CN112699591B - 一种米饭烹饪仿真模型的建立方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种米饭烹饪仿真模型的建立方法及系统，该方法包括：根据煮饭锅和大米的比热容、密度和导热系数，确定热量传递模型；建立煮饭锅的三维模型，进行网格划分；根据初始条件、边界条件以及热量传递模型，依次对三维模型的网格的温度进行更新，确定在各烹饪阶段中锅体的第一温度场云图以及米水混合物的第二温度场云图；根据各个温度场云图中的温度数据，分别确定锅体温度参考曲线和米水混合物温度参考曲线；根据拟合指标，确定不同烹饪阶段最优的烹饪加热温度。本发明采用有限元对工业煮饭锅米饭烹饪进行温度仿真，建立米饭烹饪模型，为米饭烹饪温度闭环控制提供依据，实现米饭烹饪智能化控制。

Description

一种米饭烹饪仿真模型的建立方法及系统

技术领域

本发明涉及煮饭锅技术领域，尤其涉及一种米饭烹饪仿真模型的建立方法及系统。

背景技术

近年来，随着生活节奏的不断加快，很多人没有时间自己做饭，促进了快餐业、中央食堂、校餐等行业的发展。但这些场所采用传统的大锅蒸饭法和蒸柜式蒸饭法，使米饭的烹饪效率低，米饭口感差，品质不稳定，因此，大型工业煮饭机应运而生。

目前工业煮饭机在控制系统方面还存在一些问题。一方面，现有工业煮饭机控制加热温度的准确度不高，但实际上不同品种的大米加热过程中需要的加热温度并不相同，其期望的加热温度需要反复的实验与设计；另一方面，在工业煮饭机的控制系统的改进过程中，每一次改进都需要对米饭烹饪过程进行验证和分析，而反复进行米饭烹饪加大了研发成本，降低了研发的效率性。综上，现有技术缺乏对米饭烹饪过程的准确仿真分析，而只有准确地建立米饭烹饪模型，才能进一步对工业煮饭机的控制系统进行研究，对提高米饭烹饪品质具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种米饭烹饪仿真模型的建立方法及系统，用以解决如何针对米饭烹饪过程进行高效准确仿真分析的问题。

本发明提供一种米饭烹饪仿真模型的建立方法，包括：

获取煮饭锅的比热容、密度和导热系数，以及大米的比热容、密度和导热系数；

根据所述煮饭锅的比热容、密度和导热系数以及所述大米的比热容、密度和导热系数，确定热量传递模型；

建立煮饭锅的三维模型，并对所述三维模型进行网格划分，其中，所述三维模型包括锅体、锅盖以及内部的米水混合物；

根据预设的初始条件、预设的不同烹饪阶段的边界条件以及所述热量传递模型，依次对所述三维模型的网格的温度进行更新，确定在各烹饪阶段中所述锅体的第一温度场云图以及所述米水混合物的第二温度场云图；

根据所述第一温度场云图和所述第二温度场云图中的温度数据，分别确定对应的锅体温度参考曲线和米水混合物温度参考曲线，以模拟不同加热温度下的米饭烹饪过程；

根据所述锅体温度参考曲线和所述米水混合物温度参考曲线的拟合指标，确定不同烹饪阶段最优的烹饪加热温度。

进一步地，还包括：

获取不同品种的大米，确定对应的所述烹饪加热温度；

建立所述不同品种的大米和对应的所述烹饪加热温度之间的映射关系；

根据所述映射关系，建立不同品种的大米的烹饪加热温度数据库。

进一步地，所述热量传递模型包括所述米水混合物的热传递模型、所述锅体的热传递模型，所述根据所述煮饭锅的比热容、密度和导热系数以及所述大米的比热容、密度和导热系数，确定热量传递模型包括：

根据所述煮饭锅的比热容、密度和导热系数，确定所述锅体的热传递模型；

根据所述大米的比热容、密度和导热系数以及水的比热容、密度和导热系数，确定所述米水混合物的热传递模型。

进一步地，所述根据所述大米的比热容、密度和导热系数以及水的比热容、密度和导热系数，确定所述米水混合物的热传递模型包括：

根据所述大米的比热容、密度和导热系数以及所述水的比热容、密度和导热系数，通过以下公式确定所述米水混合物的比热容、密度和导热系数：

式中，m1、m2分别是米的质量、水的质量，ρ、ρ₁、ρ₂分别是米水混合物的密度、米的密度、水的密度，c、c1、c2分别是米水混合物的比热容、米的比热容、水的比热容，λ、λ₁、λ₂分别是米水混合物的导热系数、米的导热系数、水的导热系数；

