在这篇博客中，我们将探讨失败的产品和多物理场仿真的使用如何激发食品行业内创新器具、产品和工艺流程的开发。

从失败中孕育成功的食品

停产或失败的产品不一定是坏事，因为从它们的衰落中可以学到很多东西，它们还可以激发出生产畅销产品的灵感。美国早餐麦片品牌 Wheaties^® 公司的起源就是这样一个例子。在 20 世纪 20 年代初，Washburn Crosby^® 公司(即今天的通用磨坊公司)的一名员工正在准备一种麦麸混合物时候，不小心将一部分半液体混合物掉到了热炉子上，很快混合物就变脆片状了(参考文献1)。从此，我们今天所熟知的麦片诞生了，但故事并没有就此结束。这种片状谷物并非一夜成名，自 1924 年首次亮相以来，多年来它一直是一个失败的产品。当在美国各地的广播电台播放有关麦片的广告词后，它最终成为了家喻户晓的名字。麦片的名气的进一步扩大要归功于它与体育界的密切联系。(超过 850 名运动员曾在 Wheatiesbox^® 的封面上出现过)。

食品工业中另一个类似的从失败到成功的故事是微波炉发明背后的故事。和麦片一样，微波炉也是一个偶然的发现。物理学家兼发明家 Percy Spencer 在实验室测试磁控管时，注意到他口袋里的花生糖开始融化。为了进一步研究磁控管的烹饪能力，Spencer 将爆米花粒和鸡蛋暴露在里面。他发现爆米花爆裂了，鸡蛋爆炸了。Spencer 从这些观察结果中得出结论：磁控管产生的低密度微波能量不仅加热了食物，而且加热速度很快。1945 年，Spencer 和他的雇主 Raytheon 公司根据这一发现，为一项发明申请了专利，他们称之为“Radarange^®”。

一艘轮船上的Radarange。图片来源：Acroterion — 自己的作品。根据CC BY-SA 3.0 授权，通过 Wikimedia Commons 共享。

Radarange 的早期版本由于其尺寸、价格和重量而未能成功量产（它比冰箱还大，以今天的货币计算价值超过 50，000 美元，重量可能超过 750 磅！）。随着对其设计的重大修改，它变得更加适合家庭使用，这项发明的销售额急剧上升，后来被称为微波炉。今天，超过 90% 的美国家庭都拥有一台微波炉，其中包含基于 Percy Spencer 发现的技术。

这些故事告诉我们，从失败中学习，从失败中建立并保持灵感是很重要的。仿真实现这一点的一种方法，它可以轻松优化旧的设计和测试新设计。接下来，我们来看看在食品工业中使用仿真可以实现什么。

食品工业中的仿真

工程师和研究人员使用仿真能够获得有关他们正在研究的产品、过程或设备性能的宝贵见解。通过仿真，用户可以测试那些具有挑战性甚至不可能进行的物理测试的参数。他们还可以使用仿真来提出新设计、优化设备并加速原型制作过程。可以研究产品质量对不同参数的敏感性，以实现产品的可重复性。对于在食品行业工作的工程师来说，通过仿真深入了解产品、过程或设备尤为重要，因为食品生产需要密切关注细节。食品特性的微小变化都能被消费者的嗅觉和味觉检测出来。

借助 COMSOL Multiphysics 软件，工程师可以在一个直观的软件环境中分析影响食品的各种物理现象（包括传热、流体流动、化学反应、固体力学和电磁学）。这种多功能性使 COMSOL Multiphysics^® 成为一个可以使食品生产链的所有阶段受益的平台，包括生产、加工、分销、零售和餐厅。在下一节中，我们将探讨五个具体的示例，来重点说明在食品行业中使用仿真的好处。

教程模型示例

COMSOL Multiphysics 及其附加模块包含对食品和饮料行业中常用的各种流程、工业设备和家用电器进行建模的功能。让我们回顾这些众多示例中的几个…..

