如何用模擬做出更美味的爆米花？

在 COMSOL 工作期間，傳熱所能涉及的領域廣度一直是我的興趣所在。研究人員常常使用 COMSOL Multiphysics 進行食品製造中的傳熱研究，遠非局限於鋼錠和 CPU 風扇方面的研究。對爆米花生產過程中熱力學效應的研究便是一個很好的例子，這個案例曾在 COMSOL 用戶年會 2013 波士頓站上做過演示。

食品加工過程中的物理場

康奈爾大學的研究員 Tushar Gulati 和小組負責人 Ashim Datta 教授專門研究物理方法的應用（例如使用 COMSOL Multiphysics 的模擬功能），來解決食品科學領域的各種問題。正確的食物烹飪方法——如果希望總能製作出高品質的食品—要求了解正確的熱含量和水含量，並能適當地加以控制。

當我們在廚房裡試著提高烹飪質量時，通常會不斷地試錯來進行摸索—煮的時間稍長一點，火的溫度調低一些，然後品嘗一下，看看是否比上一次的味道更好。然而，這種方式對工業化食品加工來說卻並非是有效途徑。我們希望建立正確的烹飪條件以加工出一貫的高品質食品，但為此而設置大量的產品批次可能會花費高額成本或非常耗時。

因此，工業化食品加工設計依賴於工程原理，包括模擬在內的計算機輔助工程。食品的計算建模有助於更好地理解用於控制烹飪的物理和化學過程，並允許以低成本快速測試不同的條件。工程師可以根據模型結果來預測爆米花加工過程中質量控制的最佳條件。

爆米花加工問題

Gulati 和 Datta 考慮了爆米花預加工過程中所涉及的現象，對潮濕的蒸穀米快速加熱時會導致水分蒸發。米粒的多孔結構中充滿水蒸汽，使得米粒在蒸汽泄露之前加壓並開始膨脹，從而產生我們熟悉的「膨化」效果。

正如康奈爾大學團隊在他們的海報中闡述的那樣，每粒米的增長範圍（「體積膨脹」）是爆米花產品的一個主要質量指標。因此，他們試圖根據烹飪條件和米粒本身的屬性來預測體積膨脹。

將熱和質量傳遞與固體力學耦合以分析大米膨化

要在一個模型中考慮所有的物理效應，COMSOL Multiphysics 的多物理場功能已被證明是最理想的選擇。單個用戶界面可用於耦合米粒膨化過程中涉及的所有物理效應，即便它們來自傳統意義上獨立的物理領域。預測模型必須包含許多不同的效應：米粒中通過傳導和對流進行的熱傳遞；米粒孔隙內的水分蒸發及水分和水蒸汽的輸運；以及由作用在固體結構上的壓力導致的米粒永久（塑性）形變。

通過考慮上述所有效應，可以對大米膨化過程進行高保真度建模，而實際模擬過程中所進行的近似也會更少。結果表明，越輕、越多孔的米粒使得蒸發越快，而這又反過來增加米粒的內部壓力，造成更大的膨脹體積，從而生產出品質更高的爆米花。

Gulati 和 Datta 如何得知他們的模型是否真能起到作用呢？正如他們在摘要中闡述的那樣，他們使用高速攝影確認過，模型正確地預測了米粒的形變和體積膨脹。爆米花的含水量測量結果同樣與模型相吻合。此次驗證過程是通過測試條件下的試驗來進行的，結果表明，對於爆米花加工問題中的物理場而言，物理模型是非常適用且準確的預測工具。

下載海報

• 下載」Modeling Flow and Deformation During Hot Air Puffing of Single Rice Kernels「以查看海報詳細信息，了解更多實施情況和結果。

經授權轉載自 http://cn.comsol.com/blogs/，原作者 Edmund Dickinson。
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