案例分享 | 乳制品的CFD应用：美味的科学探索

森永乳业开发和生产乳制品和非乳制品。他们产品包括牛奶，奶酪，乳制品饮料，酸奶，冰淇淋，婴儿配方奶粉等等。它们还生产，如乳铁蛋白和长双歧杆菌。企业口号是“设计美味”。为了实现他们的承诺，森永乳业不断追求技术进步，以帮助他们提高生产质量，健康和可靠的产品。

为了提高生产效率并确保食品卫生，森永乳业进行了自己的设备和设施研发。设备研究实验室是森永乳业研究所之一，负责设备设计和开发。

开发新产品通常需要新设备。该设备是由森永乳业设计和制造的，尽管有时会与合作单位合作。在对新设备进行彻底检查之后，将其用于生产。森永乳业进行了广泛的研究，例如食品工程，制造工艺技术和生产技术。他们的研究成果包括新设备，例如制造的无菌阀，自动检查设备等等。特别是将低浓度氯水的特性活用于食品制造工序的微酸性电解水制造装置“PureStar”获得了日本食品工学会奖技术奖等，备受瞩目。

宫本哲夫（Etsuo Miyamoto）

工程学研究室高级研究科学家，工程学博士

卫生和灭菌是决定食品生产质量的关键因素。每种产品使用不同的卫生和条件等级度量。对于一种产品，可以通过将产品冷藏两周来确保卫生安全。另一种产品可能需要在室温下保存三个月。

生产过程技术还取决于产品类型。例如，粉末食品的制造需要某种干燥技术。酸奶的生产需要发酵技术。冰淇淋生产涉及冷冻技术。用于这些过程的设备的开发可能涉及计算流体力学（CFD）。森CFD工程研究实验室的高级研究科学家Tetsuo Miyamoto先生透露，与以前使用的基于经验，教科书方法相比，该公司近年来已转向CFD导向的开发研究。

将CFD应用于奶油的扩大销售，

以达到西点师傅认可的品质。

森永乳业从2008年开始使用Cradle。Miyamoto从2010年开始使用它。当他们的工程师认识到使用CFD来帮助提高产品质量，便开始使用它。在此之前，设备升级是基于积累的经验和实验结果。为了进一步提高设备性能，该公司决定开始使用CFD评估来帮助他们确定更有效的生产方法。他们的第一个应用是对鲜奶油冷却储罐的性能验证。

奶油是一种水包油（O / W）乳液，由通过离心分离从全脂牛奶中提取的乳脂组成。与糖和调味料混合后，会形成鲜奶油，用于糕点和蛋糕。对打好的奶油施加更大的应力会导致相变，将其转变为油包水（W / O）乳剂，通常称为黄油。由于这种不稳定的特性，至关重要的是最大程度地减少奶油生产中的剪切力。

这在乳脂的最终冷却过程中尤其重要，这决定了乳脂的质量。奶油的“老化”过程旨在促进脂肪小球的重结晶并稳定脂肪小球膜。由于聚结而使脂肪球的粘度增加，导致奶油质量下降。乳脂肪球倾向于聚集更多时搅拌时间越长，当较大的力被施加时，或者当在较高温度下（5〜15 º C）保存。为了生产高质量的奶油，生产设备必须保持一个均匀的冷槽，该槽会产生即时的冷却效果，并最大程度地降低奶油的剪切力。

图1：实验设备示意图（叶轮1）。

使用实验和CFD结果重新验证搅拌罐

如图1所示，搅拌槽是带冷却套的Conical底槽，搅拌用无挡板的锚定型翼进行。森永乳业生产线多年来一直使用相同的叶轮几何形状。人们认为这种几何形状可最大限度地减少奶油的应力，而且易于清洁。到目前为止，叶轮的几何形状和运行条件尚未重新验证。制作奶油的挑战是“想尽快冷却，但希望尽可能地使搅拌平稳”。为了消除奶油所承受的剪切力并保持罐内环境的均匀性，森永乳业决定重新评估叶轮的几何形状。