过程

冷冻干燥

冷冻干燥是一种干燥热敏性材料的工艺，被广泛应用于各个行业，从用于保存抗生素和疫苗的制药行业到用于修复浸水书籍、艺术品、照片等的文件修复行业等。然而，这个过程因它在食品工业中的使用而最广为人知，因为它能够保存食品长达 30 年。当一种物质，如食物，被冷冻干燥时，它首先被冷冻，然后通过升华 的过程直接变成气态。在之前的博客文章中，我们讨论了如何使用相图来显示固体，以及如何跳过液相直接进入气态阶段。

冻干咖啡的特写图。图片来源：Pleple2000 — 自己的作品。根据CC BY-SA 3.0授权，通过Wikimedia Commons 共享。

为了深入了解冷冻干燥工艺，可以使用传热仿真对其进行建模和分析。例如，使用 COMSOL Multiphysics 和它附加的传热模块中的特性和功能，可以模拟冰在真空室条件下通过小瓶的多孔介质升华，这是许多冷冻干燥设置的常见测试用例。你可以查看冷冻干燥教程模型，获取执行此操作的分步说明。

冷冻干燥模型的图像。

啤酒酿造中的发酵

食品和饮料行业使用的另一种工艺是发酵工艺，通常用于生产啤酒。在啤酒酿造过程中，发酵用于将麦芽汁中的糖转化为乙醇和二氧化碳气体，从而使啤酒具有酒精含量和碳化作用。当冷却的麦芽汁（<20°C）和酵母被添加到发酵容器中时，这个过程就开始了，发酵容器通常是处于厌氧条件下的封闭罐。这个操作会导致麦芽汁发酵。发酵完成后，我们就得到了啤酒这一产品。（提示：在我们的博客文章“通过模拟啤酒酿造中的发酵建提升啤酒的品质”中了解有关发酵工艺的更多信息。

一组发酵容器。图片来源：Antoine Taveneaux – 自己的作品。根据CC BY-SA 3.0授权，通过Wikimedia Commons共享。

发酵过程的结果可能是不可预测的，因为它依赖许多不同的因素，包括初始糖含量、酵母类型和选择的过程温度。通过啤酒酿造发酵教程模型，你可以进一步分析此过程，并通过化学建模更好地预测其结果。该教程分两步对发酵过程进行建模。第一步，使用反应工程 接口在完美混合的罐中对发酵过程进行建模。第二步，模型被扩展为一个考虑了传质、传热和自然对流的球形罐几何结构。这两种模型都可以评估可能影响发酵过程中产生的最终酒精含量的各种参数。点击此处，查看此教程的 MPH 文件和 PDF 说明。

啤酒发酵反应器中平均浓度的局部偏差。该模型可以了解产品对发酵反应器中局部温度和流量的敏感性。

工业设备

搅拌器

在食品工业中，工业搅拌器用于将两种或多种独立的成分结合起来生产各种食品和饮料，包括但不限于：

• 糖果
• 口香糖
• 咖啡
• 敷料
• 果汁
• 酱汁
• 汤
• 糖浆

这些机器在确定食品的特性方面发挥着关键作用，例如味道和质地。如前所述，消费者可以很容易地检测到它们的变化。因此，搅拌器在不同批次之间高效、一致地运行非常重要。(在大多数情况下，它们不仅是搅拌器，也是反应器。)仿真可以设计搅拌器，他们可以及时生产出高质量、均匀且安全消费的产品。

工业搅拌器。图片来源：Erikoinentunnus — 自己的作品。根据CC BY-SA 3.0授权，通过Wikimedia Commons共享。

模块化搅拌器模型教程提供了有关如何对三种混合过程场景进行建模的详细说明：

1. 带有 Rushton 涡轮的平底搅拌器中的层流混合问题
2. 使用 k-epsilon （k-ε） 湍流模型的带斜叶片叶轮的平底搅拌器中的湍流混合问题
3. 使用 k-omega（k-ω）湍流模型的带斜叶片叶轮的平底混合器中的湍流混合问题

使用这个教程模型，可以轻松修改搅拌器的几何形状，以更好地满足其特定的搅拌器应用和建模需求。可以访问 COMSOL 案例下载页面，深入了解此模型，并下载相关的 MPH 文件。

带有 Rushton 涡轮机的档板平底搅拌器（左）和带四个斜叶片叶轮的挡板平底搅拌器（右）的模型几何形状。

意大利面挤出机

意大利面挤出机经常出现在工业化的意大利面工厂中，它们可以提供一种高效、简单和快速的方式，来生产不同形状和大小的意大利面。这些机器能够通过它们的许多组件将粗面粉（一种面粉）和水的混合物塑造成不同形状的生意大利面（如意大利细面条）。挤出螺杆是一个特别重要的组件，它在运动时将粗面粉和水转化为面团，并将其推入机器的挤出钟罩，该罩由带有许多毫米大小的孔的筛网组成。面团通过两个不同的出口，以意大利面的形式离开机器。下面最右边的图片为这种意大利面挤出机的模型。

左图：不同形状和大小的干意大利面。摄影：Karolina Kołodziejczak，图片来源 Unsplash。右图：面食挤出机的流场和几何形状，包括挤出螺杆、钟罩、毫米大小的孔和两个出口。