根据所述米水混合物的密度、比热容以及导热系数，确定所述米水混合物的热传递模型。

进一步地，所述米水混合物的热传递模型包括热传导模型和热对流模型，其中：

通过以下公式表示所述热传导模型：

式中，q*表示在方向n上每单位面积的热流率；K_nn表示在方向n的热导率；

表示在方向n的温度梯度，负号表示热沿梯度方向反向流动，从热区域流向冷区域；

通过以下公式表示所述热对流模型：

Q＝h_f(T_S-T_F)A

式中，Q表示单位时间内对流换热热流量；h_f表示对流换热系数；T_s表示固体表面温度；T_F表示周围流体温度；A表示流体与固体接触面积。

进一步地，所述根据所述第一温度场云图和所述第二温度场云图中的温度数据，分别确定对应的锅体温度参考曲线和米水混合物温度参考曲线包括：

根据所述第一温度场云图，确定所述锅体的温度数据；

根据所述锅体的温度数据和不同烹饪阶段的平均温度随着加热时间的变化过程，确定第一温度变化曲线图；

对所述第一温度变化曲线图进行拟合，确定对应的所述锅体温度参考曲线；

根据所述第二温度场云图，确定所述米水混合物的温度数据；

根据所述米水混合物的温度数据和不同烹饪阶段的平均温度随着加热时间的变化过程，确定第二温度变化曲线图；

对所述第二温度变化曲线图进行拟合，确定对应的所述米水混合物温度参考曲线；

其中，所述锅体温度参考曲线和所述米水混合物温度参考曲线如下式所示：

式中，T表示为锅体温度或米水混合物温度，t表示为加热时间，0至T₁表示大火阶段，A₁、A₂、A₃表示大火阶段的拟合参数，T₁至T₂表示文火阶段，B₁、B₂、B₃表示文火阶段的拟合参数，T₂至T₃表示沸腾阶段，C₁、C₂、C₃表示沸腾阶段的拟合参数，T₃至T₄表示焖饭阶段，D₁、D₂、D₃表示焖饭阶段的拟合参数。

进一步地，所述建立煮饭锅包括锅体、锅盖、米水混合物的三维模型，并对所述三维模型进行网格划分之后，还包括：

采用单元畸变度对所述三维模型的网格进行质量检查，确定每个网格的网格质量值；

将每个所述网格的网格质量值和预设质量值进行比较，根据比较结果判断每个所述网格的网格质量是否满足仿真要求。

进一步地，所述预设的各烹饪阶段的边界条件依次包括大火阶段的边界条件、文火阶段的边界条件、沸腾阶段的边界条件以及焖饭阶段的边界条件，其中：

所述大火阶段的边界条件包括热载荷为第一温度，时间步长为第一步长，时间步数为第一步数；

所述文火阶段的边界条件包括热载荷为第二温度，时间步长为第二步长，时间步数为第二步数；

所述沸腾阶段的边界条件包括热载荷为第三温度，时间步长为第三步长，时间步数为第三步数；

所述焖饭阶段的边界条件包括热载荷为第四温度，时间步长为第四步长，时间步数为第四步数。

进一步地，所述预设的初始条件包括：所述煮饭锅和所述米水混合物的初始温度均为第一预设初始温度。

本发明还提供一种米饭烹饪仿真模型的建立系统，包括：

获取单元，用于获取煮饭锅的比热容、密度和导热系数，以及大米的比热容、密度和导热系数；

处理单元，用于根据所述煮饭锅的比热容、密度和导热系数以及所述大米的比热容、密度和导热系数，确定热量传递模型；还用于建立煮饭锅的三维模型，并对所述三维模型进行网格划分，其中，所述三维模型包括锅体、锅盖以及内部的米水混合物；还用于根据预设的初始条件、预设的不同烹饪阶段的边界条件以及所述热量传递模型，依次对所述三维模型的网格的温度进行更新，确定在各烹饪阶段中所述锅体的第一温度场云图以及所述米水混合物的第二温度场云图；

建模单元，用于根据所述第一温度场云图和所述第二温度场云图中的温度数据，分别确定对应的锅体温度参考曲线和米水混合物温度参考曲线，以模拟不同加热温度下的米饭烹饪过程；还用于根据所述锅体温度参考曲线和所述米水混合物温度参考曲线的拟合指标，确定不同烹饪阶段最优的烹饪加热温度。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：首先，根据煮饭锅和米的各种热学性质，确定相应的热量传递模型；然后，建立煮饭锅的三维模型，不仅便于建立空间、时间和热量的关系，同时以立体视角更为直观地显示温度传导的变化；进而，根据初始条件、各烹饪阶段的边界条件以及热量传递模型，针对网格进行温度更新，以此结合有限元技术针对煮饭的不同烹饪阶段进行仿真分析，高效反映了米饭烹饪的过程；然后，根据温度场云图中的温度数据，确定锅体温度参考曲线和米水混合物温度参考曲线，以此表示锅体和米水混合物在加热过程中的温度变化；最后，根据拟合指标，结合锅体温度和米水混合物温度的变化曲线，确定不同烹饪阶段最优的烹饪加热温度，保证仿真对应的烹饪加热温度的准确性和实用性。综上，本发明采用有限元对工业煮饭锅米饭烹饪进行温度仿真，利用三维模型的网格温度更新，建立米饭烹饪模型，结合锅体温度和米水混合物温度的曲线变化，确定不同烹饪阶段最优的烹饪加热温度，为米饭烹饪温度控制提供依据，实现米饭烹饪智能化控制，能有效地在实际研发中对米饭烹饪过程进行验证和分析，节约研发成本，大大提高了研发的效率性。

