共場處理室耦合場仿真軟件開發(fā)與分析

胡大華 平雪良 吉 祥 金 偉

（江南大學機械工程學院，江蘇 無錫 214122）

高壓脈沖電場（pulsed electric field，PEF）殺菌是將待滅菌液態(tài)物料采用泵送等方式流經(jīng)設置有高強脈沖電場的處理器，微生物在極短時間內受強電場力作用后，細胞結構被破壞，菌體死亡［1］。處理室作為PEF殺菌系統(tǒng)的重要組成部分，其結構形式主要有3種：平板式、同軸式和共場式，其中共場處理室由于阻抗較小、電場強度分布相對均勻、流速特性好等優(yōu)勢得到廣泛應用，尤其在中試規(guī)模和工業(yè)規(guī)模的PEF殺菌系統(tǒng)當中［2］。

共場處理室的結構形式相對簡單，包括兩個管道金屬電極和夾在中間的絕緣體材料，但其中的一些微小改變都會影響PEF殺菌系統(tǒng)的殺菌效果［3］。在以往的設計處理室時，大多研究者只考慮了電場分布情況，認為只要達到目標電場強度以及相對均勻的電場就行，完全忽略了流場和溫度場的作用效果，其實，三場之間的關聯(lián)是影響殺菌效果的重要因素，因此，對處理室進行三場耦合分析并優(yōu)化可以設計出更加適合高壓脈沖電場殺菌的處理室。

1 三場耦合關系

在PEF殺菌系統(tǒng)工作時，處理室內主要存在著3種物理場：電場、流場與溫度場，這三場之間的關系用控制方程表示見圖1。

從圖1控制方程之間的相互關系可以看出，電場為溫度場提供的能量Q升高了溫度T，溫度的升高，使流體特性發(fā)生改變，包括熱導率k、密度ρ、常壓熱容Cp、黏度η及電導率σ，上述變量都是溫度T的函數(shù)，同樣，流體流速v的改變也影響著溫度場的變化。因此，只有明確這三物理場之間的關系，才能更加準確地模擬處理室的工作過程［4－6］。

2 2D同場處理室仿真軟件開發(fā)

基于COMSOL Multiphysics的二次開發(fā)平臺－COMSOL With MATLAB開發(fā)出耦合場仿真分析軟件，該平臺能夠使COMSOL和MATLAB互相調用兩者的腳本程序，利用MATLAB工具箱中的GUI Toolbox編寫M腳本程序，并利用GUI Toolbox創(chuàng)建圖形化的界面設計。在COMSOL中把MATLAB作為腳本編寫工具和平臺，并在它的操作界面中，用戶可以調用用戶自定義函數(shù)的 MATLAB腳本，使得COMSOL的仿真更貼切實際［7，8］。

圖1 三場耦合關系圖Figure 1 Relationship diagram of three coupled fields

2.1 共場處理室參數(shù)化建模

軟件的開發(fā)以共場處理室為研究對象。采用二維模型結構（圖2），能夠簡化分析，直觀對比，圖中的結構主要包括兩端的接地電極、中間的高壓電極和內腔體形狀可變的絕緣體，處理區(qū)域位于高壓電極與接地電極之間。

處理室的主要尺寸參數(shù)有5個：電極內徑d，絕緣體圓角半徑r，絕緣體內嵌長度a，絕緣體寬度l，高壓電極長度b，單位均為mm。

2.2 材料屬性設置

處理室的高壓電極均采用不銹鋼316L［k＝44.5W／（m·K），Cp ＝475J／（kg·K），ρ＝7 850kg／m3］，絕緣體材料選用聚四氟乙烯［Cp ＝1 050J／（kg·K），k ＝0.24W／（m·K），ρ＝2 200kg／m3］，仿真過程中物料采用0.2%的NaCl溶液，其需要定義的參數(shù)如密度、黏度、常壓熱容和熱導率均與水相似，都是溫度T的函數(shù)，可以采用COMSOL Multiphysics材料庫中水的屬性。NaCl溶液的電導率σ隨溫度的變化情況可由式（1）得出。

圖2 共場處理室模型Figure 2 Model of the co－field treatment chamber

式中：

T0—— 物料的初始溫度，298.15K；

σ（T0）—— 物料電導率，4 200mS／cm；

α—— 溫度系數(shù)，0.002 14K－1。

2.3 軟件界面設計

軟件界面是利用MATLAB的GUI工具箱進行繪制的，根據(jù)模擬共場處理室工作過程的仿真分析要求，軟件界面主要涉及7個區(qū)域：結構參數(shù)區(qū)、模型圖像區(qū)、系統(tǒng)參數(shù)區(qū)、網(wǎng)格調整區(qū)、網(wǎng)格圖像區(qū)、求解區(qū)及后處理區(qū)。結構參數(shù)區(qū)，設置共場處理室模型主要尺寸參數(shù)，進行建模。

