牛肉胴體預(yù)冷庫(kù)溫度時(shí)空分布模擬研究

艾浪湖，韓佳偉，任青山，陳益能，方逵*，丁德紅

1(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與智能科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410128)2(國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，北京，100097) 3(湖南應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖南 常德，415100)

我國(guó)是牛肉生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，2019 年我國(guó)牛肉產(chǎn)量?jī)H次于美國(guó)、巴西和歐盟；牛肉消費(fèi)量位于世界第二位，僅次于美國(guó)[1-2]。隨著人們生活水平的提高，牛肉需求量越來(lái)越大的同時(shí)，大家對(duì)牛肉品質(zhì)要求也隨之提高。牛胴體預(yù)冷排酸對(duì)牛肉品質(zhì)有重要意義[3-4]。牛被宰殺后體溫升高，胴體中心溫度可達(dá)40 ℃，成為滋生細(xì)菌的溫床，低溫預(yù)冷能夠很好地抑制細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖，保持牛肉品質(zhì)。另外，牛在宰殺的時(shí)候，因?yàn)榭謶值纫蛩?，?dǎo)致肉質(zhì)堅(jiān)硬，干躁，缺少?gòu)椥裕壹∪庵械奶窃獰o(wú)氧酵解產(chǎn)生乳酸，不僅影響牛肉品質(zhì)，還不利于人體健康。低溫預(yù)冷排酸，可將乳酸分解成二氧化碳、水和酒精然后揮發(fā)。由于低溫預(yù)冷排酸經(jīng)歷了較為充分的解僵、成熟過(guò)程，不僅肉質(zhì)柔軟有彈性、味道鮮美，而且安全營(yíng)養(yǎng)[5-6]。因此，牛宰后胴體預(yù)冷排酸是生產(chǎn)高品質(zhì)牛肉的第一個(gè)環(huán)節(jié)也是必要環(huán)節(jié)，通過(guò)預(yù)冷改善牛肉品質(zhì)成為研究熱點(diǎn)。

然而，國(guó)內(nèi)預(yù)冷庫(kù)大多是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致預(yù)冷階段牛胴體溫度分布不均勻，浪費(fèi)能源的同時(shí)還影響牛肉品質(zhì)。利用數(shù)值模擬技術(shù)研究牛肉胴體預(yù)冷庫(kù)溫度時(shí)空分布，使溫度場(chǎng)在預(yù)冷庫(kù)中分布更加均勻，對(duì)改善牛肉品質(zhì)具有重要意義。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的一種數(shù)值計(jì)算工具，用于求解流體的流動(dòng)和換熱問(wèn)題[7]。CFD技術(shù)被國(guó)內(nèi)外研究者廣泛應(yīng)用于研究低溫冷卻過(guò)程中的溫度場(chǎng)分布。

文獻(xiàn)[8-11]分別模擬了蘋果、番茄、藍(lán)莓、莖狀蔬菜等冷卻時(shí)的溫度變化情況，為改善果蔬冷卻效果提供了參考。劉澤勤等[12]以壓差原理的果蔬倉(cāng)庫(kù)為研究對(duì)象，對(duì)穩(wěn)態(tài)下的庫(kù)內(nèi)溫度分布情況進(jìn)行模擬仿真，討論了果蔬間距的改變對(duì)庫(kù)內(nèi)果蔬溫濕度的影響。趙春江等[13]建立了求解短距離運(yùn)輸?shù)睦洳剀囓噹麅?nèi)溫度場(chǎng)分布的計(jì)算模型，模擬分析了不同邊界條件和貨物不同堆棧方式對(duì)車廂內(nèi)溫度場(chǎng)分布的影響。趙時(shí)等[14]建立了冷藏車廂的仿真模型,利用CFD技術(shù)研究梯級(jí)送風(fēng)對(duì)空倉(cāng)時(shí)冷藏車廂內(nèi)溫度場(chǎng)的影響。國(guó)內(nèi)雖然針對(duì)果蔬包裝箱、冷藏車、冷庫(kù)中溫度場(chǎng)的研究比較多，但目前利用CFD技術(shù)對(duì)牛胴體預(yù)冷庫(kù)研究的很少。而國(guó)外對(duì)于牛胴體預(yù)冷庫(kù)研究大多是一次預(yù)冷一個(gè)或幾個(gè)牛胴體[15-18]，并沒(méi)有研究實(shí)際上的一次預(yù)冷幾十上百個(gè)胴體，無(wú)法體現(xiàn)預(yù)冷時(shí)溫度場(chǎng)的均勻性，在提高牛胴體預(yù)冷效果方面缺少實(shí)用價(jià)值。為此，本文以吊掛有76個(gè)牛胴體二分體的實(shí)際預(yù)冷庫(kù)為研究對(duì)象，利用CFD技術(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，分析不同預(yù)冷時(shí)間不同位置的溫度分布，對(duì)比不同時(shí)間不同位置的降溫快慢、冷卻均勻性，客觀評(píng)價(jià)預(yù)冷效果。

