共场处理室耦合场仿真软件开发与分析

胡大华 平雪良 吉 祥 金 伟

（江南大学机械工程学院，江苏 无锡 214122）

高压脉冲电场（pulsed electric field，PEF）杀菌是将待灭菌液态物料采用泵送等方式流经设置有高强脉冲电场的处理器，微生物在极短时间内受强电场力作用后，细胞结构被破坏，菌体死亡［1］。处理室作为PEF杀菌系统的重要组成部分，其结构形式主要有3种：平板式、同轴式和共场式，其中共场处理室由于阻抗较小、电场强度分布相对均匀、流速特性好等优势得到广泛应用，尤其在中试规模和工业规模的PEF杀菌系统当中［2］。

共场处理室的结构形式相对简单，包括两个管道金属电极和夹在中间的绝缘体材料，但其中的一些微小改变都会影响PEF杀菌系统的杀菌效果［3］。在以往的设计处理室时，大多研究者只考虑了电场分布情况，认为只要达到目标电场强度以及相对均匀的电场就行，完全忽略了流场和温度场的作用效果，其实，三场之间的关联是影响杀菌效果的重要因素，因此，对处理室进行三场耦合分析并优化可以设计出更加适合高压脉冲电场杀菌的处理室。

1 三场耦合关系

在PEF杀菌系统工作时，处理室内主要存在着3种物理场：电场、流场与温度场，这三场之间的关系用控制方程表示见图1。

从图1控制方程之间的相互关系可以看出，电场为温度场提供的能量Q升高了温度T，温度的升高，使流体特性发生改变，包括热导率k、密度ρ、常压热容Cp、黏度η及电导率σ，上述变量都是温度T的函数，同样，流体流速v的改变也影响着温度场的变化。因此，只有明确这三物理场之间的关系，才能更加准确地模拟处理室的工作过程［4－6］。

2 2D同场处理室仿真软件开发

基于COMSOL Multiphysics的二次开发平台－COMSOL With MATLAB开发出耦合场仿真分析软件，该平台能够使COMSOL和MATLAB互相调用两者的脚本程序，利用MATLAB工具箱中的GUI Toolbox编写M脚本程序，并利用GUI Toolbox创建图形化的界面设计。在COMSOL中把MATLAB作为脚本编写工具和平台，并在它的操作界面中，用户可以调用用户自定义函数的 MATLAB脚本，使得COMSOL的仿真更贴切实际［7，8］。

图1 三场耦合关系图Figure 1 Relationship diagram of three coupled fields

2.1 共场处理室参数化建模

软件的开发以共场处理室为研究对象。采用二维模型结构（图2），能够简化分析，直观对比，图中的结构主要包括两端的接地电极、中间的高压电极和内腔体形状可变的绝缘体，处理区域位于高压电极与接地电极之间。

处理室的主要尺寸参数有5个：电极内径d，绝缘体圆角半径r，绝缘体内嵌长度a，绝缘体宽度l，高压电极长度b，单位均为mm。

2.2 材料属性设置

处理室的高压电极均采用不锈钢316L［k＝44.5W／（m·K），Cp ＝475J／（kg·K），ρ＝7 850kg／m3］，绝缘体材料选用聚四氟乙烯［Cp ＝1 050J／（kg·K），k ＝0.24W／（m·K），ρ＝2 200kg／m3］，仿真过程中物料采用0.2%的NaCl溶液，其需要定义的参数如密度、黏度、常压热容和热导率均与水相似，都是温度T的函数，可以采用COMSOL Multiphysics材料库中水的属性。NaCl溶液的电导率σ随温度的变化情况可由式（1）得出。

图2 共场处理室模型Figure 2 Model of the co－field treatment chamber

式中：

T0—— 物料的初始温度，298.15K；

σ（T0）—— 物料电导率，4 200mS／cm；

α—— 温度系数，0.002 14K－1。

2.3 软件界面设计

软件界面是利用MATLAB的GUI工具箱进行绘制的，根据模拟共场处理室工作过程的仿真分析要求，软件界面主要涉及7个区域：结构参数区、模型图像区、系统参数区、网格调整区、网格图像区、求解区及后处理区。结构参数区，设置共场处理室模型主要尺寸参数，进行建模。

