微孔包装土豆微波加热数值模拟与实验研究

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近年来随着微波炉销量的提升,人们对家用微波炉的使用也越来越多,然而关于微波用食品包装的研究却较少,微波加热的不均匀性和加热后失水率过高仍是亟待解决的问题。本文通过包装改善这些问题,以家用微波炉为研究对象,使用COMSOL Multiphysics仿真软件建立微波加热去离子水、土豆泥传热传质模型。在此基础上,改进包装托盘形成凸起结构,对结构的宽度及方向进行分析。使用ANSYS APDL语言建立激光打孔模型,探究激光功率、次数对微孔孔径影响。通过实验与理论推导得出微孔膜湿流密度模型,用于微波加热传热传质仿真,并结合实验验证准确性。(1)以去离子水为研究对象,确定微波炉腔体的几何模型,选用立方体炉腔、精细炉腔、同轴馈入式炉腔三种微波炉腔模型,研究其对微波加热仿真模型准确性的影响。同轴馈入式炉腔仿真结果最为准确,误差为1%。建立水分在空气中扩散系数与温度响应模型,构建传质场,并与传热场耦合,通过实验验证结果准确性,平均误差为8.4%。以土豆泥为研究对象,建立固体食品微波传热传质模型,验证准确性,五个位置温度的平均误差为1.2%。(2)基于建立的微波加热土豆泥模型,改进PP基材托盘的结构,分析凸起结构宽度、方向对加热均匀性的影响;竖向凸起结构对加热均匀性改进效果较差,横向凸起结构对均匀性改善效果较好,横向结构宽度为6 cm时,变异系数(Coefficient of Variation)由1.40降低到0.95改善效果最好。(3)建立激光打孔BOPP薄膜温度场模型,与实验结果对比,孔深的均方根误差(RMSE)为1.573μm;上孔径RMSE为2.215μm。改变打孔脉冲次数及单次脉冲能量进行仿真分析得出:微孔孔径的大小及孔深,可由脉冲次数及脉冲能量控制。(4)通过实验测量建立薄膜的湿流密度及温度项函数;通过理论推导得出微孔在不同温度下的湿流密度模型,并通过实验进行验证,平均误差4.39%;结合两种湿流密度模型得出微孔膜湿流密度模型,作为有限元软件的边界条件用于模型仿真,最后仿真结果与实验验证得出:RMSE为0.047 g,平均误差18%。
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