(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910311463.2
(22)申请日 2019.04.18
(71)申请人 中国水产科学研究院渔业机械仪器
研究所
地址 200092 上海市杨浦区四平街道赤峰
路63号
(72)发明人 胡晓亮 沈建 王锡昌 张柔佳
欧阳杰 李仕成
(74)专利代理机构 上海伯瑞杰知识产权代理有
限公司 31227
代理人 俞磊
(51)Int.Cl.
G06F 17/50(2006.01)
(54)发明名称
优化解冻工艺的方法
(57)摘要
本发明公开了一种采用COMSOL软件仿真模
拟解冻过程并优化解冻工艺的方法，其采用
COMSOL Multiphysics软件，对鱼糜解冻的过程
进行动态的数值模拟，以有限元方法数值求解电
磁波耗散及热传递的耦合方程，并通过实验对温
度值进行验证；并通过COMSOL Multiphysics软
最后根据数值模拟试验结果，以无线电波功率、
极板间距和加热间歇时间为因素，以鱼糜样品解
冻所需时间和温度标准偏差作为解冻效果的评
定指标，设计三因素三水平的正交试验，确定适
合的无线电波功率、极板间距和加热间歇时间，
优化解冻工艺，
提高解冻均匀性。权利要求书2页 说明书13页 附图7页CN 110309530 A 2019.10.08
C N 110309530
A
1.一种采用COMSOL软件仿真模拟解冻过程并优化解冻工艺的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)采用COMSOL Multiphysics软件，对鱼糜解冻的过程进行动态的数值模拟，以有限元方法数值求解电磁波耗散及热传递的耦合方程，并通过实验对温度值进行验证；
2)通过COMSOL Multiphysics软件建立的数学模型，探究鱼糜样品的尺寸、鱼糜样品在加热腔的位置、无线电波功率、极板间距和加热间歇时间对鱼糜样品解冻均匀性的影响；探究结果为无线电波功率、极板间距和加热间歇时间对鱼糜样品加热解冻时温度分布影响较大；
3)根据数值模拟试验结果，以无线电波功率、极板间距和加热间歇时间为因素，以鱼糜样品解冻所需时间和温度标准偏差作为解冻效果的评定指标，设计三因素三水平的正交试验，确定适合的无线电波功率、极板间距和加热间歇时间，优化解冻工艺，提高解冻均匀性。
2.根据权利要求1所述的采用COMSOL软件仿真模拟解冻过程并优化解冻工艺的方法，其特征在于，解冻过程的数值模拟和实验验证的过程为：
(1)选择物理场：选用固体传热和静电两个物理场；
(2)建立几何模型：确定鱼糜样品和极板的几何形状；
(3)输入样品热物性参数；
(4)设置边界条件：鱼糜样品表面与空气之间的对流传热；
(5)划分网格：网格设定为标准单元尺寸；
(6)选择求解器：选择UMFPACK直接线性求解器来求解偏微分方程，相对和绝对容差分别设定为0.01和0.001
(7)输出计算结果。
3.根据权利要求1所述的采用COMSOL软件仿真模拟解冻过程并优化解冻工艺的方法，其特征在于，无线电波功率对鱼糜样品解冻均匀性影响的探究方法为：
无线电波频率为27.1MHz正弦波，无线电波功率分别设为2.0kW、3.0kW、4.0kW和5.0kW，鱼糜样品为静止加热状态，其位置位于加热腔x方向和y方向中央区域，鱼糜样品的尺寸为300×200×30mm3，鱼糜样品下表面距电极板上端130mm；加热时间为300s，加热步长设为10s/步；
通过模型计算得出四种不同无线电波功率下的鱼糜样品xy截面上的电场强度分布，电场强度标为0～9×103v/m；鱼糜样品在xy截面上的电场强度分布存在明显的差异，电场强度随着无线电波功率的增加而逐渐增大，四种无线电波功率下的鱼糜在xy截面上的电场强度均呈轴对称分布，高电场区域位于鱼糜的中心部位，高电场区域形状呈中心向四周辐射状，鱼糜边角部位的电场强度相对较小。
4.根据权利要求1所述的采用COMSOL软件仿真模拟解冻过程并优化解冻工艺的方法，其特征在于，极板间距对鱼糜样品解冻均匀性影响的探究方法为：
无线电波频率为27.1MHz正弦波，无线电波功率设定为2.0kW，鱼糜样品为静止加热状态，其位置位于加热腔x方向和y方向中央区域，鱼糜样品的尺寸为鱼糜样品的尺寸为300×200×30mm3，加热时间为300s，加热步长设为10s/步；
