基于Fluent对“罐装冷冻可乐冰箱内爆炸”的研究

哈尔滨商业大学学报(自然科学版)Journal of Harbin University of Commerce (Natural Sciences Edition)Vol. 35 No. 3Jun. 3019基于Flueni对“罐装冷冻可乐冰箱内爆炸”的研究齐婷婷，公绪金，甄 3*，赵雅倩，徐庚洋，衣可心，吴 悦（哈尔滨商业大学能源与建筑工程学院，哈尔滨190028）摘要:利用Fluent软件的凝固融化模型对可乐结冰的过程进行数值模拟研究，得到了温度场分布、 固液比例；据此再借助气体状态方程、亨利定律研究了二氧化碳性能确定了爆炸的主导因素，给出了

安全的冷冻时间；并实验予以验证.该研究的结果对罐装可乐的改进提供了意见.关键词：食“包装与储藏;低温二氧化碳析出；Fleent模拟；冷冻可乐爆炸；结冰时间；冰箱安全

中图分类号：TM925.1 文献标识码:A 文章编号：1972 -0946（2819）03 -0355 -05Study on \"internal explosion of canneS refrioerated cokr refrinerator” based on FlueniQI Ting-ting, GONG Xe-jin, ZHEN Bing* , ZHAO Ya-qian , XU Genn-yann , YI Kn-xin,WU Yen(School oO Energa and Civil Engineering , Harbin University of Commerce , Harbin 155028 , Chinn)Abstraci: By esinn the solidificetion ann meltinn model of Fleeni software , the process of

coke freezinn was simulated ann the temperaterc fielU distrinution ann solin 一 liquin ratin were ontamen. Based oo thio, tlie popebiet of cerbon dioxine were stueien by esinn tlie -at state eqedtion ann Henryks law. Expebments were condected to ebm tie resolts. Tie gj

solts of this panee provine sueaestions foe tee improvement of conned coOe , ann haye refeet

ence yeUe foe the researcO ann develonment of the weole system of careon dioxine ann watee. Key worbt: OoP

and storaae; low temperatere corbon dioxine precipitation; Fleentsimulation; frozen code explosion; ice 1:1^ ； the re0:iaeraUy safe可乐是当今年十分流行的碳酸饮料，许多消费

者习惯喝冷冻可乐，随之带来了一系列的安全问

可乐爆炸分为冰箱内部爆炸和冰箱外部爆炸.

分，题•根据《碳酸饮料卫生标准》GB2759. 8 - 2803 , 进行研究•由于冷冻可乐不仅涉及可乐的结冰，也 及 化碳

的

《食品添加剂使用卫生标准y GB2750 - 2007等国 家标准规定，只对碳酸饮料的二氧化碳含量，色素

添加剂含量进行了要求，并未对于碳酸饮料的具体 二氧化碳含量和碳酸饮料的冷冻时间及冷冻温度

， 研究添了很大困难•鉴于此，利用Fleent软件中的凝固 融彳谯型对可乐的结冰进行数值模拟，且化动态为

分段，将溶解析出单独进行研究•给出合理规定;近年来二氧化碳在制冷行业中有着 广阔的前景，而由于二氧化碳诸多的不确定性导致

1 Fleent软件的应用1.1数值模拟的基本理论将初始温度为19 °C的355 mL可乐放入-19 °C 的冰箱内冷冻降温，直至罐内可乐完全发生相其并未成为行业主流，而可乐的爆炸中也需对二氧 化碳进行研究分析，故本文通过研究可乐爆炸对制

冷行业中的二氧化碳、水系统给予参考.收稿日期:2818 -09 -9.基金项目：国家自然科学基金项目（51476049）;哈尔滨商业大学校级科研项目（□XN^S）;哈尔滨商业大学大学生创新创业训练计划项目