附图说明

图1为本发明提供的米饭烹饪仿真模型的建立方法的流程示意图；

图2为本发明提供的确定热量传递模型的流程示意图；

图3为本发明提供的判断网格质量的流程示意图；

图4为本发明提供的网格划分结果图；

图5为本发明提供的网格质量检查图；

图6为本发明提供的温度场云图的示意图一；

图7为本发明提供的温度场云图的示意图二；

图8为本发明提供的温度场云图的示意图三；

图9为本发明提供的温度场云图的示意图四；

图10为本发明提供的锅体在各烹饪阶段平均温度随加热时间变化的曲线图；

图11为本发明提供的米水混合物在各烹饪阶段平均温度随加热时间变化的曲线图；

图12为本发明提供的验证实验中米水混合物的平均温度的曲线图；

图13为本发明提供的米饭烹饪仿真模型的建立系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明实施例提供了一种米饭烹饪仿真模型的建立方法，结合图1来看，图1为本发明提供的米饭烹饪仿真模型的建立方法的流程示意图，上述米饭烹饪仿真模型的建立方法包括步骤S1至步骤S4，其中：

在步骤S1中，获取煮饭锅的比热容、密度和导热系数，以及大米的比热容、密度和导热系数；

在步骤S2中，根据煮饭锅的比热容、密度和导热系数以及大米的比热容、密度和导热系数，确定热量传递模型；

在步骤S3中，建立煮饭锅的三维模型，并对三维模型进行网格划分，其中，三维模型包括锅体、锅盖以及内部的米水混合物；

在步骤S4中，根据预设的初始条件、预设的不同烹饪阶段的边界条件以及热量传递模型，依次对三维模型的网格的温度进行更新，确定在各烹饪阶段中锅体的第一温度场云图以及米水混合物的第二温度场云图；

在步骤S5中，根据第一温度场云图和第二温度场云图中的温度数据，分别确定对应的锅体温度参考曲线和米水混合物温度参考曲线，以模拟不同加热温度下的米饭烹饪过程；

在步骤S6中，根据锅体温度参考曲线和米水混合物温度参考曲线的拟合结果，确定不同烹饪阶段最优的烹饪加热温度。

在本发明实施例中，首先，根据煮饭锅和米的各种热学性质，确定相应的热量传递模型；然后，建立煮饭锅的三维模型，不仅便于建立空间、时间和热量的关系，同时以立体视角更为直观地显示温度传导的变化；进而，根据初始条件、各烹饪阶段的边界条件以及热量传递模型，针对网格进行温度更新，以此结合有限元技术针对煮饭的不同烹饪阶段进行仿真分析，高效反映了米饭烹饪的过程；然后，根据温度场云图中的温度数据，确定锅体温度参考曲线和米水混合物温度参考曲线，以此反馈锅体和米水混合物在加热过程中的温度变化；最后，根据拟合指标，结合锅体温度和米水混合物温度的变化曲线，确定不同烹饪阶段最优的烹饪加热温度，保证仿真对应的烹饪加热温度的准确性和实用性。

优选地，上述米饭烹饪仿真模型的建立方法还包括：

获取不同品种的大米，确定对应的烹饪加热温度；

建立不同品种的大米和对应的烹饪加热温度之间的映射关系；

根据映射关系，建立不同品种的大米的烹饪加热温度数据库。

由此，利用上述米饭烹饪仿真模型的建立方法对不同品种的大米进行仿真，根据仿真结果确定对应的不同烹饪阶段最优的烹饪加热温度，通过两者之间的映射关系，构建烹饪加热温度数据库，以便后续应用于米饭烹饪过程中进行闭环控制，保证其实用性。

优选地，热量传递模型包括米水混合物的热传递模型、锅体的热传递模型。结合图2来看，图2为本发明提供的确定热量传递模型的流程示意图，步骤S2包括步骤S21至步骤S22，其中：

在步骤S21中，根据煮饭锅的比热容、密度和导热系数，确定锅体的热传递模型；

在步骤S22中，根据大米的比热容、密度和导热系数以及水的比热容、密度和导热系数，确定米水混合物的热传递模型。

由此，分别确定锅体的热传递模型、米水混合物的热传递模型，以此有效反馈锅体、米水混合物的热传导过程。

需要说明的是，煮饭锅在加热时，锅体的热传递方式主要是热传导传热，由高温区向低温区传递，米水混合物是按一定比例加入锅中，是固体与液体的混合物，其热量传递方式是热传导和热对流。随着烹饪的进行，烹饪一定时间后，水被大米吸收(不再是米水混合物)，此时是固体形式，此时热量的传递主要是热传导。因此在对煮饭锅进行温度场仿真时，主要讨论锅底加热温度对锅体和米水混合物温度场的影响以及温度变化。