模型圖像區(qū)，用于顯示不同尺寸處理室模型的二維結構圖。

系統(tǒng)參數(shù)區(qū)，設置PEF殺菌系統(tǒng)電路參數(shù)及流體特性參數(shù)，包括電壓（V），脈沖頻率（Hz），方波脈沖脈寬（s），流體入口流速（m／s），流體初始溫度（℃）。

網(wǎng)格劃分區(qū)，COMSOL軟件自帶流體動力學劃分網(wǎng)格，根據(jù)精度需要將網(wǎng)格大小設置為極端細化至極端粗化等7種形式。

求解區(qū)，利用COMSOL的穩(wěn)態(tài)求解器進行耦合求解，求解完成后通過雷諾數(shù)公式計算流體狀態(tài)（層流或湍流），并彈出提示對話框，式（2）為雷諾數(shù)公式：

式中：

Re—— 雷諾數(shù)；

η—— 黏度，Pa·s；

r—— 管道半徑，mm；

v0—— 物料流速，m／s。

雷諾數(shù)≤2 500為層流，＞2 500為湍流。

后處理區(qū)，后處理界面設計中需要計算出3種不同物理場數(shù)值大小并繪出相應的分布曲線以及處理區(qū)域內平均電場與平均流速大小。繪制電場分布圖時，在下拉列表中分別設置電場分布和軸向電場分布可選，點擊繪圖按鈕，即可繪制出共場處理室中電場分布曲線圖；流場下拉列表中可繪制的曲線包括處理室內徑向流速分布曲線，后處理區(qū)中可繪制圖形有溫度分布圖、徑向溫度分布曲線和等溫線3種。

仿真軟件界面圖見圖3。

圖3 仿真軟件界面Figure 3 Simulation software interface

運用該軟件能夠對不同的PEF殺菌系統(tǒng)參數(shù)、不同結構及參數(shù)的同場處理室進行仿真分析。

3 共場處理室仿真分析

為了減小工作量同時獲得殺菌效果更優(yōu)的共場處理室結構，利用自主開發(fā)的仿真軟件對不同結構的共場處理室進行仿真對比分析。

處理室結構及參數(shù)的變化會對處理室內耦合場的分布產生很大的影響。電場強度是影響殺菌效果的第一因素，處理室內平均電場強度越高則電場分布越均勻。處理區(qū)徑向溫度分布是評判溫度分布好壞的標準。溫度分布是電場和流場相互作用的結果，根據(jù)公式Q＝σ（T）·E2可知，溫升會影響物料的電導率，而溫度分布的均勻性在一定程度上也能體現(xiàn)電場的均勻性。處理室內溫度分布情況對PEF殺菌效果的影響可能大于電場強度分布的作用。

3.1 基本條件

為了比較不同結構及參數(shù)的處理室溫度分布情況，必須滿足下述2個條件：

（1）平均電場強度相同，仿真時設定為30kV／cm。

（2）流經(jīng)處理腔的物料接受的脈沖數(shù)相同［9］。設定脈沖頻率f＝300Hz，脈沖寬度τ＝2×10－6μs，絕緣體長度l近似看作處理區(qū)域長度，這樣不僅能夠保證處理時間t近似于絕緣體長度l與平均流速v的比值：t＝l／v，而且通過控制平均流速v的大小保證流體接受相同個數(shù)的脈沖處理。

3.2 模型建立與參數(shù)設置

模型建立主要基于目前國內外共場處理室的常用結構，但是由于處理室內部尺寸太小，過于復雜的結構又難以加工，所以在建模區(qū)域設定不同參數(shù)構建了4種結構簡單的共場處理室見圖4。

圖4 4種不同結構的共場處理室模型Figure 4 4co－field treatment chamber models with different structures

A1～A4代表目前處理室模型的主要研究方向，表1所示是它們的基本參數(shù)：

為了滿足3.1中的基本條件，設定的電壓值和進口流速的數(shù)據(jù)見表2。

3.3 溫度分布對比

根據(jù)表1建立的4種共場處理室模型，在網(wǎng)格劃分區(qū)選擇劃分相同的較細化網(wǎng)格。在流料為湍流的條件下，通過仿真軟件繪制出每種模型的電場、流場、溫度場分布圖。為了直觀了解不同結構處理室模型內不同位置的溫度分布情況，應用此軟件繪制出徑向位置溫度分布曲線，見圖5。

