蛋糕烘焙過程中的仿真分析
在烘焙蛋糕時(shí)，成品的效果有時(shí)總是達(dá)不到預(yù)期。一部分的原因是烘焙過程中發(fā)生的傳熱和傳質(zhì)現(xiàn)象影響了最終的結(jié)果。借助CAE仿真軟件工具，您可以研究并預(yù)測烘焙蛋糕時(shí)的工作原理，并利用有限元分析結(jié)果烘焙出更加美味的蛋糕。
烘焙蛋糕藝術(shù)中的科學(xué)
烘焙的目的不僅是要對蛋糕等食物進(jìn)行加熱，還要促進(jìn)配方原料之間的生物化學(xué)反應(yīng)。干濕原料組合形成的混合物賦予了蛋糕相當(dāng)?shù)娜犴g性，即使發(fā)生膨脹，混合物仍然會粘連在一起。
在烤箱中烘焙的蛋糕面糊（左）和烘焙好的蛋糕（右）
對于蛋糕烘焙工藝而言，保證每種原料適量加入很重要，不過烘焙過程中的傳熱和傳質(zhì)現(xiàn)象也是一個(gè)關(guān)鍵性因素。這些基本機(jī)制對蛋糕的溫度、含水量以及膨脹程度產(chǎn)生了極大的影響，并進(jìn)而影響烘焙物的整體質(zhì)量和口感。為了更清楚地理解和預(yù)測蛋糕烘焙過程中的傳熱和傳質(zhì)現(xiàn)象，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)使用CAE軟件創(chuàng)建了蛋糕模型，并執(zhí)行了一系列模擬仿真研究。下面，元王CAE應(yīng)用仿真專家將帶大家一起“品味”仿真蛋糕的研究成果。
模擬蛋糕烘焙過程中傳熱和傳質(zhì)現(xiàn)象
研究人員創(chuàng)建了一個(gè)用于分析研究的二維軸對稱模型。他們假設(shè)此模型是一個(gè)可變形性的多孔模型，且包含了氣液固三相：
1、固體（面糊）
2、液體（水）
3、氣體（蒸汽和二氧化碳組合）
為了研究這個(gè)問題，他們求解了由五個(gè)偏微分方程組耦合而成的系統(tǒng)。分析涉及下列五個(gè)變量：
1、溫度
2、含水量
3、總氣壓
4、孔隙率
5、位移
為了預(yù)測面糊的膨脹（由于總氣壓的增加）狀況，研究人員使用了粘彈性模型，此模型可在CAE軟件的附加產(chǎn)品——“結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊”中獲取。
蛋糕烘焙過程中發(fā)生的物理現(xiàn)象
為了驗(yàn)證模型，研究人員進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)測試，實(shí)驗(yàn)包括在烤箱中烘焙蛋糕 18 分鐘，同時(shí)將烤箱內(nèi)膽的底殼溫度設(shè)定為 175℃，頂殼溫度設(shè)為 195℃?？鞠鋬?nèi)安裝了儀器，以監(jiān)測收集有關(guān)面糊的熱量、含水量以及邊界條件的信息。此外，他們使用了照相機(jī)來追蹤蛋糕的膨脹過程。
在仿真分析中，研究人員繪制了三個(gè)不同的時(shí)間段時(shí)蛋糕內(nèi)的溫度和含水量:
1、初始狀態(tài)
2、烘焙中途
3、最終狀態(tài)
下圖顯示了三個(gè)階段的計(jì)算結(jié)果，以及蛋糕的膨脹過程。結(jié)果表明，蒸發(fā)冷凝現(xiàn)象使蛋糕心的含水量增加；另一方面，蛋糕殼的含水量逐漸降低。正如我們在其他烘焙過程中觀察到的，這種物理現(xiàn)象會推動形成很大的含水量梯度。這些梯度造成了孔隙率、熱屬性、含水量和力學(xué)性質(zhì)的不均勻性，而加熱方式又進(jìn)一步加劇了這種不均勻性。
不同時(shí)間間隔下，蛋糕內(nèi)的溫度和含水量
研究人員隨后對比了仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，證實(shí)了二者在溫度、質(zhì)量損失和整體變形方面是一致的。需要注意一點(diǎn)：考慮到所使用的模型，此示例忽略了膨脹和壓縮的影響。不過，研究人員下一階段計(jì)劃通過測試其他力學(xué)本構(gòu)法則來改進(jìn)模型。為了提高模型的精確性，他們還計(jì)劃在模型中加入含有三種物質(zhì)（水、二氧化碳和空氣）的氣相；并考慮反應(yīng)動力學(xué)的影響；以及預(yù)測蛋糕的焦黃度。
仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示了蛋糕內(nèi)的溫度（左圖）和含水量（右圖)
左圖：關(guān)于蛋糕膨脹過程的仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。右圖：最終的網(wǎng)格剖分變形結(jié)果與實(shí)際幾何形狀的對照圖
利用仿真更好地理解蛋糕烘焙的物理機(jī)制
烘焙蛋糕不只是一門藝術(shù)，它也是一門科學(xué)。隨著人們生活水平的提高，推陳出新的蛋糕產(chǎn)品將會更受歡迎。而借助CAE仿真，您可以創(chuàng)建一個(gè)簡單而逼真的模型來描述這一復(fù)雜過程，尤其是重點(diǎn)分析烘焙過程中的傳熱和傳質(zhì)現(xiàn)象，CAE仿真的計(jì)算結(jié)果有助于更加準(zhǔn)確全面地理解完整的蛋糕烘焙過程并優(yōu)化制作?？吹竭@里，您是否想學(xué)習(xí)CAE仿真呢，元王提供全面的CAE培訓(xùn)課程哦~選擇我們，為您的無限的可能！
