一种具有热-水-力双向耦合特性的模拟方法，用于低温高湿度条件下的解冻过程

《Food and Bioproducts Processing》：A simulation method with thermo-hydro-mechanical bidirectional coupling for low-temperature and high-humidity thawing

低温高湿解冻过程中热湿力耦合机制及双向耦合模型研究。通过建立水存储函数与区域建模策略，揭示温度梯度、湿度场及变形对解冻的协同作用，验证模型预测温度误差低于1℃，确定相变阶段耦合效应显著，证实变形促进热质传递，为精准解冻控制提供理论支撑。

　　

李尚武|李敏霞|曹晓琳|郭梦迪|党朝斌

天津大学发动机国家重点实验室，中国天津

摘要

低温高湿解冻具有显著的保鲜效果，是食品工业中精确控制解冻质量的关键技术。然而，这一过程涉及湿空气对流、冰晶熔化和变形之间的复杂多物理耦合现象，传统实验方法难以完全阐明热传递、质量传递和变形之间的相互作用。因此，本文开发了一种具有热-水-力双向耦合的模拟方法。首先，引入了水分储存函数来建立湿空气对流与冰晶熔化之间的质量传递关系；其次，采用区域建模策略来表征关键物理参数；此外，由变形引起的热传递和质量传递通量实现了热-水-力的双向耦合。结果表明，温度预测的均方根误差低于1℃，决定系数超过0.91。在解冻初期，温度和湿度梯度会导致体积膨胀，在相变阶段双向耦合效应进一步增强。高湿条件有助于更均匀的应力分布，而相变应力是体积变形的主要驱动力。最后，热-水模型与热-水-力模型的比较表明，变形在解冻过程中促进了热传递和质量传递。本研究为优化解冻过程和实现解冻质量的精确控制提供了可靠的数学框架。

章节摘录

引言

解冻是食品工业中的关键环节，其效果直接决定了冷冻食品的最终质量和商业价值（Yao等人，2025年）。目前，传统的解冻技术（如空气解冻、水解冻）和快速解冻技术（如电场解冻、微波解冻）通常存在显著的水分损失、局部过热和蛋白质变性等问题（Jiang等人，2025年；Zhang等人，2019年；Chang等人，2023年）。低温高湿解冻

方法

冷冻食品可以被视为多孔介质，如图1所示。通过湿空气对流在食品表面形成稳定的温度场和湿度场。在温度梯度的驱动下，冰晶吸收热量熔化，从而产生热应变和相变应变；在湿度梯度的驱动下，外部蒸汽扩散到食品内部，部分湿空气在冷却表面凝结成液态水，另一部分被食品吸收

物理模型

本文采用热-水-力（THM）模型分析了体积变形与热传递和质量传递之间的相互作用，并以冷冻猪肉的低温高湿解冻（LHT）为例进行研究。物理模型基于可控风洞系统构建（图5a）。为确保流场的可靠性，风道设计遵循流体力学中的边界效应理论，即当物体截面积小于风道截面积的5%时，壁面对局部流场的影响可以忽略不计

机理分析

机理分析对于阐明热传递、质量传递和体积变形之间的关联至关重要。图9展示了在指定条件（入口温度：6°C，速度：0.8 m/s，相对湿度：95%）下解冻参数的变化情况。根据平均温度的变化（图9.a），解冻过程可分为三个阶段：初级解冻阶段（阶段I，-18至-5°C），相变阶段（阶段II，-5至-1.5°C）

结论

为了系统地阐明低温高湿解冻过程中热传递、质量传递和变形之间的相互作用，本文开发了一种具有双向热-水-力（THM）耦合的模拟方法。以冷冻猪肉的低温高湿解冻为例，全面研究了这些相互作用特性。主要结论如下：

（1）开发了一种双向耦合的模拟方法。

未引用参考文献

(Zhang等人，2024年；Taherrt和Farid，2001年；Delgado和Sun，2001年；Dai等人，2022年；Chouaibi，2025年；Xu等人，2022年；Han和Yan，2025年；Koniorczyk，2015年；Pascal和Pascal，1997年；Datta，2007年；Jun和Li，2015年；Gonzalez和Moraga，2023年；Oikonomopoulou和Krokida，2012年)

CRediT作者贡献声明

李尚武：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、方法论、研究、数据分析、概念构建。曹晓琳：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、资源获取、研究。李敏霞：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、资源获取、方法论、资金申请。党朝斌：可视化、研究、数据管理。郭梦迪：可视化、监督、软件应用、资源管理、项目协调。

利益冲突声明

无。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：51876135）的资助。