模型图像区，用于显示不同尺寸处理室模型的二维结构图。

系统参数区，设置PEF杀菌系统电路参数及流体特性参数，包括电压（V），脉冲频率（Hz），方波脉冲脉宽（s），流体入口流速（m／s），流体初始温度（℃）。

网格划分区，COMSOL软件自带流体动力学划分网格，根据精度需要将网格大小设置为极端细化至极端粗化等7种形式。

求解区，利用COMSOL的稳态求解器进行耦合求解，求解完成后通过雷诺数公式计算流体状态（层流或湍流），并弹出提示对话框，式（2）为雷诺数公式：

式中：

Re—— 雷诺数；

η—— 黏度，Pa·s；

r—— 管道半径，mm；

v0—— 物料流速，m／s。

雷诺数≤2 500为层流，＞2 500为湍流。

后处理区，后处理界面设计中需要计算出3种不同物理场数值大小并绘出相应的分布曲线以及处理区域内平均电场与平均流速大小。绘制电场分布图时，在下拉列表中分别设置电场分布和轴向电场分布可选，点击绘图按钮，即可绘制出共场处理室中电场分布曲线图；流场下拉列表中可绘制的曲线包括处理室内径向流速分布曲线，后处理区中可绘制图形有温度分布图、径向温度分布曲线和等温线3种。

仿真软件界面图见图3。

图3 仿真软件界面Figure 3 Simulation software interface

运用该软件能够对不同的PEF杀菌系统参数、不同结构及参数的同场处理室进行仿真分析。

3 共场处理室仿真分析

为了减小工作量同时获得杀菌效果更优的共场处理室结构，利用自主开发的仿真软件对不同结构的共场处理室进行仿真对比分析。

处理室结构及参数的变化会对处理室内耦合场的分布产生很大的影响。电场强度是影响杀菌效果的第一因素，处理室内平均电场强度越高则电场分布越均匀。处理区径向温度分布是评判温度分布好坏的标准。温度分布是电场和流场相互作用的结果，根据公式Q＝σ（T）·E2可知，温升会影响物料的电导率，而温度分布的均匀性在一定程度上也能体现电场的均匀性。处理室内温度分布情况对PEF杀菌效果的影响可能大于电场强度分布的作用。

3.1 基本条件

为了比较不同结构及参数的处理室温度分布情况，必须满足下述2个条件：

（1）平均电场强度相同，仿真时设定为30kV／cm。

（2）流经处理腔的物料接受的脉冲数相同［9］。设定脉冲频率f＝300Hz，脉冲宽度τ＝2×10－6μs，绝缘体长度l近似看作处理区域长度，这样不仅能够保证处理时间t近似于绝缘体长度l与平均流速v的比值：t＝l／v，而且通过控制平均流速v的大小保证流体接受相同个数的脉冲处理。

3.2 模型建立与参数设置

模型建立主要基于目前国内外共场处理室的常用结构，但是由于处理室内部尺寸太小，过于复杂的结构又难以加工，所以在建模区域设定不同参数构建了4种结构简单的共场处理室见图4。

图4 4种不同结构的共场处理室模型Figure 4 4co－field treatment chamber models with different structures

A1～A4代表目前处理室模型的主要研究方向，表1所示是它们的基本参数：

为了满足3.1中的基本条件，设定的电压值和进口流速的数据见表2。

3.3 温度分布对比

根据表1建立的4种共场处理室模型，在网格划分区选择划分相同的较细化网格。在流料为湍流的条件下，通过仿真软件绘制出每种模型的电场、流场、温度场分布图。为了直观了解不同结构处理室模型内不同位置的温度分布情况，应用此软件绘制出径向位置温度分布曲线，见图5。

表1 不同处理室模型基本参数Table 1 Parameters of different treatment chamber models ／mm

表2 4个模型系统参数设置Table 2 System parameter setting of 4models

图5 4种模型径向温度分布曲线Figure 5 Radial temperature distribution curve of 4models

由图5可知，在设定的相同平均电场强度和脉冲个数条件下，处理室模型不同位置分布情况都是在轴线两端60%的处理区域内，A1～A4 4种模型的温升在5℃以内，在60%～80%的位置，温升均呈圆弧线缓慢上升，不同结构的温升程度相近。超出80%的位置，即边界附近，温度直线上升，不同结构的处理室温升的程度不同。

在A1模型中，其电极内径与绝缘体内径相同，流体的流速性能较好。根据图5，在处理室边界附近，A1模型的温升却超过其它模型，最高温度达68℃；在靠近对称轴的位置，A1模型的温度变化情况与其它模型温升基本相同，在对A1模型不同位置的温度分布分析后得出，A1的温升最不均匀。

