CN110414139A - 一种用于滚筒内颗粒状坚果热加工的仿真计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于滚筒内颗粒状坚果热加工的仿真计算方法，包括如下步骤：获取颗粒状坚果的物性参数、滚筒的材料特性参数和结构参数、滚筒—坚果之间及坚果—坚果之间的相互作用参数；根据所获得的颗粒状坚果的物性参数，在离散元软件中建立与实际相符的颗粒状坚果离散元模型；根据所述滚筒的结构参数，建立滚筒的三维实体模型；将所述滚筒的三维实体模型转换格式，将其导入至离散元软件中，再通过添加热交换接触模型、滚筒的转速等条件，建立颗粒状坚果热加工的离散元仿真模型；并设计正交实验仿真在不同工况下滚筒内坚果的运动状态以及热传导情况，通过方差分析得出最优工况。本发明利用离散元仿真技术模拟坚果炒制，成本更低，费时更少。

Description

一种用于滚筒内颗粒状坚果热加工的仿真计算方法

技术领域

本发明涉及食品热加工仿真技术领域，尤其是一种用于滚筒内颗粒状坚果热加工的仿真计算方法。

背景技术

坚果也称硬果，常指果皮坚硬的果实或者种子，包括花生、核桃、瓜子、杏仁、榛子、栗子、松子等有硬壳的小食品。坚果类种子食物是植物的精华部分，营养丰富、口味浓香。尤其是炒制后的坚果香味更浓，且经现代医学研究发现每日食用坚果有益身体健康，深受广大消费者的喜爱，故市场上对坚果的需求日益剧增，发展前景十分广阔。

我国坚果类炒货食品历史悠久，现有坚果炒制多为开放式的。例如栗子的炒制，即在炒锅中添加栗子、沙子和糖稀等之后，直接开放式炒制。炒制过程中使用煤炭、柴禾等加热炒锅。这种开放式的坚果炒制方法浪费能源炒制效率低下。主要依靠人的经验来判断坚果炒制情况，炒制温度难以精确控制，炒制过程难免会出现炒糊的现象，这就造成一些经济损失。另一种炒制坚果的方式是炒货机炒制，炒锅自动旋转，温度可以根据需要来进行人工调节，翻炒非常均匀，但是对于不同种类的坚果的炒制，炒锅的旋转速度、填充率及所提供的温度也会有所不同，炒制过程也难以精确掌控，也会出现炒糊的现象并造成一些经济损失，为了有效杜绝人为因素对炒制质量的影响，使炒好的坚果口感更酥香、品质更优良。通过实验仿真计算，能对不同种类的坚果，在不同工况下炒制的情况进行模拟，精准掌控炒制的时间，并且可以进一步得出不同坚果炒制品质最佳时所对应的工况，建立了一套比较完整坚果的炒制体系，为颗粒状坚果的炒制提供理论参考；所需成本更低，费时更少，所以对坚果炒制过程进行仿真计算是有必要的。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种用于滚筒内颗粒状坚果热加工的仿真计算方法。

本发明专利采用的技术方案是：

一种用于滚筒内颗粒状坚果热加工的仿真计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)通过技术手段(如颗粒激光扫描)得到颗粒状坚果的形状，统计分析颗粒状坚果的形状系数，确定颗粒状坚果的平均粒径；

(2)获取颗粒状坚果的物性参数(除平均粒径外)、滚筒的材料特性参数和结构参数、滚筒—坚果之间及坚果—坚果之间相互作用参数；

(3)根据步骤2所获得的颗粒状坚果的物性参数和步骤1中的平均粒径，在离散元软件中采用对应的颗粒形状和尺寸来模拟颗粒状坚果，建立与实际相符的颗粒状坚果离散元模型(颗粒)；

(4)根据所述滚筒的结构参数，建立滚筒的三维实体模型；

(5)将所述滚筒的三维实体模型转换格式，将其导入至离散元软件中，再通过添加热交换接触模型、周期性边界、重力加速度、滚筒的转速，建立颗粒状坚果热加工的离散元仿真模型；