其中，在热传导的过程中，在传递过程中遵循傅里叶热传导定律，即在单位时间内，通过单位面积所传导的热量(即热流密度)，与垂直于该截面方向上的温度梯度成正比，其数学表达式如下式所示：

式中，q*表示在方向n上每单位面积的热流率，即热流密度，单位为W/m²；K_nn表示在方向n的热导率，单位为W/(m·K)；

表示在方向n的温度梯度，单位为W/m，负号表示热沿梯度方向反向流动，从热区域流向冷区域。其中，热导率是衡量物体导热能力的重要参数之一，数值越大，物体导热能力就越强。一般来说，固体热导率最大，液体次之，气体最小。

其中，在热对流的过程中，热对流现象发生在固体表面与周围介质(流体)之间，由于温差而引起的热量交换。热对流一般分为两类：自然对流和强制对流。对流的热流由冷却的牛顿准则得出，其数学表达式如下式所示：

Q＝h_f(T_S-T_F)A

式中，Q表示单位时间内对流换热热流量，单位为W；h_f表示对流换热系数，单位为W/(m2·℃)；T_s表示固体表面温度，单位为℃；T_F表示周围流体温度，单位为℃；A表示流体与固体接触面积，单位为m2；锅中的米水混合物在加热过程中的热量传递为传导传热和对流传热，主要以热传导为主，在计算传热时，可用迭代法与解析法计算。

具体地，步骤S22包括：通过以下公式确定米水混合物的比热容、密度和导热系数：

式中，m1、m2分别是米的质量、水的质量，ρ、ρ₁、ρ₂分别是米水混合物的密度、米的密度、水的密度，c、c1、c2分别是米水混合物的比热容、米的比热容、水的比热容，λ、λ₁、λ₂分别是米水混合物的导热系数、米的导热系数、水的导热系数。在本发明一个具体实施例中，利用上式可求出米水混合物的比热容c为2377.39J/(kg·K)，密度ρ为348.39g/cm3，导热系数λ为0.68W/(m·K)。

优选地，结合图3来看，图3为本发明提供的判断网格质量的流程示意图，步骤S3之后还包括步骤S3001至步骤S3002，其中：

在步骤S3001中，采用单元畸变度对三维模型的网格进行质量检查，确定每个网格的网格质量值；

在步骤S3002中，将每个网格的网格质量值和预设质量值进行比较，根据比较结果判断每个网格的网格质量是否满足仿真要求。

由此，通过对每个网格的质量进行检查，保证整个三维模型的准确性，以便后续对烹饪过程进行仿真。

需要说明的是，结合图4、图5来看，其中，图4为本发明提供的网格划分结果图，图5为本发明提供的网格质量检查图，煮饭锅三维模型建立后，需要网格划分后才可以热仿真分析，利用Mesh对煮饭锅进行网格划分，网格类型为All Tri，本文划分的网格节点(Nodes)数有890096，单元(Elements)数有4538248，网格划分结果如图4所示。采用单元畸变度(Skewness)对划分的网格进行质量检查，质量值位于0～1之间，数值越接近0代表质量越高。本文网格质量值最大为0.85＜0.95，其中大部分网格质量值小于0.5，主要分布在0～0.38之间，即划分的网格质量满足仿真要求，如图5所示。

优选地，步骤S5具体包括：

根据第一温度场云图，确定锅体的温度数据；

根据锅体的温度数据和不同烹饪阶段的平均温度随着加热时间的变化过程，确定第一温度变化曲线图；

对第一温度变化曲线图进行拟合，确定对应的锅体温度参考曲线；

根据第二温度场云图，确定米水混合物的温度数据；

根据米水混合物的温度数据和不同烹饪阶段的平均温度随着加热时间的变化过程，确定第二温度变化曲线图；

对第二温度变化曲线图进行拟合，确定对应的米水混合物温度参考曲线；

其中，锅体温度参考曲线和米水混合物温度参考曲线如下式所示：

式中，T表示为锅体温度或米水混合物温度，t表示为加热时间，0至T₁表示大火阶段，A₁、A₂、A₃表示大火阶段的拟合参数，T₁至T₂表示文火阶段，B₁、B₂、B₃表示文火阶段的拟合参数，T₂至T₃表示沸腾阶段，C₁、C₂、C₃表示沸腾阶段的拟合参数，T₃至T₄表示焖饭阶段，D₁、D₂、D₃表示焖饭阶段的拟合参数。