随着极板间距的变化，鱼糜表面的温度分布存在明显的差异，但鱼糜各层的冷点位置始终位于鱼糜的中心部位，热点位置始终位于鱼糜样品的边角区域，鱼糜中间层的温度要
明显低于上下表面，鱼糜上表面温度要高于下表面；
采用极板间距为13cm下经无线电波加热后的鱼糜样品表面热点区域面积最小，热点温度也最低，温度分布最为均匀；随着极板间距的减小，鱼糜边角部位会有明显的局部过热现象，采用极板间距为7cm下经无线电波加热后的鱼糜表面热点数量最多，热点区域面积最大，热点温度也最高。
5.根据权利要求1所述的采用COMSOL软件仿真模拟解冻过程并优化解冻工艺的方法，其特征在于，加热间歇时间对鱼糜样品解冻均匀性影响的探究方法为：
设定的加热间歇时间分别为0s、60s、90s和120s，间歇时间0s即为无线电波连续加热，加热鱼糜样品期间不停机，其余组别均按照设定的间歇时间停机后继续加热120s，各组别无线电波加热时间合计均为300s；
随着无线电波加热间歇时间的变化，鱼糜各层的冷点位置始终位于鱼糜的中心部位，热点位置始终位于鱼糜的边角区域，鱼糜中间层的温度要明显低于上下表面，鱼糜上表面温度要高于下表面；
采用无线电波连续加热后的鱼糜样品边角部位会有明显的局部过热现象，鱼糜表面热点区域面积最大，热点温度也最高，温度分布均匀性较差；随着无线电波加热间歇时间的增加，鱼糜表面热点区域面积逐渐减少，热点温度也逐渐降低；
采用无线电波连续加热后的鱼糜样品最高温度为38.1℃，最高温度与最低温度差值为44.9℃，标准偏
差值最大，温度分布均匀性最差；随着无线电波加热间歇时间的增加，鱼糜样品的最高温度逐渐降低，最高温度与最低温度差值也逐渐减小，标准偏差逐渐减小，温度分布均匀性逐渐提高；
当无线电波加热间歇时间增加到120s时的鱼糜样品最高温度仅为26.1℃，最高温度与最低温度差值为33.8℃，温度分布的均匀性最好；无线电波加热间歇时间的变化会影响鱼糜样品内部冷热点的数量和位置分布，当无线电波加热间歇时间较长时，鱼糜样品具有较好的解冻均匀性。
6.根据权利要求1所述的采用COMSOL软件仿真模拟解冻过程并优化解冻工艺的方法，其特征在于，
所述无线电波功率、极板间距和加热间歇时间，对鱼糜样品解冻后温度标准偏差的影响主次顺序为：无线电波功率>极板间距>加热间歇时间；
所述无线电波功率、极板间距和加热间歇时间，对鱼糜样品解冻所需时间的影响主次顺序为极板间距>无线电波功率>加热间歇时间；
根据综合平衡法取鱼糜样品的最佳解冻参数，即无线电波功率1.5kW、极板间距15cm、加热间歇时间2.0min；采用上述最佳解冻参数的解冻工艺，鱼糜样品上表面平均温差为15.2℃，温度标准偏差为2.5℃，解冻均匀性较好，平均解冻所需时间为8.2min。
一种采用COMSOL软件仿真模拟解冻过程并优化解冻工艺的
方法
技术领域
[0001]本发明涉及计算机模拟仿真领域，具体地说，特别涉及到一种采用COMSOL 软件仿真模拟解冻过程并优化解冻工艺的方法。
背景技术
[0002]鱼糜是原料鱼经过采肉、漂洗、精滤、脱水、分装、冻结等工序制得的一 种水产调理食品原料。如何快速解冻原料鱼糜并保持其品质，不仅是鱼糜制品 生产加工的一大难题，同时也是食品加工领域迫切需要提高的技术。
[0003]无线电波是一种频率范围在3KHz-300MHz之间的电磁波，产生的高频交变 电磁场能激发食品内部的离子振动以及水分子极性转动，从而导致食品的整体 性被加热。此外，无线电波所携带能量较低，所以只具有加热效应，不具有电 离食品内的分子结构等所带来的潜在风险。无线电波加热具有整体加热的特性， 被加热物料的内部和外层间无需热传导过程而同时加热、同时升温，且加热速 度快。此种加热方式能大大减少升温时间、减少能耗，提高加热的均匀性，从 而达到既提高解冻效率，又最大程度地保持冷冻食品品质的效果。
[0004]目前采用无线电波加热解冻鱼糜缺乏足够的理论指导，大多是根据经验选 择鱼糜的尺寸、鱼糜在加热腔的位置、无线电波功率、极板间距和加热间歇时 间，导致鱼糜解冻效率不高，解冻工艺有待优化。
发明内容
[0005]本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种采用COMSOL软件仿真 模拟解冻过程并优化解冻工艺的方法，以解决现有技术中存在的问题。
[0006]本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
