基于格子Boltzmann方法分析果蔬真空冷冻干燥冻干速率

来源：农业工程学报杂志2016年第14期北京时间：

作者：段智英,郭玉明,王福贵,

摘要：为实现果蔬真空冷冻干燥水分在线检测，研究果蔬冻干过程水分扩散运移规律及过程参数优化，该文基于格子Boltzmann方法以果蔬冻干过程孔隙度变化表达其冻干速率。由于果蔬在冻干过程中孔隙度会随着冰晶的升华而发生相应变化，水分扩散路径及孔隙度由外向内逐渐变化，运用格子Boltzmann方法和动力学能量守恒定律，模拟分析了果蔬冻干水分扩散速率变化分布情况，建立了孔隙度线性变化的多孔介质模型，结果表明多孔介质类果蔬孔隙度变化越大冻干速率就越大。试验验证以苹果为试材，在冻干1、3、5、7 h测取苹果样品含水率和对应的水分运移边界位置，并在苹果冻干样本水分运移边界处进行电镜微观拍片与孔隙度图像信息采集处理，获得相应的孔隙度试验值，通过对水分扩散边界位置与孔隙度相关性分析可知，苹果冻干过程孔隙度由内向外呈线性增加。进而导出含水率与孔隙度、孔隙度变化与干燥速率的相关关系，得知孔隙度的变化与冻干速率呈正比，试验验证与模拟结论相一致。表明多孔介质的孔隙度可作为物料内部流体传输的表征参数，可应用孔隙度的变化来表达冻干速率。该研究为冻干过程参数优化与机理分析提供了参考，在冻干水分在线监测等方面提供了应用基础。

关键词：干燥, 水分, 孔隙度, 真空冷冻干燥, 多孔介质, 格子Boltzmann方法, 干燥速率