对于A2模型，金属电极的半径大于绝缘体半径，内嵌绝缘体呈直角，流体流速在不同半径之间发生明显变化。在绘制流场分布图时，A2模型存在死区，可能会影响最后杀菌效果。处理区域的温升最高也达到57℃，只比A1模型稍低。

针对A2模型流场中存在较大的死区问题，A3模型结构在绝缘体直角处进行倒角，使之呈现圆弧过渡。该种设计在结构上减小了死区面积，优化了流体流动特性。由图5可知，A3模型的最高温升同样出现在边界附近，但此时的温升已经由A2模型的57℃下降到46℃，降幅较大。

A4模型在A2和A3的基础上对圆角半径进行了修改，与A3结构相比减小了圆角半径，主要为直观比较圆角半径的大小对耦合场的影响。该模型的温升情况与其它模型规律相同，在边界处最高温升为50℃。在绝缘体上进行倒角有助于提高绝缘体的流体流动特性并减小温升，相同尺寸参数的处理室中，圆角半径越大越好。

通过上述4种模型的分析对比，A3模型的温度分布最均匀。但是对于电场分布，仍然需要通过软件分析出4种模型的电场均匀性。图6为4种模型的电场强度分布图。

由图6可知，A1模型的电场分布均匀性最差，在金属电极与绝缘体交界处出现尖峰电场，场强为203.48kV／cm，可能致使处理室产生电极污染［10］。A3结构的处理室无论是温升还是电场强度的分布都是最均匀的。存在死区结构的模型电场强度分布极不均匀，高场强可能会导致处理室液体击穿，造成对PEF杀菌系统的损坏。同时，综合仿真软件分析结果可以得出温度分布情况在某种程度上也影响电场强度分布。

4 结论

图6 4种模型的电场强度分布图Figure 6 Electric field distribution of 4models

共场处理室的结构虽然相对比较简单，但在设计过程中要考虑的因素很多，如结构尺寸、系统参数、流体特性、电场和温度场分布等，这都给实际设计与分析带来了许多困难。通过运用本耦合场仿真软件，便可轻易模拟出不同结构、不同系统参数下共场处理室的工作过程，给共场处理室的优化和设计带来很大的帮助。

综合不同结构的共场处理室进行对比分析，得出了A3模型的处理室更能产生良好耦合场分布，后续的研究可以着重电极与绝缘体之间的圆弧过渡。A3模型无论是电场分布还是温度场分布都比其它结构要均匀。同时研究得出，温度的均匀程度是优化处理室结构的第一标准。

1 金伟，平雪良，吉祥，等.高压脉冲电场共场杀菌处理室性能仿真与试验［J］.农业工程学报，2012，28（19）：39～147.

2 曾新安，陈勇.脉冲电场非热杀菌技术［M］.北京：中国轻工业出版社，2005.

3 刘铮，杨瑞金，赵伟，等.高压脉冲电场破壁法提取废啤酒酵母中的蛋白质与核酸［J］.食品工业科技，2007（3）：85～88.

4 Buckow R，Schroeder S，Berres P，et al.Simulation and evaluation of pilot－scale pulsed electric field（PEF）processing［J］.Journal of Food Engineering，2010，101（1）：67～77.

5 Gerlach D，Alleborn N，Baars A，et al.Numerical simulations of pulsed electric fields for food preservation：A review［J］.Innovative Food Science and Emerging Technologies，2008，9（4）：408～417.

6 Misaki T，Tsuboi H，Itaka K，et al.Computation of three－dimensional electric field problems by a surface charge method and its application to optimum insulator design［J］.IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1982，101（3）：627～634.

7 张铁华，殷涌光，陈玉江.高压脉冲电场（PEF）非热处理的加工原理与安全控制［J］.食品科学，2006，27（12）：881～885.

8 夏海霞.汽轮发电机端部电磁－温度耦合场的研究及其数值分析［D］.杭州：浙江大学，2007.

9 马凤鸣，张佰清，徐江宁.脉冲强光杀菌装置设计的初步研究［J］.食品与机械，2005，21（6）：66～67.

10 金伟，平雪良，吉祥，等.高压脉冲电场杀菌系统的研究进展［J］.食品与机械，2012，28（1）：247～258.