高壓脈沖電場共場式殺菌處理腔的仿真分析與優化

高慶學 平雪良,2

(1. 江南大學機械工程學院，江蘇 無錫 214122；2. 江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

高壓脈沖電場共場式殺菌處理腔的仿真分析與優化

高慶學1平雪良1,2

(1. 江南大學機械工程學院，江蘇 無錫 214122；2. 江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

殺菌處理腔是高壓脈沖電場(Pulsed Electric Field, PEF)處理系統的重要組成部分，為了開發出適合于多個處理腔串聯組合使用的處理腔單元，對橢圓內嵌型共場式殺菌處理腔進行了建模，并利用ANSYS軟件得到處理腔內的電場分布和流體動力學特性，然后在仿真分析的基礎上，對處理腔結構進行了優化，提出了一種基于流體特性優化的新型共場式殺菌處理腔結構，經驗證該處理腔的性能可以滿足多處理腔單元串聯組合使用的要求，為進一步優化高壓脈沖電場殺菌處理腔提供了新思路。

高壓脈沖電場；殺菌處理腔；流體動力學；數值模擬；優化設計

Abstract： As an important part of the high-voltage pulsed electric field (Pulsed Electric Field, PEF) processing system, in order to develop a processing chamber unit suitable for use in combination with multiple processing chambers, we modeled the elliptical embedded type field sterilization processing chamber, and the electric field distribution and hydrodynamic characteristics of the chamber were obtained by ANSYS software. Furthermore, based on the simulation analysis, the structure of the processing chamber was optimized, and a new type of total field sterilization treatment chamber based on the optimization of fluid properties was proposed. It was proved that the performance of the processing chamber could meet the requirements of multi-processing chamber unit series combination, and this could provide some ideas for further optimizing the high-voltage PEF sterilization processing chamber.

Keywords： high-voltage pulsed electric field; sterilization chambers; hydrodynamics; numerical simulation; optimized design

PEF殺菌處理腔結構和參數不僅會改變PEF殺菌處理系統的處理量，而且會改變殺菌處理區域的電場、流場及溫度場的分布，并最終影響殺菌效果[1]。而電場強度分布情況是物理耦合場中關鍵影響因素，通過調整脈沖電源的電壓可以控制處理腔內的電場強度分布，但過高的工作電壓會給操作者帶來危險[2]，有不少研究者[3-5]采用不同的處理腔結構及參數較好地改善了處理腔內的電場強度分布。之后人們開始關注處理腔內的流體特性和溫度變化，因為物料的混合均勻程度將直接影響到整體的殺菌效果，而溫度過高則會破壞食品營養成分[6]。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、系統參數、流體特性、電場和溫度場分布等都給實際設計與分析帶來了許多困難[7]。因此為了驗證處理腔的可靠性，對處理腔內的電場、流場進行仿真分析顯得尤為重要。

研究[8]表明，橢圓內嵌型共場式殺菌處理腔單元具有較合理的電場分布和流場分布。本研究將以此處理腔單元為基礎，通過確定具體的結構參數，分別進行實驗室規模、中試規模、商業化規模的處理腔結構設計和流體特性參數配置，并在ANSYS軟件環境下進行電場和流體動力學分析，以驗證殺菌處理腔殺菌過程中的物理場可靠性，期待為設計適用于商業化的PEF處理腔單元提供一種新思路。

1 數值模擬在處理腔研究中的應用

研究[9-10]表明，電場強度是耦合物理場中最關鍵的一個影響因素，由于不同微生物的電場抗性存在差異，所以不同菌種的滅活需要不同的電場強度，實際殺菌需要的電場強度為1.5～8.0 kV/mm。對于大多數微生物而言，增大電場強度，可以提高PEF殺菌率。在勻強電場中，提高電壓可以提高電場強度，但對電源裝置的要求較高，而且操作安全性低，因此，在避免出現尖峰電場的情況下，可以設法改變處理腔的結構和參數，通過施加低電壓來獲得較高強度的局部均勻的電場。處理腔的結構和參數不僅會改變高壓電場處理系統的處理量，也會改變處理區域耦合物理場的分布，直接影響到實際的殺菌效果。另外，殺菌處理腔中流場特性也是影響系統殺菌效果和食品質量的主要因素。流體速度還會影響處理腔的溫度，由于處理腔內壁處的流速較低，所以最大溫度出現在內壁處[11]。根據現有技術，處理腔內的電場分布和流體特性很難通過試驗測量，對殺菌處理腔內流體動力學及電場分布進行數值模擬，以避免局部食品物料的過處理或欠處理以及介質擊穿等現象，所以，數值模擬旨在直觀地理解處理腔內物理場的分布情況，以優化處理腔的幾何結構和參數，進而改善電場和流場分布的合理性[12]。