优选地，预设的各烹饪阶段的边界条件依次包括大火阶段的边界条件、文火阶段的边界条件、沸腾阶段的边界条件以及焖饭阶段的边界条件，其中：

大火阶段的边界条件包括热载荷为第一温度，时间步长为第一步长，时间步数为第一步数；

文火阶段的边界条件包括热载荷为第二温度，时间步长为第二步长，时间步数为第二步数；

沸腾阶段的边界条件包括热载荷为第三温度，时间步长为第三步长，时间步数为第三步数；

焖饭阶段的边界条件包括热载荷为第四温度，时间步长为第四步长，时间步数为第四步数。

由此，根据不同的阶段，设置不同热载荷、时间步长以及时间步数，以此有效仿真不同阶段的热传导过程，同时保证不同阶段的有效过渡。

其中，当大米品种为籼米，第一温度优选为293℃，第一步长为3s，第一步数为200。由此，设置合理的第一温度、第一步长以及第一步数，保证大火阶段的边界正确。

其中，当大米品种为籼米，第二温度优选为244℃，第二步长为3s，第二步数为140。由此，设置合理的第二温度、第二步长以及第二步数，保证文火阶段的边界正确。

其中，当大米品种为籼米，第三温度优选为182℃，第三步长为3s，第三步数为160。由此，设置合理的第三温度、第三步长以及第三步数，保证沸腾阶段的边界正确。

其中，当大米品种为籼米，第四温度优选为106℃，第四步长为5s，第四步数为180。由此，设置合理的第四温度、第四步长以及第四步数，保证焖饭阶段的边界正确。

优选地，预设的初始条件包括：煮饭锅和米水混合物的初始温度均为第一预设初始温度。由此，设置有效的第一预设初始温度，保证初始状态的稳定性和准确性。

其中，第一预设初始温度优选为28℃。由此，根据实际测量，设置合理的煮饭锅和米水混合物的初始温度。

需要说明的是，工业煮饭机采用天然气燃烧对煮饭锅锅底加热，实现米饭烹饪。由于空气的导热性差，加热室还具备一定的保温效果，在加热过程中，只有锅底受热，热量主要由锅底向锅的侧壁以及锅中传递，锅中米饭烹饪温度受外界影响较小，可以忽略外界环境的影响，所以采用热载荷的形式，将其施加在煮饭锅锅底，并选择瞬态热分析。各阶段的边界条件设置原理如下：

第一阶段为大火阶段，热载荷为293℃，时间步长为3s，时间步数为200。由于大米经过40min-60min浸泡，吸水充分，所以在加热室中可以直接采用大火加热快速升温，而不用经过预热阶段，对米饭烹饪品质无影响；

第二阶段为文火阶段，热载荷为244℃，时间步长为3s，时间步数为140。此阶段是为沸腾做准备，温升速率不能太大，若过大，可能导致糊化，直接影响米饭的品质以及关键风味物质的含量；

第三阶段为沸腾阶段，热载荷为182℃，时间步长为3s，时间步数为160。沸腾阶段的米水混合物温度需要达到94℃-100℃，利于米饭的翻滚，保证米饭的松软，利于挥发性物质在锅中发生反应，提高米饭的风味；

第四阶段为焖饭阶段，热载荷为106℃，时间步长为5s，时间步数为180。适当高温焖饭有利于米饭风味物质的释放，同时，适当延长焖饭时间有利于风味物质的合成，但温度过高，时间过长不利于米饭的外观品质，且容易导致米饭质地较硬，所以合适的焖饭温度和时间也很重要。

在本发明一个具体的实施例中，结合图6、图7、图8、图9来看，其中，图6为本发明提供的温度场云图的示意图一，图7为本发明提供的温度场云图的示意图二，图8为本发明提供的温度场云图的示意图三，图9为本发明提供的温度场云图的示意图四，其中：

在图6中，加热温度为293℃，对应大火阶段。温度呈阶梯分布，热量由锅的底部向锅的侧壁以及锅中传热，锅体最高温度位于底面，最高温度为293℃，最低温度为140.159℃，加热结束时锅体的平均温度为224.731℃，未超过锅体的熔点。而米水混合物与锅底接触面处温度最高，符合仿真结果，经过10min的热传递，米水混合物的平均温度值达到了84.080℃，与参考温度低0.920℃，米水混合物的温度较为均匀，即热载荷施加符合要求。

在图7中，加热温度为244℃时，对应文火阶段。锅体最高温度为244℃，分布在底部加热面上，最低温度187.572℃，分布在锅体两侧把手与锅体结合处，壁较厚，平均温度为214.67℃。米水混合物经过7min的热传递，温度平均值达到95.602℃，热量在传递过程中比较均匀。

在图8中，加热温度为182℃时，对应沸腾阶段。锅体最高温度为182℃分布在底部和上边沿，上边沿处温度较高是由于锅中沸腾产生的蒸汽引起的，平均温度为180.11℃，温度分布较为均匀。米水混合物经过8min的热传递，温度平均值达到97.175℃，相比前两个阶段，其温度明显升高且分布较均匀，即热载荷施加符合要求。

