本发明涉及模拟仿真
技术领域：
，尤其涉及到一种模拟固态发酵过程中温度场分布的方法。
背景技术：
：固态发酵(Solid-statefermentation,SSF)是我国酿造业的主要发酵方式之一，例如香醋、白酒以及酱油等都是采取该种方式进行酿造的，是我国劳动人民智慧的结晶。温度是SSF过程中最重要的参数之一，也是整个发酵步骤中保证酿造质量的关键。以醋SSF为例，醋酸菌等主要微生物的繁殖、生长和代谢均是在各种各样酶的催化作用下进行的，而温度是影响酶活性的主要因素之一，一般来说温度越高，酶催化反应速度越快；但许多酶在反应过程中，温度越高，越容易使其失去活性，即微生物易衰老甚至死亡，使发酵产物的积累周期缩短，对发酵非常不利。若想合理地控制温度，只有准确掌握发酵池内温度的分布才是其关键。近年来，随着计算机和传感器技术的不断发展，发酵池内发酵基质温度场的三维模拟成为快速预测发酵温度场分布的重要技术参考。为了将温度保持在适宜范围内，需要对发酵基质内的温度场进行快速模拟。目前发酵过程对温度的检测一般为温度计离线检测或者使用温度传感器进行在线检测，由于发酵池内温度场分布是一个连续变化的过程，直接监控会消耗大量的人力物力，且在线监控的设备不适宜长期放置在发酵车间内，因此发酵基质内温度场的模拟，预测其变化及其分布情况成为SSF行业的研究热点之一。本发明提出使用MATLAB中偏微分方程的PDE工具箱和有限元法(Finiteelementmethod,FEM)模拟SSF过程中温度场分布，它比编程类相关方法灵活简捷，且求解精度更高，可以很好地解决热传导等问题，模拟温度场的分布。技术实现要素：本发明的目的在于克服现有SSF过程中温度场模拟方法的不足，提出一种利用MATLAB(MathWorks公司，美国)中偏微分方程PDE工具箱结合FEM求解偏微分方程，快速模拟SSF过程中温度场分布的方法。这个强大又灵活的实用环境，可以快速、简捷地模拟SSF过程中温度场的变化情况。通过温度场的模拟可实时监测整个发酵过程中温度的变化情况。所述方法包括以下步骤：[1]确定发酵基质温度场分布的平面，所述温度场平面主要包括轴向平面和径向平面。在所述的温度场分布平面中布置在线温度传感器，至少在轴向上从上部至下部布置温度传感器，径向上从左至右布置温度传感器。[2]画出所求温度场的几何区域。所述的偏微分控制方程的几何区域是利用GUI界面创建计算的几何区域，确定计算的范围，也可利用Wgeom写出几何区域的说明文件，此命令产生一个名为mn.m的几何区域文件，可以用来说明复杂的几何区域。[3]使用FEM对PDE方程进行数值计算，也就是剖分三角网格，离散方程和求方程的数值解；[4]在MATLAB的PDE工具箱的界面上设定相关参数、边界条件以及初始条件。所述的PDE工具箱是包括一个独立图像用户界面(GUI)的软件，用于解决关于偏微分控制方程的问题，在GUI界面可以画偏微分控制方程的几何区域、设定方程的类型以及方程的参数、设定边界条件的类型及参数、对几何区域进行网格剖分、求解方程、作图。所述的相关参数主要有几何模型的尺寸信息以及物性参数，即发酵基质的比热C、导热系数k、密度ρ以及发酵热Q，其中发酵基质的C、k和Q构成热量分析参数。所述的模型的边界条件利用MATLAB中的PDE工具箱中的命令函数进行定义，即利用Wbound写边界条件的说明文件，完成边界条件的设定。此命令会产生一个名为mn.m的边界条件说明文件，在计算时输入说明边界条件的M文件。所述的初始条件：对于发酵过程中的瞬态温度场问题，初始条件给出发酵基质的温度在初始时刻的分布情况，说明了热传导过程在时间上的特点，其一般表达式为：θ|t＝t0＝θ(x，y，z，)(1)[5]设定所求偏微分控制方程的类型；所述的PDE工具箱解决的偏微分控制方程基本类型之一-非线性椭圆方程，其基本形式为：-▿·(c▿u)+αu=f,inΩ---(2)]]>其中Ω为平面区域，方程中系数c,a,f及未知函数u都为定义在Ω上的复函数。