Связанное моделирование массообмена, теплопередачи и механики твердого тела для повышения качества воздушного риса

20/11/2013

Работая в COMSOL, всегда интересно увидеть, насколько широким может быть поле для моделирования процессов теплопередачи. Зачастую исследователи используют COMSOL Multiphysics отнюдь не для изучения стальных отливок или вентиляторов охлаждения процессоров, а для изучения процессов теплопередачи в пищевой промышленности. Хороший пример подобных исследований — изучение тепловых и механических явлений, возникающих при производстве воздушного риса, доклад о которых был представлен в Бостоне в рамках конференции COMSOL Conference в 2013 году.

Физика в пищевой промышленности

Исследователь Тушар Гулати (Tushar Gulati) и его научный руководитель, профессор Ашим Датта (Ashim Datta) из Корнелльского университета, специализируются на применении физических методов исследования, в частности, моделирования с помощью COMSOL Multiphysics, к задачам из области пищевой промышленности. Постоянное правильное и качественное приготовление пищи требует знания необходимых количеств тепла и воды и способности управлять ими.

Когда мы стараемся улучшить приготовление пищи на кухне, мы следуем методу проб и ошибок: немного увеличиваем время варки, используем чуть более слабый огонь — и определяем, улучшились ли вкусовые качества приготовленного блюда по сравнению с прошлым разом или ухудшились. Для промышленного применения подобный способ не подойдет. Производство большого количества пробных партий того или иного продукта для определения условий приготовления, обеспечивающих постоянно высокое качество, может повлечь большие материальные или временные затраты.

Рисовое зерно
Ядро рисового зерна. Авторы изображения: Т. Гулати и А. Датта. Изображение взято из постера, отправленного на конференцию.

Именно поэтому пищевая промышленность опирается на инженерные принципы, включая компьютерные методы проектирования, например моделирование. Численное моделирование пищевых продуктов позволяет лучше понять природу физических и химических процессов, лежащих в основе приготовления пищи, а также быстро и с минимальными затратами проверить различные условия. Опираясь на результаты моделирования, инженер может прогнозировать оптимальные условия для производства высококачественного воздушного риса.

Задача о воздушном рисе

Гулати и Датта учли явления, возникающие во время варки воздушного риса, при которой быстрый нагрев влажных припущенных рисовых зерен приводит к испарению воды. Водяной пар оказывается запертым в пористой структуре рисового зерна, поднимая давление пара внутри зерна. Зерно под давлением начинает расширяться до тех пор, пока пар не сможет его покинуть, вызывая известный нам эффект «воздушности».

Как видно из постера, предложенного командой из Корнелльского университета, предел, до которого способно раздуваться отдельное зерно («объемное расширение») — это ключевой показатель качества продукции, приготовленной с использованием воздушного риса. Поэтому они стремились рассчитать это объемное расширение, на которое влияют условия приготовления и характеристики самого зерна.

Совместное моделирование тепломассообмена и механики твердого тела для анализа воздушного риса

Возможности COMSOL Multiphysics идеально подошли для объединения всех необходимых явлений в рамках одной модели. Единый пользовательский интерфейс позволяет совместно моделировать все физические явления, сопутствующие раздуванию риса, несмотря на то, что традиционно их относят к не связанным между собой областям физики. Прогностическая модель должна включать в себя множество различных явлений и процессов: теплопередачу в рисовом зерне посредством теплопроводности и конвекции; испарение воды и перенос воды и водяных паров внутри пор рисового зерна; постоянную (пластическую) деформацию рисового зерна в результате действующего на твердую структуру давления.

Объединяя указанные выше явления и процессы, можно получить высокоточную модель воздушного риса, для реализации которой потребуется меньшее количество приближений. Результаты исследования свидетельствуют о том, что легкое и более пористое зерно обеспечивает быстрое испарение воды, что, в свою очередь, приводит к увеличенному внутреннему давлению и большему объемному расширению и тем самым улучшает качество конечного продукта.

Объединение моделирования теплопередачи и массообмена с механикой твердого тела для исследования воздушного риса Моделирование показывает, насколько сильное давление создается внутри зерна в результате испарения, объемного расширения и пластической деформации. Авторы изображения: Т. Гулати и А. Датта. Изображение взято из постера, отправленного на конференцию.

Каким образом Гулати и Датта убедились в работоспособности своей модели? Как они объясняют во вступительной части, они использовали высокоскоростное фотографирование для подтверждения расчетных значений пластической деформации и объемного расширения рисовых зерен. Содержание влаги в воздушном рисе также соответствовало модели. Подобная экспериментальная проверка в лабораторных условиях позволила утверждать, что модель достаточно точна для предсказания физических явлений в задаче о воздушном рисе.

Скачайте постер


Комментарии (0)

Оставить комментарий
Войти | Регистрация
Загрузка...
РУБРИКАТОР БЛОГА COMSOL
РУБРИКИ
ТЕГИ