1 材料與方法

1.1 物理模型

預(yù)冷庫(kù)物理模型根據(jù)實(shí)地測(cè)量北京某畜牧有限公司牛肉胴體預(yù)冷庫(kù)得出。牛胴體二分體模型參考實(shí)際尺寸并做適當(dāng)簡(jiǎn)化，應(yīng)用3 dmax進(jìn)行三維建模繪制。預(yù)冷庫(kù)空間尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為1.6 m×5.25 m×3.8 m，4個(gè)冷風(fēng)機(jī)空間尺寸(長(zhǎng)×寬×高)都為 1.6 m×0.6 m×0.65 m，風(fēng)機(jī)距天花板0.35 m，距墻壁0.6 m。預(yù)冷庫(kù)進(jìn)風(fēng)口為圓形，位于冷風(fēng)機(jī)前部，直徑0.5 m，風(fēng)速6 m/s，溫度-5 ℃。預(yù)冷庫(kù)出風(fēng)口為圓形，位于冷風(fēng)機(jī)背面，直徑0.5 m。本次模擬實(shí)驗(yàn)一次性預(yù)冷76個(gè)二分體。4根吊掛軌道，每根吊軌吊掛19個(gè)二分體。吊軌間距1 m，相鄰吊鉤間距0.8 m。牛胴體二分體長(zhǎng)2.3 m、寬0.75 m、厚0.35 m。預(yù)冷庫(kù)三維圖(省略了吊掛牛胴體的吊鉤)及牛胴體二分體模型如圖1所示。

圖1 預(yù)冷庫(kù)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of pre-cooling room

1.2 網(wǎng)格劃分

本文采用軟件 ICEM CFD 15.0進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整個(gè)預(yù)冷庫(kù)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。全局網(wǎng)格最大尺寸不超過(guò)0.2 m，壁面及牛胴體最大網(wǎng)格尺寸不超過(guò)0.1 m。網(wǎng)格數(shù)量為1 621 719個(gè)單元，劃分結(jié)果如圖2所示。非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格如果質(zhì)量太差，在Fluent軟件計(jì)算過(guò)程中容易導(dǎo)致計(jì)算發(fā)散或者收斂困難。網(wǎng)格質(zhì)量正交性指標(biāo)分布從0到 1，越接近0網(wǎng)格質(zhì)量越差。利用mesh quality對(duì)網(wǎng)格的正交性進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，結(jié)果表明網(wǎng)格質(zhì)量均大于0.35，平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.77，表示網(wǎng)格質(zhì)量良好。

a-預(yù)冷庫(kù)整體網(wǎng)格;b-牛胴體網(wǎng)格圖2 網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh generation

1.3 數(shù)學(xué)模型

建立數(shù)學(xué)模型求解牛胴體二分體預(yù)冷過(guò)程的溫度場(chǎng)分布情況時(shí)，為了達(dá)到預(yù)期效果的同時(shí)盡量減少計(jì)算時(shí)間，研究對(duì)實(shí)際模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，做出如下假設(shè)：空氣為不可壓縮氣體且符合Boussinesq假設(shè)；預(yù)冷庫(kù)內(nèi)管道、鐵架等對(duì)流場(chǎng)的影響忽略不計(jì)；冷風(fēng)機(jī)內(nèi)部溫度場(chǎng)變化對(duì)整個(gè)預(yù)冷庫(kù)內(nèi)溫度場(chǎng)無(wú)影響；忽略墻壁與外界的熱交換；全部牛二分體胴體是同時(shí)進(jìn)入預(yù)冷庫(kù)的；牛胴體的物理參數(shù)不隨溫度的變化而改變，忽略牛胴體預(yù)冷時(shí)的重量損失。

預(yù)冷庫(kù)中空氣、牛胴體[19]的具體熱物理性能參數(shù)如表1 所示。

表1 熱物性能參數(shù)Table 1 Parameters of thermal-physical properties

1.4 初始條件與邊界條件

初始條件:當(dāng)時(shí)間t=0 時(shí)，預(yù)冷庫(kù)壁面、預(yù)冷庫(kù)內(nèi)部空氣、冷風(fēng)機(jī)表面的初始溫度T1=0 ℃；牛胴體的初始溫度設(shè)定為T2=40 ℃，略高于正常體溫，這是考慮到牛在被宰殺時(shí)肌肉活動(dòng)增強(qiáng)引起體溫升高而設(shè)定的[19]。