（281719226155）作者简介:齐婷婷（5995 -），女，研究方向:制冷系统优化、食品G冻冷藏-通信作者:甄 Q（（973 -），男，博士，副教授，研究方向:制冷系统优化、食品冷冻冷藏.• 356 -哈尔滨商业大学学报（自然科学版）第35卷⑴•空 1所示•为便于分析，将物理:① 可乐密度、固、液两相比热、导热系数与水相同，上 ，不随 改变；② 恒 •于该研究问题 及流动方程、动量方程,

则只写出能量方程即可•根据Fluent融化 【模 型⑴，能量方程组可以写作：张pH） +v（pn）二* 仏“）+s

（1）ot采用上述假设，简化如下:p 知H 二眉2T

(2)ot：H 二 h+ \\H

(5)\"L

(4)VH 二 0L,0 T < Tsolidus0 =1T > Tliquideo其中：P为密度；H为任意时刻的恰；b为显热恰；/为凝固时间;ah为相变潜热项；厶为物质的相变潜热;；为液相率;Cp为定压比热；〃为导热系数；T

任意时刻 的 •图1简化后的物理模型1.2 Fleent软件设置及数值模拟结果

L2. 1网格划分使用Fleent：2］中自带的Gambid建立如图2的 四边形单元模型•其中Spacing设为1 mm.图2网格的划分1.2.2计算参数的设置置为二维单精 ；凝固热为333.146 J/g；可乐的熔点和凝固点为-1.1 °C,即272.05 K；壁

面温度均为255.15 IK可乐初始温度为283. 15 K；设置残差值为1 xW6；时间步长为0.1 o •1.2.3 Fluent模拟结果及分析上述 的处理,

Fluent软件⑶可得

同时间点可乐

化及不同时点的 ，并以1 min为时 隔进行记录,直至完全凝固•见图3〜3.1.00e+00 9.50e-01 9.00e-01 8.50e-01 8.00e-01 7.50e-01 7.00e-01 6.50e-01 6.00e-01 5.50e-01 5.00e-01 4.50e-01 4.00e-01 3.50e-01 3.00e-012.50e-012.00e-011.50e-011.00e-015.00e-020.00e+000 0.05(m)图3初始温度10 °C,冷冻时间50 min的相图图3、5、7分别是初始温度1 C、凝固时间

50、120、200 md固相液相的比例.从图中可看 固是由外层向内层的递推

1 可知,200 min已完全 •图是 随时间的变化，由图得知 分为三个阶段，第一阶段迅速 ，第阶段呈先缓慢状态,第三阶 末期 速度加快•这 符⑷.第3期齐婷婷，等:基于Fluent对“罐装G冻可乐冰箱内爆炸”的研究-357 -• 1I 2.75e+022.74e+022.73e+022.72e+022.71e+022.70e+022.69e+022.68e+022.67e+022.66e+022.65e+022.64e+022.63e+022.62e+022.61e+02 2.60e+02L. 2.59e+022.58e+02 U 2.57e+02 I 2.56e+02 ■ 2.55e+020 0.05(m)图4初始温度10 °C,冷冻时间50 min的温度图

1.00e+00 9.50e-01 9.00e-01 8.50e-01 8.00e-01 7.50e-01 7.00e-01 6.50e-01 6.00e-01 5.50e-01 5.00e-01 4.50e-01 4.00e-01 3.50e-01 3.00e-01 2.50e-01 2.00e-01 1.50e-01 1.00e-01 5.00e-02 0.00e+00图5初始温度10 C,冷冻时间100 min的相图