在图9中，加热温度为106℃时，对应焖饭阶段。锅体最高温度为131.427℃，分布在锅的上边沿，平均温度为121℃，与实际检测的锅体温度相差5℃～10℃。这是由于在加热室出口处，环境引起散热较快，温度误差范围符合要求。焖饭阶段的米水混合物经过15min的吸热散热，最终平均温度为88.945℃，与参考温度90℃相差1.055℃，满足米饭焖饭要求，即焖饭阶段的仿真与实际基本符合。

优选地，根据温度场云图中的数据导出，利用转换公式，将开氏度转换成摄氏度；根据转换后的数据，绘制锅体和米水混合物在各烹饪阶段平均温度随加热时间变化的曲线图。由此，利用公式转换，直观地绘制温度变化的曲线图，便于直接分析仿真结果。

其中，结合图10来看，图10为本发明提供的锅体在各烹饪阶段平均温度随加热时间变化的曲线图，由图可知，在烹饪过程中加热温度呈阶梯降低，因为水的比热容大，沸点固定，适当加热就可维持锅中米水温度不变或持续上升，根据图中的数据建立了锅体在加热时，其锅体的平均温度T随时间t变化的函数关系T＝f(t)，表示为下式：

其中，R2为烹饪温度曲线拟合度(拟合参数)，K1、K2、K3以及K4为不同烹饪阶段的加热温度。

其中，结合图11来看，图11为本发明提供的米水混合物在各烹饪阶段平均温度随加热时间变化的曲线图，由图可知，仿真与参考烹饪温度曲线在各阶段结束时烹饪温度基本吻合，且仿真与参考烹饪温度变化趋势也基本相同，符合米饭烹饪温度变化，即仿真建立的米饭烹饪模型满足烹饪需求，根据图中的数据建立了米水混合物在加热时，其米水混合物的平均温度T随时间t变化的函数关系T＝f(t)，表示为下式：

其中，R²为烹饪温度曲线拟合度(拟合参数)，K1、K2、K3以及K4为不同烹饪阶段的加热温度。

在本发明一个具体的实施例中，为了验证上述建立的米饭烹饪模型准确性，检验煮饭锅中米饭在烹饪过程中温度变化是否满足烹饪要求，采用上述建立的米饭烹饪模型，进行米饭烹饪温度控制实验。在验证实验中，采用工业煮饭机、温度数据记录器、电子台秤、红外线测温仪。验证的实验方法如下：

第一步：用电子台秤对米和水按照1:1.3的比例进行称取，米7kg，水9.1kg；然后将称取的大米倒入容器中用清水清洗两次，再向容器中加入足够多的水对大米进行浸泡60min，保证大米在常温状态下能充分吸水，浸泡结束后，将水过滤，把大米倒入煮饭锅中，并加入9.1kg的水；

第二步：将温度数据记录器的底座安装在锅盖内侧，使180mm长的不锈钢探针升到米水混合物中，需要说明的是，温度数据记录器是一个可以单独工作的仪器，测量范围为-100℃～+260℃，可对温度进行自动记录并存储，并具有不锈钢防水外壳，在水下也可安全工作；

第三步：在大米浸泡时，将加热室开启，设置大火、文火、沸腾、焖饭四个阶段阶段的加热温度，分别为293±6℃、244±5℃、182±5℃、106±6℃。需要说明的是，为了避免煮饭锅侧壁受明火加热，在实验锅前后各放置一个盛有一定量常温水的煮饭锅；

第四步：由加热输送装置将煮饭锅送入加热室中加热烹饪，并利用GM1350红外线测温仪实时检测各阶段锅底的加热温度；

第五步：用Logview软件将温度数据记录器采集的温度导出到Excel中，然后利用MATLAB绘制米饭烹饪时米水混合物的温度变化曲线，如图12所示，图12为本发明提供的验证实验中米水混合物的平均温度的曲线图，其中，包括实验烹饪温度曲线(对应于验证实验中的数据)、参考烹饪温度曲线(对应于大量理论实验中的数据)、仿真烹饪温度曲线(对应于上述仿真得到的米水混合物在各烹饪阶段平均温度随加热时间变化的曲线图)。

由此，本发明提供的米饭烹饪仿真模型的建立方法得到的曲线变换，基本符合籼米烹饪温度，验证了上述分析建立的米饭烹饪模型的正确性，各阶段米饭烹饪温度曲线拟合度R²均大于0.96。

实施例2

本发明实施例提供了一种米饭烹饪仿真模型的建立系统，结合图13来看，图13为本发明提供的米饭烹饪仿真模型的建立系统的结构示意图，上述米饭烹饪仿真模型的建立系统1300包括：