入口邊界:將4個(gè)冷風(fēng)機(jī)上靠近牛胴體的8個(gè)圓孔設(shè)置為速度入口邊界條件，風(fēng)速6 m/s、溫度-5 ℃。

出口邊界:將4個(gè)冷風(fēng)機(jī)上遠(yuǎn)離牛胴體的8個(gè)圓孔設(shè)置為出口邊界條件，邊界上所有物理量梯度為零。

壁面邊界:預(yù)冷庫(kù)壁面、牛胴體表面、冷風(fēng)機(jī)表面設(shè)置為無(wú)滑移壁面條件，壁面上速度為零，且垂直于壁面的速度也為零。

1.5 數(shù)值模擬方法

采用基于有限體積法的 CFD 商用軟件 Fluent 15.0 進(jìn)行求解計(jì)算和后處理分析。不考慮重力影響，利用非穩(wěn)態(tài)剪切壓力傳輸(shear stress transport，SST)k-ω湍流模型、基于壓力的分離式求解器進(jìn)行計(jì)算。在空氣流體區(qū)采用的控制方程有能量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和質(zhì)量守恒方程，壓力速度耦合方法采用 SIMPLE(semi-implicit method for pressure-linked equations)算法求解。時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為1 h，步數(shù)設(shè)為72步，共計(jì)72 h。

2 結(jié)果與分析

2.1 云圖分析

圖3計(jì)算并監(jiān)測(cè)的是預(yù)冷庫(kù)正中間一平面即x=8 m，不同預(yù)冷時(shí)間下的溫度分布云圖。從圖3可以看出，牛胴體下部分溫度明顯高于上部分溫度。原因從圖4風(fēng)速場(chǎng)基本穩(wěn)定后的風(fēng)速云圖可知，冷風(fēng)從上面吹過(guò)后，從下面返回。冷風(fēng)從上面把牛胴體部分熱量帶到下面，導(dǎo)致同一時(shí)間，冷庫(kù)下部分冷風(fēng)溫度高于上部分溫度。另外胴體下部分相對(duì)較寬較大，也是預(yù)冷效果不如上部分的原因之一。

a-監(jiān)測(cè)平面x=8 m；b-溫度云圖圖3 平面x=8 m處不同預(yù)冷時(shí)間下的溫度分布云圖Fig.3 Temperature contours at plane x=8 m

圖4 風(fēng)速分布云圖Fig.4 Velocity distribution

圖5顯示的是不同時(shí)間下胴體表面的溫度分布云圖，可以看出，正對(duì)風(fēng)機(jī)的牛胴體，降溫速率明顯高于非正對(duì)風(fēng)機(jī)的牛胴體。在條件允許范圍內(nèi)，建議定時(shí)改變風(fēng)機(jī)吹風(fēng)方向，或者定時(shí)調(diào)換正對(duì)風(fēng)機(jī)與非正對(duì)風(fēng)機(jī)牛胴體的位置，使牛胴體冷卻更均勻。

圖5 不同預(yù)冷時(shí)間下的牛胴體表面溫度分布云圖Fig.5 Temperature contours of beef carcass surface

2.2 預(yù)冷時(shí)間

依據(jù)《牛羊屠宰與分割車間設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 51225—2017)[20]，牛胴體冷卻后中心溫度不應(yīng)高于7 ℃。所以當(dāng)胴體中心平均溫度達(dá)到7 ℃時(shí)，胴體基本達(dá)到預(yù)期預(yù)冷溫度，所用時(shí)間為預(yù)冷時(shí)間。圖6是所有牛胴體表面和胴體內(nèi)部平均溫度隨預(yù)冷時(shí)間變化的曲線。由圖6可知，所有胴體表面平均溫度達(dá)到7 ℃ 需要18 h。所有胴體內(nèi)部平均溫度達(dá)到7 ℃，需要40 h。通過(guò)2.1節(jié)圖3的溫度云圖可知，要使胴體中心最高溫度低于7 ℃，則需要72 h左右。