热交换接触模型具体如下：壁面给定一个恒定的温度场(将滚筒壁厚视为薄壁，不考虑滚筒壁面与壁面的传热)，对旋转滚筒中的颗粒流进行单一相仿真时，滚筒与颗粒状坚果之间、坚果与坚果之间进行热交换，其热量满足以下关系：

式中：h_c为滚筒与颗粒状坚果之间的热传导系数，h_c′为坚果与坚果之间的热传导系数，ΔT_pG为滚筒与颗粒状坚果之间的温度差，为坚果与坚果之间的温度差；

每个颗粒的温度变化满足以下关系：

式中：m_p、C_p、T分别表示颗粒的质量、比热容、温度；∑Q_heat表示对流热和传导热之和；

(6)采用所述颗粒状坚果热加工的离散元仿真模型模拟颗粒状坚果热加工的过程，并设计正交实验仿真在不同工况下滚筒内坚果的运动状态以及热传导情况，通过方差分析计算出σ和M,进一步将M转换为负对数(-lnM)，得到坚果温度分布均匀的时间点，从而判断出仿真中相对最优的滚筒转速和填充率。

方差分析具体如下：

式中：σ表示每个网格中颗粒温度的平均值，n表示网格的数量，T_i表示颗粒i的温度

式中：M表示Lacey指数，表示不同温度的颗粒完全分离时混合方差，S²表示不同温度的颗粒实际混合方差，表示不同温度的颗粒完全随机混合方差。

上述的一种用于滚筒内颗粒状坚果热加工的仿真计算方法，其特征在于所述滚筒与坚果之间、坚果与坚果之间相互作用参数包括：恢复系数、静摩擦因数、动摩擦因数。

上述的一种用于滚筒内颗粒状坚果热加工的仿真计算方法，其特征在于所述颗粒状坚果的物性参数包括：密度、泊松比、剪切模量、比热容、热导率、初始温度。

上述的一种用于滚筒内颗粒状坚果热加工的仿真计算方法，其特征在于所述滚筒的材料特性参数包括：密度、泊松比、剪切模量、热导率、壁面的初始温度。

上述的一种用于滚筒内颗粒状坚果热加工的仿真计算方法，其特征在于所述滚筒的结构参数包括：直径、高度、壁厚、提升条的宽度、提升条的高度、提升条的数目、提升条的排列方式。

上述的一种用于滚筒内颗粒状坚果热加工的仿真计算方法，其特征在于所述热交换接触模型包括颗粒与颗粒之间的接触模型、颗粒与滚筒之间的接触模型。

上述的一种用于滚筒内颗粒状坚果热加工的仿真计算方法，其特征在于所述接触模型是先通过VS2013编译生成X64动态库文件，然后再将动态库文件和扩展名为.txt的文本文件放到离散元软件的Contact Model的路径之下。

附图说明

图1为热加工仿真的流程图

图2为热加工仿真初始状态图

图3为热加工仿真最终时刻状态图

图4为热加工仿真模型网格划分图

图5为热加工过程黄豆温度分布的均匀性指标图

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

一种用于滚筒内颗粒状坚果热加工的仿真计算方法，示例材料选用黄豆，示例离散元软件选用EDEM 2.7,包括如下步骤：

(1)通过技术手段(如颗粒激光扫描)得到黄豆的形状，统计分析黄豆的形状系数，确定黄豆的平均粒径；

在本实例中，黄豆的形状近似球形，形状系数为1,黄豆的平均粒径为7mm；

(2)获取黄豆的物性参数(除平均粒径外)、滚筒的材料特性参数和结构参数、滚筒—黄豆之间及黄豆—黄豆之间相互作用参数；

在本实例中，黄豆的物性参数包括密度、泊松比、剪切模量、比热容、热导率、初始温度，滚筒的材料特性参数包括密度、泊松比、剪切模量、热导率、壁面的初始温度，滚筒—黄豆之间及黄豆—黄豆之间相互作用参数包括恢复系数、静摩擦因数、动摩擦因数；具体参数值如表1所示:

