基于相场法的液态食品冷冻浓缩冰晶生长数值模拟.pdf

第30卷第3期农业工程学报Vol.30No.3
2014年2月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringFeb.2014231

基于相场法的液态食品冷冻浓缩冰晶生长数值模拟

1,423444※
陈梅英，冯力，欧忠辉，林河通，卓艳云，陈锦权
（1.福建农林大学管理学院旅游学院，福州350002；2.兰州理工大学材料科学与工程学院，兰州730050；
3.福建师范大学数学与计算机科学学院，福州350108；4.福建农林大学食品科学学院，福州350002）

摘要：旨在建立冷冻浓缩过程冰晶生长的数理模型，用以微观上分析冰晶夹带造成液态食品中溶质损失的问题。
探讨结晶时间对冰晶形貌的影响。采用国内外描述相变微观结构的相场模型，将液态食品体系视为水和溶质二元
结构，模拟冰晶生长的演变过程。研究等温结晶情况下，计算时间对冰晶生长形貌的影响及其对冰晶内部溶质浓
度分布的影响。模拟结果表明，随着时间的延长，冰晶形貌逐渐变大，主干变细，二次分枝乃至三次分枝更加发
达；同时，冰晶所包含的溶质浓度越大，各区域的溶质浓度分布也随之改变。由于溶质再分配，冰晶溶质分布曲
线存在着波峰与波谷，波峰对应着来不及扩散溶质的冰晶尖端，波谷对应着冰晶固相。结果启示，在等温情况适
当控制结晶时间将有效控制冷冻浓缩过程冰晶的形貌演化，降低液态食品冷冻浓缩过程的溶质损失。为进一步研
究各种因素对冰晶生长的影响提供理论依据，从而为改进冷冻浓缩工艺、推进其工业化提供技术支持。
关键词：冷冻；浓缩；数值方法；相场法
doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2014.03.030
中图分类号：TS205.7；TS275.5文献标志码：A文章编号：1002-6819(2014)-03-0231-07

陈梅英，冯力，欧忠辉，等.基于相场法的液态食品冷冻浓缩冰晶生长数值模拟[J].农业工程学报，2014，30(3)：
231－237.
ChenMeiying,FengLi,OuZhonghui,etal.Numericalsimulationoficecrystalgrowthofliquidfoodfreeze
concentrationbasedonphase-fieldmethod[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering
(TransactionsoftheCSAE),2014,30(3):231－237.(inChinesewithEnglishabstract)

用都很有意义[9-10]。但由于冰晶夹带且难以分离，
0引言
限制了其推广使用。冰晶是水以晶体状态从溶液
液态食品由于体积大，给贮存和运输带来很大中析出的一种典型的凝固组织，也是非平衡组织
的问题。所以，常常将液态食品进行浓缩加工。液结构[11-13]，在固液相变过程中，固体与液体之间有
态食品浓缩的工业化方法主要是真空蒸发浓缩。该着明显的分界面，涉及到质量、热量及动量传输，
工艺设备复杂，不仅能耗大，还易造成热敏性成分存在着相变和多物理场相互作用及界面动力学耦
变性、营养成分损失[1-3]。冷冻浓缩在低温下操作，合毛细作用效应的自由边界问题等的复杂过程，所
气液界面小，微生物增殖、溶质的劣化及挥发性芳以对冷冻浓缩的研究仍以试验为主[14-19]。目前常用的
香成分的损失可控制在极低的水平。该技术在液态微观组织模拟方法中，无论确定性方法[20]，还是概
食品、葡萄酒、咖啡提取物、牛奶等的浓缩及海水率方法[21-22]均需要追踪过程，由于这些困难，至今
淡化、中药提取液浓缩，废水处理等方面应用已有仍未发现从微观上构建冰晶生长特征的数理模型。
研究[4-8]。另外，同蒸发浓缩相比，冷冻浓缩比其能相场法通过微分方程解释热力学、扩散、驱动力有

耗少，CO2排放量小，整体的冰结晶又是很好的蓄序化势的系统作用，引入相场变量作为序参量来区
冷、降温用冷源，对于保护环境、促进资源的再利分过冷熔体中的固相和液相，对描述非平衡状态中
的复杂相界面演变过程具有独特的优势，其方程的
解可用来描述该系统中固液界面的形态及移动变
收稿日期：2013-08-25修订日期：2013-12-19
基金项目：国家自然科学基金资助项目（31101327）；高等学校博士学化，相场法已成为材料科学研究领域中微观组织模
科点专项科研基金博导类资助课题（20123515110016）；福建省自然科拟的研究热点[23-27]。相场法用在微观上模拟冰晶生
学基金项目（2011J01002)[28-30]
长的过程，尚处在初步探索阶段。
作者简介：陈梅英（1972－），女，福建莆田，副教授，