陈 婷，刘昕露，任 琪

（重庆城市管理职业学院，重庆 401331）

高压脉冲电场（High Voltage Pulsed Electric Field，以下简称HPEF）作为一种非热处理技术，已被普遍应用于食品及农产品加工行业中。非热处理技术主要有超高压技术、紫外线辐照、生物防腐剂杀菌技术及高压脉冲电场技术等[1]。HPEF 具有能耗低、无污染、传递均匀、产热少、能最大限度保持食品的品质、便于推广等优势。因此，HPEF 具有广阔的应用和发展前景，并越来越受到人们的关注[2]。近几年，在“高压脉冲电场对云南普洱茶抗氧化性影响的机理研究”“高压脉冲电场对普洱茶主要化学成分的影响”“高压脉冲电场对普洱茶香气成分的影响研究”等科研项目的支持下研究并发现，普洱茶在经过HPEF 处理后，普洱茶中细菌总数急剧下降[3]、茶多酚含量大幅减少，且其趋势与自然陈化相同[4]，茶叶中总灰分含量减少、咖啡碱含量减少[5]、氨基酸含量增加及普洱茶的香气成分含量增加[6]，同时其感官效果、品质均有一定的提高。因此，为深入研究HPEF的作用机理，文章利用COMSOL Multiphysics 仿真平台对HPEF 进行多物理场耦合分析，分析其电场、温度、流速（空气流）的分布情况，并建立相应的模型，为后期探究HPEF 作用机理及处理装置设计改进提供一定的理论依据。

1 高压脉冲电场处理装置

目前，高压脉冲电场处理装置结构主要有3种形式：平板式、同轴式、同场式。文章采用平板式，如图1所示。处理箱材料为有机玻璃，电极由两块平行的不锈钢构成，可得到匀强HPEF，不锈钢板的间距d为30cm，其间为平行电场，则电场强度E=U/d（U为平行极板间电压强度）。

图1 处理装置

2 模型与材料参数设定

选择HPEF 的空气流场，电极板温度场，电场模型作为仿真多物理场。其处理装置材料参数设定为：不锈钢（k=44.5 W/m·K，ρ=7850 kg/m3，Cp=475 J/kg·K），有机玻璃（亚克力，聚甲基丙烯酸甲酯，简称PMMA，k=0.19 W/m·K，ρ=1200 kg/m3，Cp=1420 J/kg·K），物料采用空气进行模拟。

仿真时HPEF 的参数设定为：①波形，方波；②电压，30/15/3 kV；③频率，120 Hz；④脉冲个数，10；⑤温度，298.15 K。

3 仿真结果分析

3.1 平板式电场三维模型

通过COMSOL 对HPEF 处理装置进行三维模拟，建立其三维模型，中心位置为模拟的处理对象位置，如图2所示。

图2 处理装置三维模型

3.2 多物理场耦合仿真分析

根据处理装置三维模型，用COMSOL 对其进行网格划分，类型为自由三角形。电场强度求解采用瞬态求解器，温度与流速求解采用稳态耦合求解，其自由度为287 837个。

当作用时间t=0.004 s，d=30 cm 时，取不同电压强度U分析其电场强度（V/m）其结果如图3 所示。由图3 可知，脉冲电场的电场强度分布均匀，当U为3 kV 时，E=1×104V/m；当U为15 kV 时，E=0.5×105V/m；当U为30 kV 时，E=1×105V/m。通过COMSOL 仿真分析，结果表明，平行极板型的HPEF 确为均匀电场，不同脉冲电压强度下的电场强度E随着电压强度的增加而增加。这与HPEF 处理技术的“传递均匀”这一特色优势一致。

图3 电场强度分布

通过COMSOL 对脉冲电场温度场仿真，其结果表明，在整个HPEF 装置工作期间，其温度范围为293～293.15 K（K：开尔文），即20.85～21 ℃。其中HPEF 处理装置中心温度最低，为293 K，而靠近平行极板的位置温度值略微有所升高，但整个HPEF 处理装置在工作期间温度变化很小，基本恒定，接近室温。这与HPEF 处理技术作为一种“产热少、非热物理”加工处理技术理念一致，如图4、图5所示。

图4 脉冲电场处理装置温度场的仿真

图5 脉冲电场处理装置流场的仿真

通过COMSOL 对HPEF 流场进行仿真，结果表明，其处理装置中心位置空气流速最大，空气流速为22×10-6m/s，靠近平行极板及两侧的位置空气流速最低，接近0 m/s，几乎没有空气对流，这也与HPEF “能最大限度保持食品的品质”这一特点保持一致。

4 结束语

高压脉冲电场是一种新兴的、可持续的、环保的食品加工技术，被认为是21世纪食品加工技术发展领域中的新技术之一。文章仿真分析结果表明，平板型HPEF 处理装置其电场强度为一均匀电场、温度场几乎恒定不变，接近工作环境室温，基本无空气流动，这也与HPEF 的“传递均与、产热少、能最大限度保持食品的品质”等显著特点高度吻合。