在國外，為了得到處理腔內均勻分布的電場，研究人員在設計和研究處理腔時，運用了基于有限元分析的數值模擬方法，使殺菌處理腔不僅能保持電場的均勻性分布，而且能保證待處理流體物料的合理性流動，極具有工業化應用的價值。例如，Roman Buckow等利用有限元分析的方法，在COMSOL Multiphysics軟件環境下對一種中試規模的共場式殺菌處理腔進行了數值模擬，指出了處理腔幾何結構和參數與流體速度、電場分布、溫度升高及物料滯留時間之間的關系[13]；還基于仿真分析結果，討論了共場式處理腔的幾何結構對電場分布和能量利用的影響，并給出了具體的參考方程，提出了一種基于三場耦合特性優化的橢圓內嵌式共場殺菌處理腔結構[1]。Kai Knoerzer等[14]在對目前大量的食品殺菌處理腔仿真研究成果總結之后，指出今后的仿真分析除了要考慮三場耦合特性之外，還要考慮到處理腔內的電化學反應，并且期待未來能開發出處理腔內電場、溫度場和流場的試驗測量方法和工具，以推動處理腔的研究和應用。

在中國，陳錦權[15]較早地運用Laplace方程對殺菌處理腔內的電位分布進行了研究，結合粘性牛頓流體方程獲取了殺菌處理腔內的電場強度及流場分布情況，設計了適用于工業化生產使用的PEF殺菌處理腔。前期的研究者當中，方婷等[16-17]利用ANSYS軟件分析了不同結構的同軸處理腔內的電場強度；金偉[2]在COMSOL Multiphysics環境下對共場式殺菌處理腔中的3種物理場耦合特性進行了分析和優化，提出了一種具有電場、溫度場及流場三場耦合特性比較良好的新型共場式處理腔；解效白等[18]則在Maxwell軟件平臺下對同軸式處理腔的電場分布進行了仿真分析，并根據仿真分析結果對處理腔設計尺寸提出了改進方案。

2 仿真分析

2.1 控制方程

描述流體運動的都是連續的偏微分方程，在大多數情況下，不可能得到其解析解，在CFD中，通過數值方法對這些方程進行計算近似解。常用的CFD軟件對控制方程的離散方式包括有限元法、有限差分法以及有限體積法3種。目前，有限體積法是主流CFD軟件所采用的算法，也是Fluent軟件所采用的計算方法[19]。

一般來說，殺菌處理腔內的流體物料可視為牛頓流體，所以在進行數值模擬時，流體動力學的控制方程主要包括連續性方程和動量方程。

伴隨殺菌處理腔內的溫升，物料的密度、電導率以及黏度均會發生一定的變化，所以流體的連續性方程可以定義為：

(1)

式中：

ρ——流體的密度，是壓力P(Pa)和溫度T(℃)的函數，kg/m3；

t——時間，s；

本研究的PEF殺菌處理腔尺寸為4～8 mm，處理量為10～2 000 L/h，可以利用雷諾公式判斷這些處理腔內流體的流動狀態，雷諾方程描述：

Re=ρν0r/η，

(2)

式中：

Re——雷諾數；

ρ——密度，kg/m3；

r——管道的半徑，mm；

η——動力黏度，Pa·s。

仿真所采用的處理腔內徑尺寸和速度匹配之后得出的雷諾數均遠遠大于臨界雷諾數2 320，因此處理腔內流體物料為湍流。處于湍流狀態的流體滿足動量守恒方程，定義為：

(3)

式中，

ηT——流體湍流時的動力黏度，Pa·s；

g——重力加速度，9.8 m/s2。

其中，ηT定義為：

(4)

式中：

Cμ——模型常數，取值0.09 J/(kg·K)；

k——湍流動能，m2/s2；

ε——湍流耗散率，m2/s3。

2.2 仿真分析過程

2.2.1 模型建立 在前期設計方案基礎上，建立PEF殺菌處理腔的 3D 模型(見圖1)，并導入 ANSYS Fluent 軟件，經過修飾等前處理成為 ANSYS Fluent 可分析的模型。

2.2.2 網格劃分 網格劃分技術是獲得離散方程的一個關鍵步驟，網格質量直接決定了 Fluent 軟件的計算精度和運行效率，對于繁復的計算問題，網格劃分耗時且易出錯，占到整個軟件使用時間的80%。采用四面體自由網格劃分工具，并在管壁處添加膨脹層，生成的網格見圖2。