表1

(3)根据步骤2所获得的黄豆的物性参数和步骤1中的平均粒径，在离散元软件中采用对应的颗粒形状和尺寸来模拟黄豆，建立与实际相符的黄豆离散元模型(颗粒)；

更具体的说，根据步骤1分析得到形状系数，在离散元软件中采用球形颗粒来模拟黄豆；

(4)根据所述滚筒的结构参数，建立滚筒的三维实体模型；

在本实例中，滚筒的结构参数包括直径、高度、壁厚、提升条的宽度、提升条的高度、提升条的数目、提升条的排列方式；具体参数值如表2所示：

表2

(5)将所述滚筒的三维实体模型转换格式，将其导入至离散元软件中，再通过添加接触模型、周期性边界条件、重力加速度、滚筒的转速，建立黄豆热加工的离散元仿真模型；

在本实例中，三维实体模型转换成IGS格式，选用的接触模型为热交换模型，该模型API编译及参数设置如下：先通过VS2013编译生成X64动态库文件，然后再将动态库文件和扩展名为.txt的文本文件放到离散元软件的Contact Model的路径之下；打开扩展名为.txt文件，在该文件里面设置颗粒的导热率和比热容，再设置滚筒的导热率和初始温度，打开EDEM软件，选择particle to particle和particle to geometry，均设置为热交换接触模型,EDEM中颗粒和几何体的名字必须与txt中的名字匹配，如txt中颗粒的名字为Particle，几何体的名字为Cylinder，在颗粒工厂中设置颗粒的初始温度；

热交换模型原理具体如下：壁面给定一个恒定的温度场，(将滚筒壁厚视为薄壁，不考虑滚筒壁面与壁面的传热)，对旋转滚筒中的颗粒流进行单一相仿真时，滚筒与黄豆之间、黄豆与黄豆之间进行热交换，其热量满足以下关系：

式中：h_c为滚筒与黄豆之间的热传导系数，h_c′为黄豆与黄豆之间的热传导系数，ΔT_pG为滚筒与黄豆之间的温度差，为黄豆与黄豆之间的温度差；

颗粒状坚果的炒制过程为颗粒流单一相仿真，材料相同，即颗粒与颗粒热传热系数满足：

式中：F_N为颗粒的重力，为颗粒的几何平均半径，E^*为等效弹性模量， 为颗粒的导热系数，等式右侧方括号中的内容表示颗粒与颗粒之间的接触面积；

每个颗粒的温度变化满足以下关系：

式中，m_p、C_p、T分别表示颗粒的质量、比热容、温度，∑Q_heat表示对流热和传导热之和；

更具体的说，为了减少仿真的时间及计算量，在Z方向上设置了周期性边界条件，在Y方向添加重力加速度为-9.81m/s²；

(6)采用所述颗粒状坚果热加工的离散元仿真模型模拟颗粒状坚果热加工的过程，并设计正交实验仿真在不同工况下滚筒内坚果的运动状态以及热传导情况，通过方差分析计算出σ和M,进一步将M转换为负对数(-lnM)，得到坚果温度分布均匀的时间点，从而判断出仿真中相对最优的滚筒转速和填充率。

方差分析具体如下：

式中：σ表示每个网格中颗粒温度的平均值，n表示网格的数量，T_i表示颗粒i的温度

式中：M表示Lacey指数，表示不同温度的颗粒完全分离时混合方差，S²表示不同温度的颗粒实际混合方差，表示不同温度的颗粒完全随机混合方差。

更具体的说，不同的工况包括滚筒的转速、填充率、壁面的温度，在正交试验的组合下，仿真得到各组的黄豆温度分布运动状态以及热传导情况，在EDEM后处理中，将滚筒划分网格(如图4)，统计每个网格中黄豆的总共的温度，通过方差分析计算出σ和M，进一步将M转换为负对数(-lnM)，绘出各组时间与负对数(-lnM)、σ的关系图(图5为其中的一组)，得到各组黄豆温度分布均匀的时间点，再通过正交试验设计中不同因素和水平的试验指标之间的关系，从而判断出仿真中相对最优的滚筒转速和填充率。