获取单元1301，用于获取煮饭锅的比热容、密度和导热系数，以及大米的比热容、密度和导热系数；

处理单元1302，用于根据煮饭锅的比热容、密度和导热系数以及大米的比热容、密度和导热系数，确定热量传递模型；还用于建立煮饭锅的三维模型，并对三维模型进行网格划分，其中，三维模型包括锅体、锅盖以及内部的米水混合物；还用于根据预设的初始条件、预设的不同烹饪阶段的边界条件以及热量传递模型，依次对三维模型的网格的温度进行更新，确定在各烹饪阶段中锅体的第一温度场云图以及米水混合物的第二温度场云图；

建模单元1303，用于根据第一温度场云图和第二温度场云图中的温度数据，分别确定对应的锅体温度参考曲线和米水混合物温度参考曲线，以模拟不同加热温度下的米饭烹饪过程；还用于根据锅体温度参考曲线和米水混合物温度参考曲线的拟合参数，确定不同烹饪阶段最优的烹饪加热温度。

实施例3

本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机该程序被处理器执行时，实现如上所述的米饭烹饪仿真模型的建立方法。

本发明公开了一种米饭烹饪仿真模型的建立方法及系统，首先，根据煮饭锅和米的各种热学性质，确定相应的热量传递模型；然后，建立煮饭锅的三维模型，不仅便于建立空间、时间和热量的关系，同时以立体视角更为直观地显示温度传导的变化；进而，根据初始条件、各烹饪阶段的边界条件以及热量传递模型，针对网格进行温度更新，以此结合有限元技术针对煮饭的不同烹饪阶段进行仿真分析，高效反映了米饭烹饪的过程；然后，根据温度场云图中的温度数据，确定锅体温度参考曲线和米水混合物温度参考曲线，以此表示锅体和米水混合物在加热过程中的温度变化；最后，根据拟合指标，结合锅体温度和米水混合物温度的变化曲线，确定不同烹饪阶段最优的烹饪加热温度，保证仿真对应的烹饪加热温度的准确性和实用性。

本发明技术方案，采用有限元对工业煮饭锅米饭烹饪进行温度仿真，利用三维模型的网格温度更新，建立米饭烹饪模型，结合锅体温度和米水混合物温度的曲线变化，确定不同烹饪阶段最优的烹饪加热温度，为米饭烹饪温度控制提供依据，实现米饭烹饪智能化控制，能有效地在实际研发中对米饭烹饪过程进行验证和分析，节约研发成本，大大提高了研发的效率性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种米饭烹饪仿真模型的建立方法，其特征在于，包括：

获取煮饭锅的比热容、密度和导热系数，以及大米的比热容、密度和导热系数；

根据所述煮饭锅的比热容、密度和导热系数以及所述大米的比热容、密度和导热系数，确定热量传递模型；

建立煮饭锅的三维模型，并对所述三维模型进行网格划分，其中，所述三维模型包括锅体、锅盖以及内部的米水混合物；

根据预设的初始条件、预设的不同烹饪阶段的边界条件以及所述热量传递模型，依次对所述三维模型的网格的温度进行更新，确定在各烹饪阶段中所述锅体的第一温度场云图以及所述米水混合物的第二温度场云图；

根据所述第一温度场云图和所述第二温度场云图中的温度数据，分别确定对应的锅体温度参考曲线和米水混合物温度参考曲线，以模拟不同加热温度下的米饭烹饪过程；

根据所述锅体温度参考曲线和所述米水混合物温度参考曲线的拟合指标，确定不同烹饪阶段最优的烹饪加热温度。

2.根据权利要求1所述的米饭烹饪仿真模型的建立方法，其特征在于，还包括：

获取不同品种的大米，确定对应的所述烹饪加热温度；

建立所述不同品种的大米和对应的所述烹饪加热温度之间的映射关系；

根据所述映射关系，建立不同品种的大米的烹饪加热温度数据库。

3.根据权利要求1所述的米饭烹饪仿真模型的建立方法，其特征在于，所述热量传递模型包括所述米水混合物的热传递模型、所述锅体的热传递模型，所述根据所述煮饭锅的比热容、密度和导热系数以及所述大米的比热容、密度和导热系数，确定热量传递模型包括：

根据所述煮饭锅的比热容、密度和导热系数，确定所述锅体的热传递模型；

根据所述大米的比热容、密度和导热系数以及水的比热容、密度和导热系数，确定所述米水混合物的热传递模型。

4.根据权利要求3所述的米饭烹饪仿真模型的建立方法，其特征在于，所述根据所述大米的比热容、密度和导热系数以及水的比热容、密度和导热系数，确定所述米水混合物的热传递模型包括：

根据所述大米的比热容、密度和导热系数以及所述水的比热容、密度和导热系数，通过以下公式确定所述米水混合物的比热容、密度和导热系数：

式中，m1、m2分别是米的质量、水的质量，ρ、ρ₁、ρ₂分别是米水混合物的密度、米的密度、水的密度，c、c1、c2分别是米水混合物的比热容、米的比热容、水的比热容，λ、λ₁、λ₂分别是米水混合物的导热系数、米的导热系数、水的导热系数；