尽管意大利面挤出机的历史很悠久，但这些机器的效率并不完美。挤出机设计可能出现的问题包括：

• 面粉和水混合不完全
• 压力分布和挤出速度不均匀
• 面团循环不良

使用意大利面挤出教程模型，可以预测挤出机内部的条件如何导致不同面团配方出现此类问题。点击此处，详细了解此模型以及如何设置它。

家电

微波炉

在 Percy Spencer 发现微波炉多年后，其设计仍在研究和改进中。其中一个原因是，使这种普通家用电器在几分钟内煮出一顿饭的技术并非没有缺陷。许多微波炉用户普遍感到烦恼的是，该设备不能一致均匀地加热食物。当微波炉对食物的加热不均匀时，消费者就只能吃下部分冷冻、部分煮熟的早餐、午餐、晚餐或小吃。某些食物在微波炉中煮得不均匀，因为它的成分含水量不同;食物的含水量越多，加热的速度就越快。饭菜不能均匀的加热的另一个原因是由于设备在使用时会出现复杂的振荡模式。

通过 RF 建模，可以更好地了解工作中的微波炉的物理场。例如，微波炉教程模型可用于模拟微波炉烹饪马铃薯时的加热过程。在这个示例中，微波炉被模拟为一个连接到 2.45 GHz 微波源的铜盒。模型中的矩形波导将微波引向微波炉的中心。点击此处，深入探索该教程模型。

微波炉型号。

延伸阅读

想了解更多关于仿真在食品行业的应用吗？浏览以下案例，了解如何使用 COMSOL Multiphysics 研究膨化零食生产、开发屡获殊荣的大比目油炸鱼卷配方和模拟世界著名的糖果棒生产过程中所涉及的相互作用的物理现象。

• 设计完美的膨化零食
• COMSOL 助力主厨赢得国际竞比赛
• 雀巢里的甜蜜仿真

参考文献

1. “Wheaties^®,” Wikipedia, Wikimedia Foundation, 8 September 2022; https://en.wikipedia.org/wiki/Wheaties

Wheaties 是 General Mills IP Holdings II, LLC 的注册商标。

什么是离心泵？

在旋转参照系中，离心力 是一种作用在围绕旋转轴运动的物体上的惯性力，它使物体远离自身的旋转轴。想象一下游乐园中不停旋转的游乐设施，它们在加速时能把你甩到墙壁上。（向心力 指物体在做圆周运动时，指向圆心的力使物体向内加速运动。）

如果 Faith Hill 把歌词中的离心运动（右）改成向心运动（左），这首歌会更加合理。

离心泵利用离心运动将旋转能转化为流体动力能来输送流体。离心泵在许多行业和应用领域中都很常见，例如真空吸尘器和水泵、污水泵和气体泵。

离心泵的基本运行过程三个阶段：

1. 流体进入泵壳，并穿过叶轮叶片
2. 流体穿过叶轮进入扩压器，与此同时速度和压力不断增大
3. 扩压器减慢了流体流动速度，但压力持续增加

典型的离心泵。图片由 Bernard S. Janse 提供。已获得 CC BY-SA 3.0 许可，通过 Wikimedia Commons 分享。

在 COMSOL® 软件中模拟离心泵

使用“CFD 模块”附加的“搅拌器模块”和 COMSOL Multiphysics® 软件，你可以对离心泵进行建模并分析其运行情况。“离心泵”教学模型清晰演示了如何利用冻结转子近似来建立旋转机械仿真。

该示例使用的离心泵是由七个叶片和螺旋形蜗壳组成的半开式叶轮。叶轮的外半径为 10 cm，这是汽车产品的标准尺寸。为了分析各种不同的泵配置，该几何结构被高度参数化。

离心泵几何模型。

教学模型通过一步步指导，演示了各种实用的建模操作，这包括：

• 对旋转域和非旋转域分割几何
• 利用参数化分析计算泵特性曲线
• 拉伸网格、入口通道和出口通道
• 使用高度参数化定义几何
• 几何特征去除

专业的离心泵建模功能

COMSOL® 软件中的冻结转子 特征是分析离心泵及其他类型的涡轮机械的“利器”。冻结转子近似的基本作用是在指定位置上冻结转子运动，使用户可以研究固定位置上的转子流场。

