感应加热：一种可行的食品加工技术

自古以来，食品加工便在为消费者提供优质食物的过程中扮演着重要的角色。人们在很早以前就开始利用腌制保存、发酵及日光干燥等技术去除食物中的毒素和有害微生物，以此来提高食物的保质期，使其能被远距离运输。虽然上述技术中仍有一部分我们今天仍在使用，然而为了满足人们对效率和质量更高的追求，食品工业已演化为一个更为复杂的过程。

日光干燥是食品加工技术中的一种。图像由 Ariane CCM 自行拍摄。已获 CC BY-SA 3.0 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。

感应加热已成为食品加工工艺中的一个广受欢迎的选择。与通过热水或蒸汽对管道进行加热的方法相比，通过感应加热可以更好地控制温度，进而有助于防止局部高温。与巴氏消毒法一类的食品加工工艺相比，这项技术可更好地使食物品质得以保存，同时还提升了灭菌效率。更重要的是，由于食品不直接与线圈进行接触，所以在对不同类型的食品进行加工时，可以非常方便地对所用管道进行更换。同时因为此项工艺完全依靠电能，所以几乎不需要用到水，这是另一个巨大的优势。

线圈和管道的配置对食品加工工艺中的感应加热技术的可靠性和效率起着重要作用。正如我们将在下文中重点阐释的，数值模拟 App 是测试各类设计配置，并向用户快速传递精确结果的有力工具。

借助 App 测试管线感应加热器的各种设计配置

首先，让我们看看管线感应加热器 App 的底层模型。该模型由一个缠绕在一组管道上的圆形电磁线圈构成，且管道内有流体（流质食物）流动。当交流电通过线圈时，会产生交变磁场。随后，交变磁场穿透管道，并在管道内产生涡流，使其升温。

管线感应加热器模型的几何结构。

该 App 是为测量管线感应加热器对流经管道的流体的加热效率而设计的，对于铁素体不锈钢管和非铁素体不锈钢管均适用。由于铁素体不锈钢组分中不含镍元素，所以其价格相对低廉且稳定，这使得这一材料在食品加工方面展现出了新的潜力，因而在食品工业领域广受欢迎。

我们已经介绍了此 App 的创建基础，现在让我们将重点转到设计上来。请记住，当您在设计 App 时，一定要掌控所有包含的参数，以及特定的布局和结构。最终的目的是为您的特殊需求定制一件简单、易用的工具。

“管线感应加热器”仿真 App 的用户界面（user interface，简称 UI）。

“管线感应加热器” App 由两个主栏组成：位于左侧的设置 栏和位于右侧的图形 栏。在设置 栏，用户可便捷地修改管道和线圈的尺寸。作为进一步的指导，当几何输入框在每一个更新后，都会对几何 状态的有效性进行显示。只有在满足以下条件的情况下，几何状态才是有效的：

• 线圈长度和位置必须匹配管道长度
• 管道厚度必须与内半径成正比

如不满足以上条件，几何状态将被判别为无效，直到对几何结构做出必要的修改。这有助于确保用户在运行测试时可获取符合实际的仿真结果。

设置栏的选项卡。

同时，在材料和工作条件 栏设置有一系列输入参数，包括管道材料规格、线圈工作条件、流动状态及目标温度。用户在管道材料上有两种预定义选择： 410 不锈钢（马氏体合金）和 410s 不锈钢（铁素体合金）。如需自定义，用户还可以选择不锈钢（用户定义）选项，便可对材料的电导率和相对磁导率进行修改。

在对各参数进行相应修改之后，用户可将重点转向图形 栏。此处会显示多个绘图，其中包括几何形状、温度和磁通密度、沿管道流动的流体的温度、磁通密度、流体温度及流体速度幅值。

通过显示的数值结果，修改管线感应加热器的几何形状、材料、工作条件。请注意这段视频没有配音。

数值结果 栏会显示管道内的最高温度和出口处的最低温度。如果这两个数值中的任何一个高于或低于临界值，用户便会收到状态 栏弹出的消息。数值结果 栏还会显示出口的平均温升和管线感应加热器的热效率。

当用户得到了他们想要的结果，仅需要简单地通过点击功能区中的创建报告 按钮即可生成报告。通过这种方式，便可以方便地与设计流程中的其他同事分享他们的发现。

优化食品加工过程中的管线感应加热器的设计

仿真 App 这一有力的工具将复杂的物理场隐藏在了简单、易用的界面之下。通过授权更多人，让他们运行自己的仿真测试，这些工具极大地提高了设计工作流程的效率，同时还确保了所得结果的准确性。