根据所述米水混合物的密度、比热容以及导热系数，确定所述米水混合物的热传递模型。

5.根据权利要求4所述的米饭烹饪仿真模型的建立方法，其特征在于，所述米水混合物的热传递模型包括热传导模型和热对流模型，其中：

通过以下公式表示所述热传导模型：

式中，q*表示在方向n上每单位面积的热流率；K_nn表示在方向n的导热系数；

表示在方向n的温度梯度，负号表示热沿梯度方向反向流动，从热区域流向冷区域；

通过以下公式表示所述热对流模型：

Q＝h_f(T_S-T_F)A

式中，Q表示单位时间内对流换热热流量；h_f表示对流的导热系数；T_s表示固体表面温度；T_F表示周围流体温度；A表示流体与固体接触面积。

6.根据权利要求4所述的米饭烹饪仿真模型的建立方法，其特征在于，所述根据所述第一温度场云图和所述第二温度场云图中的温度数据，分别确定对应的锅体温度参考曲线和米水混合物温度参考曲线包括：

根据所述第一温度场云图，确定所述锅体的温度数据；

根据所述锅体的温度数据和不同烹饪阶段的平均温度随着加热时间的变化过程，确定第一温度变化曲线图；

对所述第一温度变化曲线图进行拟合，确定对应的所述锅体温度参考曲线；

根据所述第二温度场云图，确定所述米水混合物的温度数据；

根据所述米水混合物的温度数据和不同烹饪阶段的平均温度随着加热时间的变化过程，确定第二温度变化曲线图；

对所述第二温度变化曲线图进行拟合，确定对应的所述米水混合物温度参考曲线；

其中，所述锅体温度参考曲线和所述米水混合物温度参考曲线如下式所示：

式中，T表示为锅体温度或米水混合物温度，t表示为加热时间，0至T₁表示大火阶段，A₁、A₂、A₃表示大火阶段的拟合参数，T₁至T₂表示文火阶段，B₁、B₂、B₃表示文火阶段的拟合参数，T₂至T₃表示沸腾阶段，C₁、C₂、C₃表示沸腾阶段的拟合参数，T₃至T₄表示焖饭阶段，D₁、D₂、D₃表示焖饭阶段的拟合参数。

7.根据权利要求1所述的米饭烹饪仿真模型的建立方法，其特征在于，所述建立煮饭锅包括锅体、锅盖、米水混合物的三维模型，并对所述三维模型进行网格划分之后，还包括：

采用单元畸变度对所述三维模型的网格进行质量检查，确定每个网格的网格质量值；

将每个所述网格的网格质量值和预设质量值进行比较，根据比较结果判断每个所述网格的网格质量是否满足仿真要求。

8.根据权利要求1所述的米饭烹饪仿真模型的建立方法，其特征在于，所述预设的各烹饪阶段的边界条件依次包括大火阶段的边界条件、文火阶段的边界条件、沸腾阶段的边界条件以及焖饭阶段的边界条件，其中：

所述大火阶段的边界条件包括热载荷为第一温度，时间步长为第一步长，时间步数为第一步数；

所述文火阶段的边界条件包括热载荷为第二温度，时间步长为第二步长，时间步数为第二步数；

所述沸腾阶段的边界条件包括热载荷为第三温度，时间步长为第三步长，时间步数为第三步数；

所述焖饭阶段的边界条件包括热载荷为第四温度，时间步长为第四步长，时间步数为第四步数。

9.根据权利要求1所述的米饭烹饪仿真模型的建立方法，其特征在于，所述预设的初始条件包括：所述煮饭锅和所述米水混合物的初始温度均为第一预设初始温度。

10.一种米饭烹饪仿真模型的建立系统，其特征在于，包括：

获取单元，用于获取煮饭锅的比热容、密度和导热系数，以及大米的比热容、密度和导热系数；

处理单元，用于根据所述煮饭锅的比热容、密度和导热系数以及所述大米的比热容、密度和导热系数，确定热量传递模型；还用于建立煮饭锅的三维模型，并对所述三维模型进行网格划分，其中，所述三维模型包括锅体、锅盖以及内部的米水混合物；还用于根据预设的初始条件、预设的不同烹饪阶段的边界条件以及所述热量传递模型，依次对所述三维模型的网格的温度进行更新，确定在各烹饪阶段中所述锅体的第一温度场云图以及所述米水混合物的第二温度场云图；

建模单元，用于根据所述第一温度场云图和所述第二温度场云图中的温度数据，分别确定对应的锅体温度参考曲线和米水混合物温度参考曲线，以模拟不同加热温度下的米饭烹饪过程；还用于根据所述锅体温度参考曲线和所述米水混合物温度参考曲线的拟合指标，确定不同烹饪阶段最优的烹饪加热温度。

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