冻结转子近似由纳维-斯托克斯和连续性方程控制，可节省计算时间和资源。常见的离心泵模型需要使用动网格，往往在模拟混合器从静止状态切换到基本混合模式的“启动”阶段上耗费大量时间。冻结转子方法假设泵的叶片相对于叶轮是冻结的，并且可向周围区域施加离心力。它还可以良好地计算泵的拟稳态条件。近似值可用作完整仿真的初始条件，借此计算出一段时间步的最终解。

专门的 CFD 功能可以帮助用户更轻松地求解复杂的离心泵模型。

在 COMSOL® 软件中，你也可以使用代数多重网格（AMG）方法来求解具有详细又复杂的大型几何结构的 CFD 模型。此方法无需使用不同级别的网格（事实上，它只需要一个网格）。这项功能可以为计算成本极高的非线性模型提供稳健的解。

查看仿真结果

运行仿真之后，你可以绘制离心泵入口和出口处的质量流量计探头。此例中，入口和出口的值相等，这表明我们没有在此质量守恒中观察到任何可能存在的数值误差。近乎完美的质量守恒表明数值误差应该很小。下表中的“跃值”表示入口处总压力的变化。

观察下图中的压力和速度大小分布，可以看到，从入口通向泵蜗壳的径向方向上，压力上升，而速度反复变化。

模型方程的解可生成泵性能曲线。这条曲线是确定离心泵设计是否适用于特定产品应用的至关重要的判断标准。泵的优化配置实现了三个主要目标：

1. 最高效率
2. 延长寿命
3. 降低运行成本

在使用此模型时，你或许想要修改泵的设计，并运行形状优化研究。欢迎在下方留言，与我们分享你的进展和结果！

后续操作

更多资源

浏览“COMSOL 博客”，阅读更多关于模拟离心泵和搅拌器的信息：

• 使用适用于大型 CFD 仿真的代数多重网格（AMG）方法
• 计算搅拌器和旋转机械中的自由液面
• 借助 COMSOL Multiphysics® 分析搅拌器的设计元素

从国会立法到污水处理厂，全面保障水资源可持续性

气候变化越来越受到大众的关注，水的保护和再利用一直是相关的热门议题。美国环保署曾发布水资源管理的最佳实践指南，各国正在通过立法保证循环用水更加安全。美国国会于 2015 年签署了“无微珠水域法案”（加拿大，新西兰和英国很快效仿），禁止生产和销售含有微珠的清洁护肤品。常出现在磨砂沐浴啫喱中的塑料微珠属于不可生物降解物质，它们会通过排水管流入污水中。

2015 年美国禁用法案生效之前，沐浴产品中常出现的微珠和其他微塑料。图片来源于美国俄勒冈州立大学。获得 CC BY-SA 2.0 许可，通过 Flickr Creative Commons 分享。

即使采取措施禁止排放有害污染物，处理厂仍然需要依靠物理、化学和生物过程来清洁污水。负责污水处理和污染物去除工艺的工程师可以使用仿真来研究和设计沉淀池。

污水处理过程是如何运作的？

污水处理涉及两个主要阶段：

1. 物理方法，例如利用沉淀池将固体与油同水分离
2. 污染物细菌降解，例如化学氧化法，这是一种先进的曝气技术

作为基本处理方法，沉淀池依赖于利用重力从水中去除悬浮固体的沉降过程。污水的物理处理通过沉淀去除固体颗粒，辅以絮凝和过滤。凝结剂可以促进絮凝，使非常小的颗粒聚集形成絮团。之后再次通过沉淀去除这些絮凝物。

二次圆形沉淀池的特写图。图片来自 Annabel。获得 CC BY-SA 3.0 许可，通过 Wikimedia Commons 分享。

在沉淀过程中，絮团在重力作用下沉入沉淀池底部。但是沉淀池设计还应该考虑许多其他发挥作用的因素。

进水井位于沉淀池正中间，其入口位于井底。入口喷出污水后，体积大而质量重的颗粒几乎立刻落在沉淀池的中心区域，这是因为它们的质量与外表面的比值很大。体积小而质量重的颗粒（这些颗粒不足以形成絮团）随主要水流移动，直到流动方向发生急剧变化。举例来说，如果沉淀池的水流主方向从向下变成向上，较重的颗粒将继续下降并集聚在沉淀池底部，然后缓慢地通过排污口排出。澄清的水则从外围出口排出。

湍流可以阻止絮凝物的形成，还会冲散在向池底沉降的过程中形成的絮凝物，导致很小的颗粒随水流通过外围出口排出。由于湍流迅速地将微小颗粒从水池中心输送到边缘，颗粒根本就来不及沉淀（或者形成絮凝物后沉降）。为了避免混入颗粒，所以常规沉淀池的外围出口非常大。半径越大，流速明显降低，湍流和湍流混合也随之减少，通过沉淀池出口的每条水流可以停留更长时间（为颗粒提供充足的沉降时间）。