圖6 牛胴體平均溫度變化曲線Fig.6 Average temperature change curve of beef carcass

圖7是預(yù)冷庫(kù)中平均溫度低于7 ℃的牛胴體個(gè)數(shù)隨預(yù)冷時(shí)間增長(zhǎng)而增加的曲線。從圖7可看出，預(yù)冷28 h后開始有1個(gè)胴體平均溫度低于7 ℃，從 30 h 到44 h，平均溫度低于7 ℃胴體個(gè)數(shù)呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。38 h后超過(guò)一半胴體平均溫度低于7 ℃，這是通常所說(shuō)的二分之一預(yù)冷時(shí)間。42 h后有超過(guò)八分之七的胴體平均溫度低于7 ℃，這是通常所說(shuō)的八分之七預(yù)冷時(shí)間。44 h后每個(gè)胴體平均溫度都低于7 ℃。因?yàn)?8 h后陸續(xù)有胴體平均溫度低于7 ℃，建議在28 h后，將先預(yù)冷好的牛胴體陸續(xù)移出預(yù)冷庫(kù)進(jìn)行下一步加工處理。

圖7 平均溫度低于7 ℃的牛胴體個(gè)數(shù)曲線Fig.7 Curve of beef carcass number with average temperature below 7 ℃

2.3 冷卻均勻性

溫度離散系數(shù)用來(lái)評(píng)估冷卻均勻性，溫度離散系數(shù)越大，冷庫(kù)內(nèi)牛胴體溫度數(shù)據(jù)離散程度越大，溫度分布越不均勻;反之，溫度離散系數(shù)越小，冷庫(kù)內(nèi)牛胴體溫度數(shù)據(jù)離散程度越小，溫度分布越均勻。采用熱力學(xué)溫度計(jì)算溫度離散系數(shù)[21]，計(jì)算如公式(1)所示：

(1)

式中：Cv為溫度離散系數(shù)，%；n為牛胴體數(shù)量；Tave為n個(gè)牛胴體的平均溫度；Ti為牛胴體i的平均溫度。

以離冷風(fēng)機(jī)由近到遠(yuǎn)分成第1排、第2排、第3排、第4排牛胴體，圖8是4排牛胴體和所有牛胴體的溫度離散系數(shù)曲線圖。從圖8可以看出，各排和整體溫度離散系數(shù)都是先升高再降低。當(dāng)溫度離散系數(shù)達(dá)到峰值后，隨著冷卻時(shí)間的增加，預(yù)冷庫(kù)內(nèi)胴體間溫度差異性越來(lái)越小，溫度離散系數(shù)越來(lái)越小。整體溫度離散系數(shù)峰值為0.5，各排牛胴體溫度離散系數(shù)變化趨勢(shì)相近，但后兩排比前兩排晚18 h達(dá)到峰值。前兩排在12 h達(dá)到峰值，后兩排在30 h分別達(dá)到峰值。這可能是因?yàn)榍皟膳排ｋ伢w離冷風(fēng)機(jī)近，牛胴體降溫相對(duì)快于后兩排，隨著溫度的降低，前兩排胴體間溫度差異先減小，溫度離散系數(shù)先降低。

Cv_1-第1排牛胴體；Cv_2-第2排牛胴體；Cv_3-第3排牛胴體； Cv_4-第4排牛胴體；Cv_all-所有牛胴體圖8 溫度離散系數(shù)曲線Fig.8 Curves of temperature variation coefficients

3 結(jié)論

風(fēng)機(jī)朝一個(gè)方向吹風(fēng)，導(dǎo)致牛胴體上部分比下部分降溫快，非正對(duì)冷風(fēng)機(jī)的牛胴體冷卻效果不如正對(duì)冷風(fēng)機(jī)的牛胴體。在條件允許范圍內(nèi)，建議改進(jìn)風(fēng)機(jī)，讓風(fēng)機(jī)朝不同方向發(fā)散吹風(fēng)或定時(shí)改變風(fēng)機(jī)吹風(fēng)方向，或者定時(shí)調(diào)換正對(duì)風(fēng)機(jī)與非正對(duì)風(fēng)機(jī)牛胴體的位置，減少牛胴體溫度離散系數(shù)，使牛胴體冷卻更均勻。

冷卻28 h后，開始有牛胴體平均溫度低于7 ℃；44 h后，每個(gè)胴體平均溫度都低于7 ℃；要使胴體中心最高溫度低于7 ℃，則需要72 h左右。建議在28 h 后，將先預(yù)冷好的牛胴體陸續(xù)移出預(yù)冷庫(kù)進(jìn)行下一步加工處理。

對(duì)于不同冷庫(kù)大小、不同初始溫度、不同預(yù)冷胴體大小及個(gè)數(shù)，可參考本研究，適當(dāng)選擇風(fēng)機(jī)(包括風(fēng)機(jī)個(gè)數(shù)、風(fēng)速、送風(fēng)溫度等)，適當(dāng)調(diào)整預(yù)冷時(shí)間。