[0007]一种采用COMSOL软件仿真模拟解冻过程并优化解冻工艺的方法，包括如下 步骤：[0008]1)采用COMSOL Multiphysics软件，对鱼糜解冻的过程进行动态的数值模 拟，以有限元方法数值求解电磁波耗散及热传递的耦合方程，并通过实验对温 度值进行验证；[0009]2)通过COMSOL Multiphysics软件建立的数学模型，探究鱼糜样品的尺寸、 鱼糜样品在加热腔的位置、无线电波功率、极板间距和加热间歇时间对鱼糜样 品解冻均匀性的影响；探究结果为无线电波功率、极板间距和加热间歇时间对 鱼糜样品加热解冻时温度分布影响较大；
[0010]3)根据数值模拟试验结果，以无线电波功率、极板间距和加热间歇时间为 因素，以鱼糜样品解
冻所需时间和温度标准偏差作为解冻效果的评定指标，设 计三因素三水平的正交试验，优化解冻工艺，提高解冻均匀性，确定适合的无 线电波功率、极板间距和加热间歇时间。
[0011]进一步的，解冻过程的数值模拟和实验验证的过程为：
[0012](1)选择物理场：选用固体传热和静电两个物理场；
[0013](2)建立几何模型：确定鱼糜样品和极板的几何形状；
[0014](3)输入样品热物性参数；
[0015](4)设置边界条件：鱼糜样品表面与空气之间的对流传热；
[0016](5)划分网格：网格设定为标准单元尺寸；
[0017](6)选择求解器：选择UMFPACK直接线性求解器来求解偏微分方程，相对 和绝对容差分别设定为0.01和0.001
[0018](7)输出计算结果。
[0019]进一步的，其特征在于，无线电波功率对鱼糜样品解冻均匀性影响的探究 方法为：
[0020]无线电波频率为27.1MHz正弦波，无线电波功率分别设为2.0kW、3.0kW、 4.0kW和5.0kW，鱼糜样品为静止加热状态，其位置位于加热腔x方向和y方 向中央区域，鱼糜样品的尺寸为300×200×30mm3，鱼糜样品下表面距电极板 上端130mm；加热时间为300s，加热步长设为10s/步；
[0021]通过模型计算得出四种不同无线电波功率下的鱼糜样品xy截面上的电场强 度分布，电场强度标为0～9×103v/m；鱼糜样品在xy截面上的电场强度分布 存在明显的差异，电场强度随着无线电波功率的增加而逐渐增大，四种无线电 波功率下的鱼糜在xy截面上的电场强度均呈轴对称分布，高电场区域位于鱼糜 的中心部位，高电场区域形状呈中心向四周辐射状，鱼糜边角部位的电场强度 相对较小。
[0022]进一步的，极板间距对鱼糜样品解冻均匀性影响的探究方法为：
[0023]无线电波频率为27.1MHz正弦波，无线电波功率设定为2.0kW，鱼糜样品为 静止加热状态，其位置位于加热腔x方向和y方向中央区域，鱼糜样品的尺寸 为鱼糜样品的尺寸为300×200×30mm3，加热时间为300s，加热步长设为10s/ 步；
[0024]随着极板间距的变化，鱼糜表面的温度分布存在明显的差异，但鱼糜各层 的冷点位置始终位于鱼糜的中心部位，热点位置始终位于鱼糜样品的边角区域， 鱼糜中间层的温度要明显低于上下表面，鱼糜上表面温度要高于下表面；
[0025]采用极板间距为13cm下经无线电波加热后的鱼糜样品表面热点区域面积最 小，热点温度也最低，温度分布最为均匀；随着极板间距的减小，鱼糜边角部 位会有明显的局部过热现象，采用极板间距为7cm下经无线电波加热后的鱼糜 表面热点数量最多，热点区域面积最大，热点温度也最高。
[0026]进一步的，加热间歇时间对鱼糜样品解冻均匀性影响的探究方法为：
[0027]设定的加热间歇时间分别为0s、60s、90s和120s，间歇时间0s即为 无线电波连续加热，加热鱼糜样品期间不停机，其余组别均按照设定的间歇时 间停机后继续加热120s，各组别无线电波加热时间合计均为300s；
[0028]随着无线电波加热间歇时间的变化，鱼糜各层的冷点位置始终位于鱼糜的 中心部位，热点位置始终位于鱼糜的边角区域，鱼糜中间层的温度要明显低于 上下表面，鱼糜上表面温度要高于下表面；
[0029]采用无线电波连续加热后的鱼糜样品边角部位会有明显的局部过热现象， 鱼糜表面热点区域面积最大，热点温度也最高，温度分布均匀性较差；随着无 线电波加热间歇
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