荔枝汁冷冻浓缩冰晶生长的动力学分析和相场模拟

针对冷冻浓缩工艺因冰晶夹带造成果汁中可溶性固形物损失的问题,以荔枝汁为研究对象,探讨冷冻浓缩过程冰晶生长的影响因素。在采用冷冻浓缩动力学模型进行分析的基础上,借鉴国内外金属微观结构研究领域的相场模型,模拟冰晶生长的规律。结果表明:冰晶增长速率与冰晶质量成正比,同时也受最大冰晶质量的抑制。相场模拟冷冻时间越长,降温速率越大,冰晶枝状越发达,引起冰晶的夹带率越高,果汁可溶性固形物损失越大。     

界面厚度对果汁等温结晶冰晶生长影响的相场法模拟

将果汁体系视为水和溶质组成的二元系统,采用相场法模拟二元系统的相变微观结构,研究了等温结晶过程中,界面厚度对冰晶生长的形貌及溶质分布的影响,确定模型中界面厚度的合理取值。结果表明:界面厚度对冰晶的形貌有正负影响。在扰动干扰的范围内,二次枝晶随着界面厚度的增大而越来越发达,枝晶尖端也尖锐;在扰动干扰范围外,晶粒不产生二次枝晶,同时主轴枝晶变细,部分主轴枝晶消失。界面厚度取值越大,晶粒生长速率越快,而枝晶尖端半径减小。界面厚度取值在3dx左右能较好地反应枝晶生长形貌及提高计算效率。     

冷冻浓缩过程冰晶生长的相场法模拟

以水为原料,利用相场模型从微观上对冰晶生长机制进行模拟,结果表明:随着过冷时间的延长,冰晶的分枝逐渐发达;随着过冷度的增高,冰晶的分枝也逐渐发达.表明控制过冷时间和过冷度是冷冻浓缩过程中降低冰晶夹带率的重要措施.     

各向异性强度对冷冻浓缩过程冰晶生长影响的相场法模拟

针对各向异性参数与实际物性参数的关系无法用试验方法准确获得的问题,采用描述相变微观结构的相场模型,探讨各向异性强度对冰晶生长形貌和冰晶的溶质分布的影响,确定模型中各向异性强度系数的合理取值。结果表明:各向异性强度系数取值大小对冰晶的形貌有很大影响,取值越大,冰晶的二次分枝越发达,且尖端速度波动的幅值越大,但对冰晶大小影响不大;各向异性强度系数取值大小对冰晶的溶质分布也有较大影响,取值越大则冰晶前沿溶质越富集,溶质分布波动范围越大。各向异性强度系数取值范围为0.010~0.025时,模拟获得的形貌与低温显微镜下观察到的冰晶生长形貌试验结果较为吻合,能够较真实地反映冷冻浓缩过程冰晶生长形貌。     

基于相场法的液态食品冷冻浓缩冰晶生长数值模拟

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。     

果汁等温结晶过程冰晶生长的相场法模拟

针对冷冻浓缩过程冰晶夹带造成果汁可溶性固形物损失而限制其推广使用的问题,采用国内外描述相变微观结构的相场模型,将果汁体系视为水和溶质二元系统,从微观上模拟冰晶生长的演变过程。探讨扰动对晶体二次分枝生长的影响,修正各向异性的模数,并通过改变各向异性强度系数,获得冰晶模拟的各向异性强度系数合适取值,进一步分析结晶模拟时间对模拟结果的影响,与试验结果进行验证。结果表明:扰动通过诱发侧向分枝的生长,从而影响晶体形貌;各向异性会影响冰晶生长形貌,各向异性强度系数太小,分枝不明显,太大,会造成冰晶非对称生长;模拟结果与试验结果两者吻合较好。