基于COMSOL Multiphysics的高壓脈沖電場仿真研究

陳 婷，劉昕露，任 琪

（重慶城市管理職業學院，重慶 401331）

高壓脈沖電場（High Voltage Pulsed Electric Field，以下簡稱HPEF）作為一種非熱處理技術，已被普遍應用于食品及農產品加工行業中。非熱處理技術主要有超高壓技術、紫外線輻照、生物防腐劑殺菌技術及高壓脈沖電場技術等[1]。HPEF 具有能耗低、無污染、傳遞均勻、產熱少、能最大限度保持食品的品質、便于推廣等優勢。因此，HPEF 具有廣闊的應用和發展前景，并越來越受到人們的關注[2]。近幾年，在“高壓脈沖電場對云南普洱茶抗氧化性影響的機理研究”“高壓脈沖電場對普洱茶主要化學成分的影響”“高壓脈沖電場對普洱茶香氣成分的影響研究”等科研項目的支持下研究并發現，普洱茶在經過HPEF 處理后，普洱茶中細菌總數急劇下降[3]、茶多酚含量大幅減少，且其趨勢與自然陳化相同[4]，茶葉中總灰分含量減少、咖啡堿含量減少[5]、氨基酸含量增加及普洱茶的香氣成分含量增加[6]，同時其感官效果、品質均有一定的提高。因此，為深入研究HPEF的作用機理，文章利用COMSOL Multiphysics 仿真平臺對HPEF 進行多物理場耦合分析，分析其電場、溫度、流速（空氣流）的分布情況，并建立相應的模型，為后期探究HPEF 作用機理及處理裝置設計改進提供一定的理論依據。

1 高壓脈沖電場處理裝置

目前，高壓脈沖電場處理裝置結構主要有3種形式：平板式、同軸式、同場式。文章采用平板式，如圖1所示。處理箱材料為有機玻璃，電極由兩塊平行的不銹鋼構成，可得到勻強HPEF，不銹鋼板的間距d為30cm，其間為平行電場，則電場強度E=U/d（U為平行極板間電壓強度）。

圖1 處理裝置

2 模型與材料參數設定

選擇HPEF 的空氣流場，電極板溫度場，電場模型作為仿真多物理場。其處理裝置材料參數設定為：不銹鋼（k=44.5 W/m·K，ρ=7850 kg/m3，Cp=475 J/kg·K），有機玻璃（亞克力，聚甲基丙烯酸甲酯，簡稱PMMA，k=0.19 W/m·K，ρ=1200 kg/m3，Cp=1420 J/kg·K），物料采用空氣進行模擬。

仿真時HPEF 的參數設定為：①波形，方波；②電壓，30/15/3 kV；③頻率，120 Hz；④脈沖個數，10；⑤溫度，298.15 K。

3 仿真結果分析

3.1 平板式電場三維模型

通過COMSOL 對HPEF 處理裝置進行三維模擬，建立其三維模型，中心位置為模擬的處理對象位置，如圖2所示。

圖2 處理裝置三維模型

3.2 多物理場耦合仿真分析

根據處理裝置三維模型，用COMSOL 對其進行網格劃分，類型為自由三角形。電場強度求解采用瞬態求解器，溫度與流速求解采用穩態耦合求解，其自由度為287 837個。

當作用時間t=0.004 s，d=30 cm 時，取不同電壓強度U分析其電場強度（V/m）其結果如圖3 所示。由圖3 可知，脈沖電場的電場強度分布均勻，當U為3 kV 時，E=1×104V/m；當U為15 kV 時，E=0.5×105V/m；當U為30 kV 時，E=1×105V/m。通過COMSOL 仿真分析，結果表明，平行極板型的HPEF 確為均勻電場，不同脈沖電壓強度下的電場強度E隨著電壓強度的增加而增加。這與HPEF 處理技術的“傳遞均勻”這一特色優勢一致。

圖3 電場強度分布

通過COMSOL 對脈沖電場溫度場仿真，其結果表明，在整個HPEF 裝置工作期間，其溫度范圍為293～293.15 K（K：開爾文），即20.85～21 ℃。其中HPEF 處理裝置中心溫度最低，為293 K，而靠近平行極板的位置溫度值略微有所升高，但整個HPEF 處理裝置在工作期間溫度變化很小，基本恒定，接近室溫。這與HPEF 處理技術作為一種“產熱少、非熱物理”加工處理技術理念一致，如圖4、圖5所示。

圖4 脈沖電場處理裝置溫度場的仿真

圖5 脈沖電場處理裝置流場的仿真

通過COMSOL 對HPEF 流場進行仿真，結果表明，其處理裝置中心位置空氣流速最大，空氣流速為22×10-6m/s，靠近平行極板及兩側的位置空氣流速最低，接近0 m/s，幾乎沒有空氣對流，這也與HPEF “能最大限度保持食品的品質”這一特點保持一致。

4 結束語

高壓脈沖電場是一種新興的、可持續的、環保的食品加工技術，被認為是21世紀食品加工技術發展領域中的新技術之一。文章仿真分析結果表明，平板型HPEF 處理裝置其電場強度為一均勻電場、溫度場幾乎恒定不變，接近工作環境室溫，基本無空氣流動，這也與HPEF 的“傳遞均與、產熱少、能最大限度保持食品的品質”等顯著特點高度吻合。