圖1 共場式殺菌處理腔3D模型

圖2 流場分析的網格劃分效果(以內徑6 mm結構為例)

2.2.3 分析設置與求解 根據 ANSYS Meshing 劃分的網格，利用 Fluent 中的穩態求解器，選用k-ε湍流計算模型，流體材料采用質量分數為 0.2%的 NaCl 溶液，密度 1 000 kg/m3，比熱容 4 216 J/(kg·K)，導熱性系數0.677 W/(m·K)，動力黏度 0.8 mPa·s。流體的邊界條件：入口流速為沿軸向的V0，水力直徑 0.006 m，初始溫度 293 K；出口的水力直徑 0.006 m，湍流強度 10%；管壁處的參數缺省。初始化流場，計算穩態過程。在計算過程中，通過設置殘差曲線，監視計算結果的收斂性。

2.2.4 后處理 以處理腔內徑6 mm、入口流速1.55 m/s的仿真計算過程為例，正如殘差曲線所示(見圖3)，經過712步的計算，計算結果收斂。然后在CFD-Post組件中，通過設置視圖選項、創建等值面等，得到各個處理腔內部流體的速度輪廓圖、速度矢量圖以及流線圖。

2.3 仿真分析結果

本研究對內徑尺寸(即圖1中尺寸參數d)為2～14 mm的橢圓內嵌型共場式殺菌處理腔作了流體動力學分析，通過對不同管道內徑尺寸的處理腔施加不同的入口流速，獲得了在實驗室規模、中試規模以及商業規模的處理量要求下的流體特性，選取內徑典型值為6 mm的處理腔流場分析結果作重點討論。

圖3 Fluent計算過程的殘差曲線(以內徑6 mm處理腔為例)

Figure 3 Fluent calculation process of the residual curve (6 mm diameter treatment chamber as an example)

由圖4可以看出，在入口流速為實驗室規模(處理量10 L/h 對應的入口流速為0.098 m/s)時，處理腔內流體的低速區域在出口處電極與絕緣體交界處呈對稱分布，且區域面積較小；伴隨入口流速提高，低速滯留區域逐漸向一側偏移，達到中試規模(處理量100 L/h要求的入口流速為0.982 m/s)時，流體在靠近出口的電極管道壁處的滯留區已經相當大；有趣的是，在中試規模向商業規模處理量過渡的流速段，滯留區域面積存在明顯衰減現象；但是當流速提高到商業規模(處理量1 000 L/h要求的入口流速為9.824 m/s)時，大面積的滯留區域出現在出口處中心，這將更不利于多個處理腔串聯組合使用。

根據以上分析，發現橢圓內嵌型共場式殺菌處理腔單元在商業化要求下，流體特性欠佳，需對其結構進行優化以改善流體特性。

3 優化設計

3.1 結構優化方案

如圖5所示，優化后的共場處理腔的金屬空心管狀高壓電極、金屬空心管狀接地電極的內部空腔具有一定錐度，幾何形狀為圓臺狀，兩者孔徑較小的端面分別與絕緣體隔離管的孔兩側緊貼，圓臺狀空腔的大端內徑為2～14 mm，絕緣體隔離管的橢圓狀凸起的長軸長度與此間距接近或相等。絕緣體隔離管的內部凸起仍為橢圓形。金屬電極材料為不銹鋼316L，絕緣體隔離管采用聚四氟乙烯材料。

3.2 仿真分析驗證

對處理腔結構優化方案進行電場強度分布的仿真分析，以金屬空心管狀電極大端內徑為6 mm的處理腔為例。電場分析結果見圖6，在采用帶錐度的金屬電極管以后，處理腔內的電場強度分布與采用普通電極時一致：即高強度電場集中分布在橢圓狀凸起處的殺菌處理區域，處理區域的電場強度平均值為1.557～2.336 kV/mm，可以滿足實際微生物滅活的需要；在絕緣體隔離管和金屬電極交界處也不存在尖峰電場，電場整體分布較均勻合理。所以該結構具有很好的電場特性。同樣，其他幾種內徑尺寸的處理腔的電場分布分析結果與此一致，獲得了理想的電場分布。

圖4 內徑6 mm的PEF殺菌處理腔單元的流速分布云圖

圖5 PEF殺菌處理腔單元結構優化方案

Figure 5 The structure optimization program of PEF sterilization treatment chamber unit

圖6 優化后PEF處理腔單元的電場分布云圖(以大端內徑6 mm結構為例)

