基于COMSOL Multiphysics的高壓脈沖電場(chǎng)仿真研究

陳 婷，劉昕露，任 琪

（重慶城市管理職業(yè)學(xué)院，重慶 401331）

高壓脈沖電場(chǎng)（High Voltage Pulsed Electric Field，以下簡(jiǎn)稱HPEF）作為一種非熱處理技術(shù)，已被普遍應(yīng)用于食品及農(nóng)產(chǎn)品加工行業(yè)中。非熱處理技術(shù)主要有超高壓技術(shù)、紫外線輻照、生物防腐劑殺菌技術(shù)及高壓脈沖電場(chǎng)技術(shù)等[1]。HPEF 具有能耗低、無污染、傳遞均勻、產(chǎn)熱少、能最大限度保持食品的品質(zhì)、便于推廣等優(yōu)勢(shì)。因此，HPEF 具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景，并越來越受到人們的關(guān)注[2]。近幾年，在“高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)云南普洱茶抗氧化性影響的機(jī)理研究”“高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)普洱茶主要化學(xué)成分的影響”“高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)普洱茶香氣成分的影響研究”等科研項(xiàng)目的支持下研究并發(fā)現(xiàn)，普洱茶在經(jīng)過HPEF 處理后，普洱茶中細(xì)菌總數(shù)急劇下降[3]、茶多酚含量大幅減少，且其趨勢(shì)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(shí)其感官效果、品質(zhì)均有一定的提高。因此，為深入研究HPEF的作用機(jī)理，文章利用COMSOL Multiphysics 仿真平臺(tái)對(duì)HPEF 進(jìn)行多物理場(chǎng)耦合分析，分析其電場(chǎng)、溫度、流速（空氣流）的分布情況，并建立相應(yīng)的模型，為后期探究HPEF 作用機(jī)理及處理裝置設(shè)計(jì)改進(jìn)提供一定的理論依據(jù)。

1 高壓脈沖電場(chǎng)處理裝置

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

圖1 處理裝置

2 模型與材料參數(shù)設(shè)定

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

仿真時(shí)HPEF 的參數(shù)設(shè)定為：①波形，方波；②電壓，30/15/3 kV；③頻率，120 Hz；④脈沖個(gè)數(shù)，10；⑤溫度，298.15 K。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 平板式電場(chǎng)三維模型

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

圖2 處理裝置三維模型

3.2 多物理場(chǎng)耦合仿真分析

根據(jù)處理裝置三維模型，用COMSOL 對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，類型為自由三角形。電場(chǎng)強(qiáng)度求解采用瞬態(tài)求解器，溫度與流速求解采用穩(wěn)態(tài)耦合求解，其自由度為287 837個(gè)。

當(dāng)作用時(shí)間t=0.004 s，d=30 cm 時(shí)，取不同電壓強(qiáng)度U分析其電場(chǎng)強(qiáng)度（V/m）其結(jié)果如圖3 所示。由圖3 可知，脈沖電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布均勻，當(dāng)U為3 kV 時(shí)，E=1×104V/m；當(dāng)U為15 kV 時(shí)，E=0.5×105V/m；當(dāng)U為30 kV 時(shí)，E=1×105V/m。通過COMSOL 仿真分析，結(jié)果表明，平行極板型的HPEF 確為均勻電場(chǎng)，不同脈沖電壓強(qiáng)度下的電場(chǎng)強(qiáng)度E隨著電壓強(qiáng)度的增加而增加。這與HPEF 處理技術(shù)的“傳遞均勻”這一特色優(yōu)勢(shì)一致。

圖3 電場(chǎng)強(qiáng)度分布

通過COMSOL 對(duì)脈沖電場(chǎng)溫度場(chǎng)仿真，其結(jié)果表明，在整個(gè)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(gè)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(shù)作為一種“產(chǎn)熱少、非熱物理”加工處理技術(shù)理念一致，如圖4、圖5所示。

圖4 脈沖電場(chǎng)處理裝置溫度場(chǎng)的仿真

圖5 脈沖電場(chǎng)處理裝置流場(chǎng)的仿真

通過COMSOL 對(duì)HPEF 流場(chǎng)進(jìn)行仿真，結(jié)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(cè)的位置空氣流速最低，接近0 m/s，幾乎沒有空氣對(duì)流，這也與HPEF “能最大限度保持食品的品質(zhì)”這一特點(diǎn)保持一致。

4 結(jié)束語

高壓脈沖電場(chǎng)是一種新興的、可持續(xù)的、環(huán)保的食品加工技術(shù)，被認(rèn)為是21世紀(jì)食品加工技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域中的新技術(shù)之一。文章仿真分析結(jié)果表明，平板型HPEF 處理裝置其電場(chǎng)強(qiáng)度為一均勻電場(chǎng)、溫度場(chǎng)幾乎恒定不變，接近工作環(huán)境室溫，基本無空氣流動(dòng)，這也與HPEF 的“傳遞均與、產(chǎn)熱少、能最大限度保持食品的品質(zhì)”等顯著特點(diǎn)高度吻合。