表1 不同處理室模型基本參數(shù)Table 1 Parameters of different treatment chamber models ／mm

表2 4個模型系統(tǒng)參數(shù)設置Table 2 System parameter setting of 4models

圖5 4種模型徑向溫度分布曲線Figure 5 Radial temperature distribution curve of 4models

由圖5可知，在設定的相同平均電場強度和脈沖個數(shù)條件下，處理室模型不同位置分布情況都是在軸線兩端60%的處理區(qū)域內，A1～A4 4種模型的溫升在5℃以內，在60%～80%的位置，溫升均呈圓弧線緩慢上升，不同結構的溫升程度相近。超出80%的位置，即邊界附近，溫度直線上升，不同結構的處理室溫升的程度不同。

在A1模型中，其電極內徑與絕緣體內徑相同，流體的流速性能較好。根據(jù)圖5，在處理室邊界附近，A1模型的溫升卻超過其它模型，最高溫度達68℃；在靠近對稱軸的位置，A1模型的溫度變化情況與其它模型溫升基本相同，在對A1模型不同位置的溫度分布分析后得出，A1的溫升最不均勻。

對于A2模型，金屬電極的半徑大于絕緣體半徑，內嵌絕緣體呈直角，流體流速在不同半徑之間發(fā)生明顯變化。在繪制流場分布圖時，A2模型存在死區(qū)，可能會影響最后殺菌效果。處理區(qū)域的溫升最高也達到57℃，只比A1模型稍低。

針對A2模型流場中存在較大的死區(qū)問題，A3模型結構在絕緣體直角處進行倒角，使之呈現(xiàn)圓弧過渡。該種設計在結構上減小了死區(qū)面積，優(yōu)化了流體流動特性。由圖5可知，A3模型的最高溫升同樣出現(xiàn)在邊界附近，但此時的溫升已經(jīng)由A2模型的57℃下降到46℃，降幅較大。

A4模型在A2和A3的基礎上對圓角半徑進行了修改，與A3結構相比減小了圓角半徑，主要為直觀比較圓角半徑的大小對耦合場的影響。該模型的溫升情況與其它模型規(guī)律相同，在邊界處最高溫升為50℃。在絕緣體上進行倒角有助于提高絕緣體的流體流動特性并減小溫升，相同尺寸參數(shù)的處理室中，圓角半徑越大越好。

通過上述4種模型的分析對比，A3模型的溫度分布最均勻。但是對于電場分布，仍然需要通過軟件分析出4種模型的電場均勻性。圖6為4種模型的電場強度分布圖。

由圖6可知，A1模型的電場分布均勻性最差，在金屬電極與絕緣體交界處出現(xiàn)尖峰電場，場強為203.48kV／cm，可能致使處理室產生電極污染［10］。A3結構的處理室無論是溫升還是電場強度的分布都是最均勻的。存在死區(qū)結構的模型電場強度分布極不均勻，高場強可能會導致處理室液體擊穿，造成對PEF殺菌系統(tǒng)的損壞。同時，綜合仿真軟件分析結果可以得出溫度分布情況在某種程度上也影響電場強度分布。

4 結論

圖6 4種模型的電場強度分布圖Figure 6 Electric field distribution of 4models

共場處理室的結構雖然相對比較簡單，但在設計過程中要考慮的因素很多，如結構尺寸、系統(tǒng)參數(shù)、流體特性、電場和溫度場分布等，這都給實際設計與分析帶來了許多困難。通過運用本耦合場仿真軟件，便可輕易模擬出不同結構、不同系統(tǒng)參數(shù)下共場處理室的工作過程，給共場處理室的優(yōu)化和設計帶來很大的幫助。

綜合不同結構的共場處理室進行對比分析，得出了A3模型的處理室更能產生良好耦合場分布，后續(xù)的研究可以著重電極與絕緣體之間的圓弧過渡。A3模型無論是電場分布還是溫度場分布都比其它結構要均勻。同時研究得出，溫度的均勻程度是優(yōu)化處理室結構的第一標準。

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10 金偉，平雪良，吉祥，等.高壓脈沖電場殺菌系統(tǒng)的研究進展［J］.食品與機械，2012，28（1）：247～258.