Figure 6 Electric field distribution of the PEF treatment chamber unit after optimization (with large diameter 6 mm structure as an example)

由圖7可知，在不同的入口流速條件下，隨著流速的提高，處理腔內不存在大面積的物料滯留區域，而且隨著流速進一步提高，在商業規模(即入口流速為9.824 m/s)時，流體處于明顯的湍流狀態，有利于物料充分混合，有利于提高殺菌處理效果。其他幾種內徑尺寸的處理腔在不同入口流速條件下的分析結果與此類似，都不再出現大面積的物料滯留區域，獲得了良好的流體特性。

由圖8可知，在不同入口流速條件下，前后兩級處理腔的出口處都不存在物料滯留區域，表明該方案很好地解決了處理腔單元優化前存在的流場分布不均的問題，能滿足多處理腔組合殺菌處理的需要。在入口流速為 0.098～0.982 m/s時(即處理腔的處理量從實驗室規模向中試規模過渡的階段)，整個處理腔內僅在靠近管壁處存在很小面積的低速區域，與原發明專利中描述的尺寸較小、流速較低的情況類似，而對PEF殺菌的實驗室研究影響較小，所以該結構適用于科研。另一方面，當入口流速在0.982～9.824 m/s時(即處理量在100～1 000 L/h時)，整個組合處理腔結構內的物料流速分布比較均勻，而且隨著入口流速提高或者處理腔串聯個數的增加，湍流現象越來越明顯，甚至消除了低流速時管壁處的低速區域，這將有利于物料的充分混合，使殺菌更加徹底。故該優化后的PEF殺菌處理腔詳細結構方案，在不同處理量規模下具有理想的流體動力學特性。

因此，優化后的處理腔單元結構不僅能在物料處理區域獲得較理想的流場、電場分布特性，而且在靠近物料出口處可以獲得較均勻的流速分布，能解決普通電極內腔中隨著入口流速提高或處理室尺寸增大而造成出口處流速分布不均勻的問題，有利于多處理室組合使用，以提高殺菌處理效率。該新型共場處理室單元的處理效率可以滿足商用規模的應用要求，具有性能優良、結構緊湊、組合使用方便等優點，為高壓脈沖電場殺菌的商業化應用提供了可能。

圖7 優化后PEF殺菌處理腔單元的流速分布云圖(以大端內徑6 mm結構為例)

圖8 PEF殺菌處理腔組合的流速分布云圖

4 結論

目前，中國對PEF殺菌處理系統的研究和應用還未達到商業化規模的要求，而橢圓內嵌型共場式殺菌處理腔的耦合場特性適合于工業應用，但是研究發現其在組合使用時流體特性欠佳。本研究建立了橢圓內嵌型共場式殺菌處理腔單元的三維模型，利用 ANSYS 軟件及其子軟件 ANSYS Fluent 的強大數值計算功能，對內徑 2～14 mm 的橢圓內嵌式處理腔單元進行了流體動力學和電場分析；并對仿真分析結果進行了比較，總結了該種處理腔結構在商業應用規模下的優勢和缺點；結合流體動力學分析結果，提出了一種結構優化方案，并進一步做了仿真分析驗證。得出如下主要結論：

(1) 橢圓內嵌型共場式殺菌處理腔單元在結構尺寸增大以及串并聯組合后，電場強度分布比較均勻，不存在尖峰電場，而且高強度的電場集中分布在殺菌處理區域，電場分布特性較理想。

(2) 未優化的橢圓內嵌型共場式殺菌處理腔單元在結構尺寸增大和入口流速提高時，處理腔靠近出口處的金屬電極管道內將出現大面積的物料滯留區，在多個處理腔組合使用時成為處理死區，造成殺菌處理不徹底。

(3) 在原有橢圓內嵌型共場式殺菌處理腔的基礎上，基于流體特性優化后，提出的一種內部帶有錐度的金屬電極管結構不僅能使處理腔獲得理想的電場強度分布，而且可以使物料出口處獲得良好的流體特性，這將有利于多個處理腔的組合殺菌處理，為PEF殺菌處理腔的商業化提供了新思路。

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Simulation analysis and optimization of pulsed electric field co-field sterilization treatment chambers

GAO Qing-xue1PINGXue-liang1,2

(1.SchoolofMechanicalEngineering,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China; 2.JiangsuKeyLaboratoryofFoodManufacturingEquipmentandTechnology,Wuxi,Jiangsu214122,China)

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.08.018

高慶學，男，江南大學在讀本科生。

平雪良(1962—)，男，江南大學教授，博士。 E-mail: ping@jiangnan.edu.cn

2017—06—07