森永乳业工程师首先制作了现有5m 3的十分之一比例的实验模型。为了改善叶轮并确定旋转方向进行了许多测试，他们使用Cradle分析了实验模型。该计算机模型包含550万个网格。稳态分析用于计算流量，瞬态分析用于计算温度。

图2：叶轮1旋转方向的比较（图表：实验结果，直线：CFD结果，正向旋转：NR，反向旋转：RR）。

图3：r-θ 平面和rz平面的速度矢量分布（叶轮1正向旋转）

图4：rz平面的温度分布（叶轮1，θ  = 0º，t = 600s）

图5：壁表面的热通量分布和r-θ 平面的温度分布（叶轮1，z = 0.14m，t = 600s）

图6：壁表面和r-θ  平面（叶轮2和叶轮3）的剪切力分布

分析变量由三种不同类型的叶轮组成：叶轮1由上刮板组成，该上刮板在朝向壁的刮力方向上旋转。下刀片沿刮削力的方向旋转，并朝着底表面作用。叶轮2使用下叶片，且安装角度相反。叶轮3由上部和下部相位差90°叶片组成，考虑到正向和反向旋转的影响，森永乳业计算了六个模式并进行了比较。

如图2所示，叶轮1的实验和仿真结果吻合良好。森永乳业的工程师确定，通过反向旋转，上叶片上产生的流向壁的热量会放大热通量。他们还发现，流体的均匀性通过上部叶片下部周围产生的向下流动和下部叶片边缘的向上流动而得到改善。他们还了解到，通过有意在上下叶片之间产生相位差，可以最大程度地减小剪切应力和轴功率（图3-6）。森永乳业将这一理论应用到更大的操作罐中，并成功提高了罐的性能，生产效率和产品质量。

结果可视化的有用性

在完成分析后，森永乳业发现层流模拟结果与实验结果的匹配程度比预期的更要符合实际测量值。可视化结果有助于解释这种现象。例如，大型叶轮的上扬效果小于预期，流动明显波动。可视化还帮助工程师解释现象，发现问题。

寻找有效混合和灭菌的解决方案

另外还用于分析各种各样的罐。如上所述，除了不造成损伤且快速冷却外，关于节约能源且快速混合的物质，他们着眼于混合物质的特性和混合效率。            

 另外，还用于分析包装上填充食品时接触到的空气流动以及包装内部杀菌时的热风流动。由于200℃以上的高温热风，人们往往认为温度会迅速上升，但实际上由于卷入周围空气中，温度会下降。这样的事情也可以通过可视化重新理解，然后再考虑改善方法。可视化分析结果有助于森永乳业工程师提高对物理现象的理解并创新改进方法.

有效的后处理器可视化

首次引入Cradle时，森永乳业的工程师在使用3D CAD创建分析模型时比实际使用分析工具时更加费力。与3D工作时使用的2D布局相比，3D工作CAD同。森永乳业工程师迫切希望继续学习Cradle，用于新分析的其他功能。他们对所提供的技术支持感到满意。他们还对SC / Tetra中的后处理器可视化功能感到惊讶，该功能在每次版本升级时都得到了改进。“我喜欢SC / Tetra中的流线箭头和其他后处理器功能。他们在视觉上清晰且插图精美。”宫本先生说。

进行更复杂分析的挑战

森永乳业渴望使用CFD解决新挑战。他们考虑分析混合水果的酸奶和混合坚果和调味料的冰淇淋。在这些产品的制造过程中，气泡的扩散和冰晶体的生长同时发生。尽管这是一个非常复杂的现象，但森永乳业的工程师们认为CFD可以使他们数学上探索如何修改制造工艺以改善这些乳制品的口味和质量。“我们想要进行的分析将非常复杂。这些将涉及三相多相流。但是我们相信Cradle能够计算准确的结果。”宫本先生说。

森永乳业的这些CFD应用证明了他们对更高口味的分析追求。Cradle发挥了重要作用，预计将继续推动森永乳业的产品开发。