二次沉淀池模型的三维视图。蓝色流线表示澄清水可能流经的路径，深黄色流线表示分散固相的路径，它由体积小、质量重的颗粒组成。水流裹挟颗粒向前运动，但水流向上急转后，较大的密度迫使质量重的颗粒从池底流向排污口。

通过使用 COMSOL Multiphysics® 软件附加的“CFD 模块”对圆形二次沉淀池进行建模，我们可以研究不同因素如何影响废水污染物的去除过程。

使用 COMSOL Multiphysics® 对二次沉淀池中的流动建模

二次沉淀池的模型几何的直径为 24 m，深度在 3.3~4 m 之间。由于模型呈轴对称，我们可以将三维几何模型简化为二维轴对称模型（见下图）。如下图所示，入口位于沉淀池中心的进水井底部。固体与水的混合物通过入口以喷射的形式进入沉淀池。池内有两个出口：底部的污泥出口和供澄清水流出的外围出口。因为流速非常缓慢，我们可以假设水面为水平平面。

二维圆形沉淀池的几何形状。

我们假设包括絮凝物在内，颗粒均为球形，大小相同，且形成了所谓的分散相。我们将 k-ε 湍流模型与两相流混合物模型结合使用，后者使用重力作为体积力。初始条件是整个沉淀池的速度、相对压力和固相体积分数均为零。

边界条件设定如下：

• 入口：
  • 速度为 1.25 m/s
  • 分散相体积分数：0.003
  • 湍流强度：5％
  • 长度尺度：0.07*r_in（其中 r_in = 0.2，表示入口的半径）
• 污泥出口处的速度为 0.05 m/s
• 外围出口的相对压力为零
• 对自由表面设置“滑移”条件
• 对壁设置“无滑移”条件
• 对称轴处采用“轴对称”边界条件

评估仿真结果

12 小时之后，沉淀池中的水流达到稳定状态。下图表明如预期所料，底部的分散相体积分数更高，但是湍流混合可以推动颗粒扩散，促使形成平滑的体积分数分布。此外，我们可以看到，距离中心越远，混合程度越低，分散相体积分数的分布也更加清晰，这是因为当混合物离入口越来越远时，流速会降低，湍流也因此减少。

在外围出口（下图右上方），颗粒和絮凝物充分沉淀，我们得到了澄清的出水（澄清水）。值得注意的是，在整个沉淀池中，分散相（颗粒和絮凝物）的最大体积分数小于 1％，这证明了混合物模型的准确性。

12 小时后的混合物速度流线和固相体积分数。

入口、外围出口和污泥出口处的分散相质量流率如下图所示。根据这些结果，我们可以计算出颗粒去除率。计算结果表明，沉淀池每秒去除 0.52 – 0.10 = 0.42 kg 的固体颗粒。因此，二次沉淀池的分离效率为 81％。

入口（蓝色）、外围出口（绿色）和中心出口（红色）处的分散相质量流率。

最后，我们将研究 12 小时后分散相的体积分数，以及分散相与连续相的流线。可以看到，当流动到达沉淀池的外壁后，分散相的流线大幅下滑，而连续相（水）则朝向周边出口大幅上升。

靠近表面有两个大片再循环区。第一个区域靠近入口射流上方的中心。第二个是由于混合物沉降到第一个区域的边缘底部，澄清水向沉淀池外围出口移动而形成的。分散相主要沿层第二个再循环区的下层路径运动，而且在第二个再循环区内与流向表面的流线分离。

旋转生成的三维速度场绘图，其中切面处的蓝色和白色线条分别表示分散相和连续相的流线。

我们还可以通过下列方式轻松修改二级沉淀池模型，从而进行更高级的分析：

• 在几何结构中增加挡板
• 改变入口和出口速度
• 增加污泥的分散相体积分数
• 改变分散颗粒的密度和大小

后续操作

您可以点击下方按钮，动手尝试二次沉淀池建模。您将跳转至“案例下载”页面，如果您拥有 COMSOL Access 帐户和有效的软件许可证，则可以下载 MPH 文件。

延伸阅读

欢迎阅读下列博客文章，了解关于模拟搅拌的更多信息：

• 借助 COMSOL Multiphysics® 分析搅拌器的设计元素
• 计算搅拌器和旋转机械中的自由液面
• 利用 App 打造更有效的水处理池