[6]将SSF过程中的热量分析参数带入导热方程，计算发酵基质的热量；采用FEM的偏微分控制方程，建立用于模拟发酵基质内二维、三维非稳态模型的温度场。所述的发酵过程中温度场导热方程和偏微分控制方程如下：(1)为了导出发酵醋醅中温度分布的偏微分控制方程，我们从中任取一个微元六面体dxdydz为点热源，根据傅里叶热传导定律计算推导，可求得在δt时间内导入微元体内的热量dQλ如下：dQλ=dQx+dQy+dQz=[∂∂x(kr∂θ∂x)+∂∂y(hy∂θ∂y)+∂∂z(kz∂θ∂z)]dxdydzδt---(3)]]>其中，dQx、dQy和dQz分别为x、y和z方向上的微元体热量，k为导热系数。(2)一定时间内微元体内热源产生的热量计算首先我们假定微元体内部有热源，其强度为q-B，则在δt时间内热源提供的热量应为：dQsh＝q-Bdxdyδlz(4)(3)一定时间内微元体内若要温升所需的热量计算假设在δt时间内微元体的温度有θ变为那么微元体所积蓄的热量应为：dQT=C∂θ∂tdxdydzδt---(5)]]>其中，C是发酵基质的比热。则依据上面的叙述导出偏微分控制方程，根据能量守恒定律有：dQλ+dQs＝hd(6)将关系式(3)、(4)、(5)带入式(6)中且两边同除以dxdydzδt得到任意时刻发酵池中内部处处都应满足的偏微分控制方程：∂∂x(kr∂θ∂x)+∂∂y(ky∂θθy)+∂∂z(kz∂θ∂z)+q-B=C∂θ∂t---(7)]]>本发明提供发酵基质温度场模拟的方法中，获取模型的边界条件，设定的初始条件导入偏微分控制方程(7)中，将式(7)代入MATLAB中的PDEToolbox中，采用FEM计算偏微分模型，进行SSF过程中的温度场模拟计算，可视化发酵过程中温度场的变化情况。本发明的有益效果：本发明提出一种使用MATLAB中的PDE工具箱模拟固态发酵过程中发酵基质温度场方法，该方法不仅简单、方便和灵活，而且能够快速、准确地预测发酵基质中温度场的变化情况以及分布情况，为提高发酵品质提供科学手段。附图说明图1为本发明实施例提供的一种发酵池内温度场模拟方法的流程示意图；图2位本发明实施例提供的温度场模拟区域的网格示意图；图3为本发明实施例提供的发酵基质发酵热量计算时选取的微元体的热传导示意图；图4为本发明实施例中发酵池中发酵基质温度场分布的示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。本发明实施例提供了一种镇江香醋固态发酵过程中发酵基质温度场模拟方法，如图1所示，该方法包括以下流程：[1]选择发酵池内温度场分布的平面，在所述的温度场分布平面中布置在线温度传感器，至少在轴向上从上部至下部布置温度传感器，径向上从左至右布置温度传感器；所述传感器一方面检测醋醅中的温度，把检测的结果输入模型计算温度场，另一方面为了验证温度场模拟结果的准确性。[2]打开MATLABPDE工具箱的GUI界面，画出几何区域，如图2所示。在菜单Options下选择Grid命令，显示出可令用户清楚描绘图形大小的网格，画出香醋发酵基质的几何区域，在GUI中对几何区域进行选择。此例区域Ω为矩形区域，二维的几何区域为C1(如图2(a)所示，坐标轴表示在发酵池中的位置)，三维图形用菜单或快捷工具画出矩形分布完成几何区域C1、C2和C3，然后在Setformula栏直接键入“C1-C2-C3”(如图2(b)所示，坐标轴表示在发酵池中的位置)。[3]利用MATLAB中的偏微分工具箱PDE进行FEM分析，利用initmesh和refinemesh函数创建初始三角形网格以及细化网格，图2即为网格划分示意图。