以上所述仅为本发明的优选实例方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于滚筒内颗粒状坚果热加工的仿真计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)通过技术手段(如颗粒激光扫描)得到颗粒状坚果的形状，统计分析颗粒状坚果的形状系数，确定颗粒状坚果的平均粒径；

(2)获取颗粒状坚果的物性参数(除平均粒径外)、滚筒的材料特性参数和结构参数、滚筒—坚果之间及坚果—坚果之间的相互作用参数；

(3)根据步骤2所获得的颗粒状坚果的物性参数和步骤1中的平均粒径，在离散元软件中采用对应的颗粒形状和尺寸来模拟颗粒状坚果，建立与实际相符的颗粒状坚果离散元模型(颗粒)；

(4)根据所述滚筒的结构参数，建立滚筒的三维实体模型；

(5)将所述滚筒的三维实体模型转换格式，将其导入至离散元软件中，再通过添加热交换接触模型、周期性边界、重力加速度、滚筒的转速，建立颗粒状坚果热加工的离散元仿真模型；

热交换模型具体如下：壁面给定一个恒定的温度场，(将滚筒壁厚视为薄壁，不考虑滚筒壁面与壁面的传热)，对旋转滚筒中的颗粒流进行单一相仿真时，滚筒与颗粒状坚果之间、坚果与坚果之间进行热交换，其热量满足以下关系：

式中：h_c为滚筒与颗粒状坚果之间的热传导系数；h_c′为坚果与坚果之间的热传导系数；ΔT_pG为滚筒与颗粒状坚果之间的温度差；为坚果与坚果之间的温度差；

每个颗粒的温度变化满足以下关系：

式中，m_p、C_p、T分别表示颗粒的质量、比热容、温度；∑Q_heat表示对流热和传导热之和；

(6)采用所述颗粒状坚果热加工的离散元仿真模型模拟颗粒状坚果热加工的过程，并设计正交实验仿真在不同工况下滚筒内坚果的运动状态以及热传导情况，通过方差分析计算出σ和M,进一步将M转换为负对数(-lnM)，得到坚果温度分布均匀的时间点，从而判断出仿真中相对最优的滚筒转速和填充率。

方差分析具体如下：

式中：σ表示每个网格中颗粒温度的平均值，n表示网格的数量，T_i表示颗粒i的温度

式中：M表示Lacey指数，表示不同温度的颗粒完全分离时混合方差，S²表示不同温度的颗粒实际混合方差，表示不同温度的颗粒完全随机混合方差。

2.根据权利要求1所述的一种用于滚筒内颗粒状坚果热加工的仿真计算方法，其特征在于所述滚筒与颗粒状坚果之间、坚果与坚果间的碰撞参数包括：恢复系数、静摩擦因数、动摩擦因数。

3.根据权利要求1所述的一种用于滚筒内颗粒状坚果热加工的仿真计算方法，其特征在于所述颗粒状坚果的物性参数包括：密度、泊松比、剪切模量、比热容、热导率、初始温度。

4.根据权利要求1所述的一种用于滚筒内颗粒状坚果热加工的仿真计算方法，其特征在于所述滚筒的材料特性参数包括：密度、泊松比、剪切模量、热导率、壁面的初始温度。

5.根据权利要求1所述的一种用于滚筒内颗粒状坚果热加工的仿真计算方法，其特征在于所述滚筒的结构参数包括：直径、高度、壁厚、提升条的宽度、提升条的高度、提升条的数目、提升条的排列方式。

6.根据权利要求1所述的一种用于滚筒内颗粒状坚果热加工的仿真计算方法，其特征在于所述接触模型包括颗粒与颗粒之间的接触模型、颗粒与滚筒之间的接触模型。

7.根据权利要求1所述的一种用于滚筒内颗粒状坚果热加工的仿真计算方法，其特征在于所述接触模型是先通过VS2013编译生成X64动态库文件，然后再将动态库文件和扩展名为.txt的文本文件放到离散元软件的Contact Model的路径之下。