， 鲍的鱼中心 温达到度-50 所℃时间需来越越长，两的关系类者于 似线关系，采用C性F计D算拟和模实获得验时间的异 不大差最大，时间差误1.在%，5属允许的误差于范。围 由于各条件种不，鲍同鱼初始温度存在的很大 差异为此，展了不开同始温初条件度鲍鱼下快冷冻的 速实验究，主研研究不要同始初度温条下中心件温度达到 -0 5℃所时间需的差异不，同初始温度鲍下中心 温度鱼到达50-℃所 需间如图9时所示。 图在中，无预冷鲍9的鱼初温度始22为 ℃有预，冷 鱼的鲍初始度为温 ℃2，鲍的鱼预明冷减少显鲍了鱼中 心温度达目到标值所需的时，最快降温间时提间

代现品食科 技[3

Mod]enrF odoS icnce eadn Tcenhoogly

2

13,0 oV.l29,N o4

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8[]

H uZH , unSD W. CFD s muliaiotnof eah tnd maisouret trnsfear ofrpre idtcig cnoloingr at and eewigh tlsos ofco keod ahm durnig ir albsa thclilig nprcess oJ[] J.uonarl o fFodoE gnineeirng,2 00,46 (0)31:8-197

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9李杰

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