r-- 2.72e+022.71e+022.70e+022.70e+022.69e+022.68e+02iQiaiiaiig盘2.67e+02.2.66e+02.loiHirpiijiTjnrhxiWiQm O' '5g:W a2.65e+02:冋2.64e+022.64e+022.63e+022.62e+022.61e+022.60e+022.59e+02 ,2.59e+02 .I I 2.58e+022.57e+02 I 2.56e+02 nim■ 2.55e+020niifflM0.05(m)图6初始温度10 C,冷冻时间100 min的温度图1 1.00e+00'9.50e-019.00e-018.50e-018.00e-017.50e-017.00e-016.50e-016.00e-015.50e-015.00e-014.50e-014.00e-013.50e-013.00e-012.50e-01 航 2.00e-01■ 1.50e-01■ 1.00e-01■ 5.00e-02■ 0.00e+00P 0.驱册)图7初始温度10 C,冷冻时间200 min的相图2.70e+022.69e+022.69e+022.68e+022.67e+022.66e+022.65e+022.65e+022.64e+022.63e+022.63e+022.62e+022.61e+022.60e+022.60e+022.59e+022.58e+02 HU 2.57e+022.57e+02 I 2.56e+02 ■ 2.55e+02图8初始温度10 C,冷冻时间220 min的温度图1.3不考虑体积变化修正后结果于可乐罐上方是

化碳气体,它的导热系数是空气的1/2倍；

密度会发生改变⑸，体积增加9 % •故将上述所得结果 I下修正：上部结冰修正系数：二________可乐罐盖面积_________二叭一可乐罐底部面积+可乐罐侧面积一nr22 亦+ 2nr2

二33.— 0573+3 _2q 7* —123. 1二 o. in? 体积膨胀修正系数:2=5.59Fleet电

得

的结果乘以(1+6)虑固液体积变化的

，吉果见表1、图9.• 355 •哈尔滨商业大学学报（自然科学版）表1不考虑固液体积变化的结冰量第35卷则b处

50可乐 化碳质量为t/min12030400. 003 55 //mL.根据 PV 二 nRT 得到表 2./mL70. 299.4121.9140.4157.4/min66708090100/mL173.2136.3220.6224.2/min1W120130140150/mL235.2245.9255.2225. 2273. 2//mn166150180190200/mL232.4220. 2293.936.2363.9图9不考虑体积变化的结冰量的折线图2可乐内部爆炸原因的分析可乐在G冻时,一方面，由于可乐

体积增加，上方气体 体积 从 压强的增大（记为v的）；另一方面，由于 能化碳，可乐 时会 化碳物质的量的（记做〃的

）•两方面因素可乐的

⑹®

上述Fluent的

可得V的变化.2.1 V的影响上部气体体积方程：V二330 * \"其中:F1忽略体积变化的结冰量;V为上部二氧化 碳体积•根据文献[7],罐装可乐

压强0 C时为117 kPa、20 C时为244 kPa；我国标准是20 C时碳 酸饮料容积比大于15；上部气体所占空间定为

a,下部液体所占体积为b.以上数据,选择容积比为2⑻的可乐进行 讨论：1 ） 20 C

化 碳 的0. 163 3 g/100 mL：9]，故 2。C 时可乐 的二氧化碳质量 0.003 376 //mL,则 mb 二 1. 114 1 / ； 再根据 PV 二加T,其中：P 二 2. 44 x 105 Pa ； V 二

0.025 L；T二293 K；人二3 314 Pa * L/moi 可得na =

0.202 555 moi ,ma 二0. 111 2 / ,可乐中共含有

化碳质量m二1.225 /2）同理,0 C时a处二氧化碳质量为0.056 6 /,表2只考虑V的变化，不同时间可乐罐内压强变化/min1020304050P//Pa141.51642137. 42132224323/min60703090100P//Pa279.3323.23.9254522555129/min110120135140150P//Pa695.19192913252422622..3.123/min160肌130190200P//Pa-63 254.9-2 251.4-133621-101320-321222.2 〃的影响2.2.1应用气体状态方程化碳 [0]是

，为了研究方便分

的三个

能 气体，

时， 化碳从

， 上方气体压大;2）随着气体的 及液

密度改 的上方气体体积

，上方气体压会增大，部分 化碳又会被压

可乐内;3）由可知， 速 快，当上方形成一:层后,有部分气体没来得及

，气体

压 可乐 1基于上述三个

，可以推 小在一定时压

生显 •与上述相同处理方法应用上述数据，综合Fluent模拟,得到表31表3只考虑〃的变化,不同时间可乐罐内压强变化/min1020304050P//Pa69.2.32224960221 074.41 173.2/min60303090100P//Pa1 273.61 361.41 443.41 519.4159123/min110120130140150P//Pa1 653.41 721.61 731.41 337.61 392.6/min160肌130190200P//Pa1945241996232 046.62094242 476.52.2.2应用亨利定律从表2、3对比可以看出，可乐结冰时候，从冰