在这里，我们已经演示了这一方法是如何对食品加工工艺中线管感应加热器的设计进行优化的，用户借助仿真 App 可以方便地对不同配置进行测试，直到获得想要的结果。正如该示例所示，仿真 App 可帮助加速食品加工技术的优化过程，它是使品质与效率完美结合的可行资源。

类似于网站“案例下载”中的其他演示 App，“线管感应加热器” App 的设计目的是用来启发与指导您开发自己的仿真 App。我们鼓励您以它为基础来创建自己的 App，让用户能够修改此类相同的参数或替换相关参数来满足建模需求。

更多关于 App 开发及食品加工建模的资源

• 自己动手，下载线管感应加热器 App
• 开始创建您自己的仿真 App，参考 App 开发器简介视频系列
• 阅读更多关于食品加工的博客文章：
  • 借助传热模拟设计太阳能食品干燥机
  • 模拟冷冻干燥过程
  • 借助传递与固体力学耦合模型做出更美味的爆米花

普拉特桁架桥——经典实用的土木工程设计

多年来，普拉特桁架桥一直是为土木工程师所钟爱的结构设计。这种类型的结构拥有易于识别的特征：除了首尾两端，桥的两侧都架有斜梁，均朝跨度中心倾斜。这种特殊设计中的斜梁只受到张力的作用，因此可以使用较轻较便宜的材料。较短的纵梁受屈曲力的影响较小，主要承受压缩载荷。

普拉特桁架桥。图像由 Jeffrey Beall 拍摄，已获 CC BY-SA 2.0 许可，通过 Flickr Creative Commons 共享。

任何类型的土木工程结构都要承受来自汽车、风等外界物体的各种作用力，这对对普拉特桁架桥的安全性和稳定性带来严重影响。分析这些因素要求我们清楚结构所承受的载荷和桥的具体尺寸。计算 App 能够帮助我们评估上述因素，易于使用的软件界面也赋予更多人强大的仿真能力。我们来看一个例子……

设计一款桥梁结构与载荷分析 App

“桁架桥设计器”App 以普拉特桁架桥教学模型为基础。内嵌模型和底层理论都隐藏在简洁的界面背后，用户能够轻松进行导航和使用。作为 App 的设计者，由你来决定如何组织 App 的布局和设计，添加哪些必要的参数。

桁架桥设计器 App 的用户界面（UI）。

上图所示的演示 App 包括两个主要分区：输入 区和结果 区。在输入区内，用户可以修改桥梁的尺寸、支撑梁的横截面数据以及路面的厚度和阻力系数。风载荷 子栏可用于指定是否施加风载荷，并设定风向和强度。在卡车载荷 子栏中，用户可以指定稳态分析中卡车的位置和重量。添加的卡车数量须符合以下标准：

• 允许将卡车位置设为一根车轴在桥内，但不能整辆卡车都在桥外
• 卡车的车轮不能在 y 方向的桥外
• 添加多个卡车时，卡车之间必须不能互相重叠

如果卡车的位置不符合以上标准，软件将弹出警告信息，同时计算稳态 按钮将被禁用。通知有助于指导用户进行仿真测试，保证结果的一致性。

看完了输入 区，我们下面来看结果 区。这里有一组选项卡，每个选项卡包含多个绘图。比如，预处理数据 选项卡包括四个可选择的绘图。桥的尺寸修改后，几何 绘图将自动更新。只要点击更新预处理 按钮，即可手动更新卡车载荷、风载荷 和梁方向 绘图，实时反馈输入数据的变化。

稳态结果 选项卡也包含四个可选择的绘图：移位、梁的受力和力矩、梁的应力 和路面应力。用户可以选定力或力矩的分量，然后将其绘制到力与力矩绘图中，或者将结果绘制在所有梁或一组梁上。

最后一个选项卡是特征频率结果。这一部分展示了通过上方的选择器指定的振型的归一化位移。

如果用户想要将自己的仿真结果分享给别人，该如何做呢？生成报告 按钮让这一操作变得很简单。点击此按钮，系统将生成报告，不仅包含 App 仿真结果，带有定制主题，还可以突出更多细节。

计算 App 成为研究土木工程结构的可靠工具

每个设计团队都会经历了一系列独特的挑战。借助“App 开发器”，你可以为自己的设计打造一款定制工具，同时使团队的其他成员或者组织的其他部门能够自行运行测试。我们今天展示的普拉特桁架桥案例充分表明，仿真 App 是分析土木工程结构的实用可靠平台，定制分析特定的结构设计和载荷条件将为工程师带来极大的便利。

迫不及待了吗？利用下列资源，开始构建自己的 App 吧。

App 开发的学习资源

• 下载文中提到的 App：桁架桥设计器
• 观看视频 ，快速了解如何将 COMSOL Multiphysics 模型转为 App
• 阅读“COMSOL 博客”，获取更多有关仿真 App 开发的灵感和指导