[4]在MATLABPDE工具箱内设置镇江香醋发酵基质的相关参数主要有：醋醅的比热容C＝1.56KJ/(kg·K)，发酵池为陶瓷材料其比热为0.85KJ/kg℃，密度ρ＝364.2kg/m3，醋醅导热系数k＝0.54W/(mK)，空气的导热系数Kb为0.024，空气的对流换热系数h＝5W/(m2·K)。还有发酵池壁的导热系数为1.5W/(mK)，Q＝1562KJ/Kg。选择边界条件和设定初始条件，具体操作如下：单击Boundary菜单中SpecifyBoundaryConditions选项或直接单击工具栏中的Ω对边界进行定义。本实施例的边界条件为Dirichlet边界条件，打开BoundaryConditions对话框，在Conditionstype栏中选择Dirichlet边界设置窗口。图3为选取的点热源微元体的热传导示意图；对上述固态发酵过程中选取点热源的温度场求解分别进行几何模型设定、初始条件和边界条件带入、网格划分、方程设定及求解方程。本实施例初始条件做以下假设：①发酵介质均匀；②忽略辐射换热；③初始时刻醋醅温度分布均匀，均为20℃；④导热系数，比热等参数随温度的变化处于恒定；⑤水分蒸发对传热的影响忽略不计；依据上述推导的控制方程(7)可计算镇江香醋固态发酵基质中温度场的变化；边界条件利用MATLAB中的Assema函数对发酵基质温度场的几何区域的边界条件进行组装。假设矩形区域长为l1，宽为l2，每隔间距h放置一个传感器其边界条件为：其中x,y为空间坐标，h为边界函数，Ф0为第一类边界，Ф1第二类边界。首先选择Heattransfer传导模型，然后根据该模型的命令函数pdesetbd进行边界条件的设定，区域Ω为矩形有界区域，图形中四个矩形的边界都为Dirichlet边界条件(hu＝r)，其中的系数h和r都是θΩ上的函数，对于该例的非线性的椭圆型方程来说，其中的系数可以依赖于u。[5]定义偏微分方程的类型和参数。选择菜单PDE中的Mode命令，进入偏微分方程模式，然后再单击PDESpecification选项，本实施例选择偏微分方程基本类型-非线性椭圆方程，所以在左侧typeofPDE栏中选择Elliptic，右侧的参数栏中c＝1.56,a＝0,f＝0。单击ok按钮。[6]选择Heattransfer函数，在求解偏微分控制方程时，设置Usenonlinearsolver的过程中，选择Solve菜单中的Parameters的Usenonlinearsolver选项，将其中的Nonlineartolerance选项设置为1E-4。在PDESpecification选项中输入参数k、Q、C和Text(Externaltemperature)相应的值，点击ok，计算发酵基质内的发热量。其中k＝0.54,q＝Q/△t，Δt为温升ΔT的时间(s)，Q为发酵热量(kJ/Kg)。对解的参数设置，time取为0:10、Relativetolerance(相对容差)取为0.01、Absolutetolerance(绝对容差)取为0.001，图4为Time＝10时解的彩色等值线图形。发酵基质温度场可看做二维导热过程，可看做不同的截面。图4是得到的醋醅发酵过程中的二维(如(a)所示，坐标轴表示在发酵池中的位置)、三维(如(b)所示，坐标轴表示在发酵池中的位置)温度分布示意图。上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本
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的普通人员在本发明的实质范围内所做出的变化、添加或替换等也应属于本发明的保护范围。当前第1页1 2 3