化碳的 G冻可乐的1 化碳 ，上方压强的增大又会 :分气体被压回，表3只考虑了 ，而未考虑 的 ，故根据 [1] 压强能

化碳压回可乐 行 .Fluent 果中的 和

可知,G冻

的可乐液体 ，0〜50 md在0〜6 C

第3期齐婷婷，等:基于Fluent对“罐装冷冻可乐冰箱内爆炸”的研究-359 -之间；59 ~225 min在5 °C附近.Pe = & (9)的经济损失，可参考文献[16]对罐装可乐壁厚 或埋头深度进行改进,以增大可乐罐的耐压强度.其中：Pe为气相中溶质的平衡分压;E为亨利系 数;5为溶质在液相中的摩尔分率.(数据处理参考

4结语本文应用Fluent软件对可乐的凝固过程进行 模拟，将模拟所得到的结冰量在乘以修正系数,可

得到不同时间下的固液体积比•通过上述研究可

表3处理过程)分别对25个数据进行处理,得到不同时间的

x均在5.351 447附近，则5 ~59 min,取温度 9 C计算=80 005 kPa,

计算得Pe = 116. 34 kPa(9个相同数据)知，水结冰导致体积变化是冷冻可乐爆炸的主要因

素•而整个冷冻过程中二氧化碳的溶解、析出交替

59 〜205 min,取鯉为5 C计算,E =38 005 kPa,

计算得P=54.97 kPa( 15个相同数据)2. 3结论与分析P、P为不同时间下，上方的二氧化碳与下方 液体达到气液平衡时所需要的压力[12.对比表3 ,

相同时间下有:P>P(5~55 min) , P > P(59 - 20。min)

即，此时溶液会发生“吸收”现象.根据亨利定

律[1]可计算得出,压强为P时吸收进溶液中二氧 化碳物质的量大于p、p;时溶吸的量.可乐结冰过程实质上不是水的结冰而是碳酸

的结冰;在冰箱内部爆炸的主要原因是结冰导致体

积膨胀(卩)而影响的压强增大.根据可口可乐宫网，可乐罐被设计可以承受 W5PSI(609.5 kPa)，综合表2可得,在冰箱冷冻可

乐110 min内是不会爆炸对冰箱内部造成伤害的.综上,可乐不要放冰箱冷冻室超过2h,且由于

从冰箱拿出开盖瞬间压强的骤降，温度的升高，会

使可乐中的二氧化碳[14迅速析出,严重可能发生 伤人事件，故从冷冻室拿出的可乐不要直接进行 饮用.3综合实验分析根据实验可知，可乐爆炸不是简单的将罐胀

破，压强在其中起着很重要的作用,这符合上述所 得结论•且冻可乐在冷冻9~6 h发生爆炸.本文认 为造成实验结果与预判结果差异的原因可能有如

下几J ：①铝罐具有较好的延展性,可以使自身发 生形变而减少压强;②材料的弹塑性•例如气球在

达到使其爆炸的压强后要再过一段时间才会爆炸， 可乐罐应该也具有如此性质;③根据上述结果，在

冷冻过程中，由于解吸过程导致上方二氧化碳的量

小于表2中的计算值,这将导致算得的爆炸时间比3通过观察爆炸点集中在罐口薄弱环节处，为加

大对消费者安全的考虑，也为了对企业不造成过多

存在,整体上对可乐的爆炸无影响•综合实验数据,

最为安全的冷冻时间为5 -ll。min,在此时间内可

乐 会 3参考文献：[]金敬福，韩丽曼，曹 敏.水滴结冰相变膨胀规律[J].吉林大学学报,2211,44 ⑸：1544 -1551.[2]

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