振动是如何影响结构的

首先，让我们来看一个振动影响结构的著名案例。伦敦千禧人行天桥（The London Millennium Footbridge）是跨越在伦敦泰晤士河上允许行人通过的悬索钢桥，但是在当地，这种结构通常被称为“摇晃桥”。

伦敦千禧人行天桥。图片由 Rup11 自行拍摄。已获 CC BY-SA 3.0 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。

人行天桥在 2000 年 6 月仅开通几天就被关闭了，因为行人的脚步产生的共振导致桥体向两边摇摆。行人会无意识地与旁人保持整齐的步伐，由此产生的共振使天桥结构的情况更糟。这座桥关闭近两年，通过设计改善了桥梁来抵御这种共振。解决方案就是：在结构设计中安装阻尼器。

粘弹性结构阻尼器：强大的结构保护机制

阻尼器是结构设计中的重要元素，它可以帮助避免由地震波或风引起的振动而导致的损害。通过这样做，这些装置可以作为延长各种结构寿命的强大资源。

我们以楼房这样的高层建筑为例。在这种情况下，由多层粘弹性材料组成的阻尼器经常作为防振动的保护手段而引入设计。粘弹性材料（如下图中红色部分所示）可以从装置中吸收振动，并将机械能转化为热能进行消散。这就意味着由地震波或者风引起的低频振动将不会产生明显影响，也就大为减少了结构破坏的可能性。

粘弹性结构阻尼器的示意图。

以开发满足耐低频振动这一安全需求的基础设施和建筑为目标，粘弹性结构阻尼器是设计师致胜的法宝。在这些装置被纳入结构设计前，需要对其有效性进行验证。通过 App 开发器，可将这一验证需求变成一道简化的流程。我们的粘弹性阻力器分析 App 成为了设计过程中强有力的工具。

通过计算 App 对粘弹性结构阻尼器进行有效分析

仿真 App 的功能都可以自定义。当您自己创建一个 App 时，可以自定义设计与布局，以满足具体的分析需求。最后，只需要少量的仿真知识，您就可以通过这样一个易用的工具来设置和求解自己的仿真研究。

粘弹性结构阻尼器分析 App 是为那些想要对某一特定结构阻尼类型进行瞬态和频率响应模拟的人而设计的，以此来分析不同的粘弹性材料和载荷。为了判断阻尼器对能量消除的有效性，这个仿真 App 对磁滞回线、损耗和储存模量、位移等重要参数给出了计算结果。

粘弹性结构阻尼器分析 App 的用户界面。

上图显示的仿真 App 的用户界面（UI），可以分解为一系列的组成部分，使用户能够轻松地通过工具浏览查找他们需要的信息。功能区 部分设有六个按钮。通过这些不同的按钮，用户能够轻松地在频域和瞬态研究间切换。更进一步，仿真 App 还具有将输入栏重置为默认设置、创建动画、访问与 App 相关的文档、生成含有模型信息和仿真结果的报告等功能。

在用户输入部分，您可以找到大量可以修改的参数。例如，用户可以指定想要在阻尼器仿真中使用的粘弹性材料模型，也可以通过选项来比较两种不同材料模型的结果。他们还可以进一步定义孔内的力的大小及相位角。除了对阻尼器几何结构和各自的材料进行图示，这一部分还包括附加的输入选项，以用于不同的研究类型。对于瞬态研究，用户可以调整载荷的频率和想要分析的周期数。同样，对于频域分析，他们可以选择频率范围。

位于App 界面的最右边的结果 部分由两个选项卡组成，分别显示了瞬态和频域分析的结果。这些选项卡中的内容会因只添加单一模型或添加两种不同材料模型（用于比较）而不同。

虽然简化了布局，仿真 App 中仍然包含 COMSOL Multiphysics 中所有的可视化特征，这使得仿真结果以清晰直观的方式显示，并很容易与他人进行分享。

使用仿真 App 改进产品设计工作流

仿真专业知识已不再是进行仿真研究的必要条件了。通过仿真 App，现在可以使仿真能力拥有更广泛的受众。作为 App 的创建者，您可以在设计中完全控制 App的特征和功能，使它满足您必要的需求，从而优化您的整个设计工作流。

开始体验设计和部署计算 App，可以使用以下资源作为起点。

App 创建过程中的有用资源

• 下载本文的示例：粘弹性结构阻尼器分析 App
• 查看我们的 App 开发器使用方法介绍系列视频，有利于指导您将 COMSOL 模型转化为 App
• 在 COMSOL 博客中寻找进一步的设计和使用仿真 App 的灵感