油茶籽热风干燥过程中传热传质效应的数值模拟与实验验证

本研究针对油茶籽热风干燥过程中内部温湿度分布不明确的问题，通过COMSOL Multiphysics构建传热传质-收缩耦合模型，揭示了内核温度滞后于热风温度（平均偏差6.4%）、水分梯度扩散（平均偏差8.7%）及收缩动态规律（平均偏差3.2%），为优化干燥工艺提供理论支撑。

　　

油茶作为中国南方特有的木本油料作物，其籽粒富含高达52%的油脂，其中不饱和脂肪酸占比达72%，被誉为"东方橄榄油"。然而新鲜油茶籽含水量高达40%时易霉变，传统热风干燥工艺缺乏对内部传热传质规律的精准认知。现有薄层干燥模型仅能反映整体平均含水率变化，无法解析籽粒内部温度梯度与水分迁移路径。这一认知空白导致干燥能耗高、品质不稳定等问题，制约着这一"健康食用油"国际认证作物的产业化发展。

赣南医学院油茶产业协同创新中心的研究团队通过多物理场耦合建模技术，首次构建了包含壳层-气隙-内核三区域的油茶籽三维结构模型。研究采用COMSOL Multiphysics软件集成对流扩散方程（Convection Diffusion Equation）、固体传热（Solid Heat Transfer）和变形几何（Deformation Geometry）模块，模拟了50-90℃热风条件下油茶籽的干燥动力学过程。实验验证采用自主研发的热风干燥系统，通过对比模拟值与实测数据验证模型可靠性。

模型假设

研究创新性地考虑了壳层裂隙和气隙的动态变化：硬质壳层在干燥过程中保持形态稳定，而内核随水分流失持续收缩，导致气隙扩大。这种壳-隙-核异质结构导致传热与传质路径不对称——热量通过气隙向内传导，水分则反向扩散至壳层裂隙逸出。

模型求解

数值模拟显示内核中心温度始终滞后于热风温度，最大偏差11.2%。温度场呈现明显径向梯度分布，这与内核淀粉凝胶体的低热导特性相关。水分扩散在干燥初期呈现剧烈梯度变化，壳层与内核含水率差值最高达18.6%，验证了多孔介质中非菲克扩散（Non-Fickian diffusion）现象的存在。

结果与讨论

内核收缩动力学分析表明：半径缩减量与水分流失呈非线性相关，干燥前期收缩速率是后期的2.3倍。这种双阶段收缩行为与淀粉玻璃化转变温度（T_g）密切相关。模型准确预测了收缩形变（最大偏差6.0%），揭示出气隙的绝热效应可使内核温度降低9-12℃，这一发现为解释干燥裂纹产生机制提供了新视角。

结论

该研究建立的壳-隙-核多区域耦合模型成功实现了油茶籽干燥过程的跨尺度模拟，平均预测误差控制在8.7%以内。研究首次量化了气隙对传热传质的双重调控作用：既作为热阻层延缓内核升温，又作为水分扩散的快速通道。这些发现发表于《Food and Bioproducts Processing》，为开发低能耗、高保质的油茶籽精准干燥装备提供了理论依据，对提升我国木本油料加工技术水平具有重要意义。