《Food Production, Processing and Nutrition》：Integrated CFD simulation and thermal imaging for monitoring convective drying of tomato wedges
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本研究的总体目标是开发并验证一个计算流体动力学（CFD）模型，用于预测番茄楔块对流干燥过程中的传热传质过程。研究人员在三种空气温度（60、70和80 °C）下进行实验干燥试验，通过监测受控条件下的干燥动力学来评估模型性能。在干燥过程中，番茄楔块的水分含量从初始
本研究的总体目标是开发并验证一个计算流体动力学（CFD）模型，用于预测番茄楔块对流干燥过程中的传热传质过程。研究人员在三种空气温度（60、70和80 °C）下进行实验干燥试验，通过监测受控条件下的干燥动力学来评估模型性能。在干燥过程中，番茄楔块的水分含量从初始值15.67 kg水/kg干物质降至最终值0.17 kg水/kg干物质，在60、70和80 °C下分别需要21、13和11小时。通过高灵敏度热像仪记录的辐射红外热成像连续获取时空表面温度分布，用于监测温度变化和CFD模型验证。结果表明，在所有操作干燥温度下，实验数据与模拟结果之间均观察到高度一致性，且在较低温度下预测精度更高。该模型在干燥过程中对水分含量也表现出良好的预测性能，均方根误差（RMSE）和卡方（χ2）值分别为0.812和0.313。此外，测定了颜色变化、番茄红素含量、抗氧化活性和总酚含量，以评估干燥温度对番茄品质的影响。70 °C的干燥温度导致最高的番茄红素保留率和较低的颜色变化，而80 °C的较高温度则显示出较低的抗氧化活性和酚类物质降解，表明干燥温度不仅影响干燥速率，还影响营养和品质价值。总体而言，所开发的CFD模型可作为分析和预测番茄楔块干燥行为的可靠工具，有助于优化工艺、保持品质和增强干燥操作控制。
番茄（Solanum lycopersicum）作为全球产量最大的园艺作物之一，含水量高达90–95%，导致其采后处理与运输面临巨大挑战。干燥是延长保质期、减少体积和重量的关键手段，但传统干燥过程能耗高、易导致产品褐变及热敏性成分（如维生素C、酚类化合物、类胡萝卜素）的损失。当前研究致力于通过数学模型和模拟方法优化干燥动态，但针对番茄楔块（而非平切片）对流干燥的传热传质预测模型仍属空白，尤其是缺乏结合热成像验证的CFD模型。为此，本研究旨在开发并验证三维CFD模型，预测番茄楔块在60–80 °C对流干燥中的温度与水分分布，同时评估干燥温度对色泽、番茄红素（lycopene）、抗氧化活性及总酚等品质指标的影响。该研究发表于《Food Production, Processing and Nutrition》。
研究人员开展的核心研究包括：在60、70、80 °C下进行番茄楔块对流干燥实验，通过热电偶和热像仪（Optris Xi 400）同步监测温度，并每小时记录质量变化以计算水分比和干燥速率；同时测定新鲜和干燥样品的颜色参数（L*、a*、b*）、番茄红素含量（分光光度法，502 nm）、DPPH自由基清除活性（515 nm）及总酚含量（Folin-Ciocalteu法，760 nm）。基于COMSOL Multiphysics有限元软件，构建三维CFD模型，耦合传热传质方程，假设番茄为均质球体（直径6 cm）切分为四楔块，忽略收缩，并采用GAB模型计算平衡水分含量。模型通过RMSE和χ2评估预测精度。样本来源为当地市场采购的新鲜成熟番茄。
**Air flow（气流）**：模拟显示气流为层流（0.7 m/s），在番茄楔块底部因摩擦和边界层效应速度降低，上部加速，形成复杂流型，影响传热传质效率。
**Drying kinetics of tomato（干燥动力学）**：实验表明干燥全程仅存在降速阶段（falling-rate period），无恒速阶段。温度从60 °C升至80 °C，干燥时间从21 h显著缩短至11 h（减少约50%）。80 °C初期干燥速率最高（3.25 d.b./h），但继续升温至80 °C较70 °C仅节省2 h，呈边际递减效应。
**Validation of moisture content prediction（水分含量预测验证）**：模型预测水分含量与实验值高度吻合，RMSE和χ2分别为0.812和0.313。80 °C时预测精度最高（RMSE=0.562，χ2=0.107），70 °C时误差最大（RMSE=0.982，χ2=0.542），归因于70 °C下干燥阶段过渡复杂。
**Tomato temperatures（番茄温度）**：热电偶与模拟温度在前3 h存在偏差，之后趋于一致。模型预测温度精度随温度升高而降低，总体RMSE平均为2.245，χ2平均为0.237，60 °C时误差最小。高温下蒸发冷却导致温度上升非线性，影响模型精度。
**Validation of temperature distribution（温度分布验证）**：热成像与模拟温度分布一致，显示蒸发冷却效应（初期番茄温度低于干燥温度），边缘先升温，后期均匀。热成像可有效指示内部温度与水分状态，但80 °C时边缘卷曲明显（未考虑收缩），模型未捕获此现象。
**Color changes（颜色变化）**：70 °C干燥的番茄亮度（L*）和红度（a*）最高，总色差（ΔE）最小（p<0.05）；60 °C因长时间暴露导致非酶褐变，L*最低、ΔE最大；80 °C因表面硬化（case hardening）使颜色变暗，ΔE高于70 °C。因此70 °C为最佳色泽保持温度。
**Lycopene, antioxidant activity, and total phenols（番茄红素、抗氧化活性及总酚）**：新鲜样品含量最高（番茄红素83.83 mg/100g DW，DPPH 45.2%，总酚739.18 mg GAE/100g DW）。干燥后所有指标显著下降（p<0.05）。60 °C干燥样品损失最大，因长时间氧化；70 °C和80 °C损失较小，二者无显著差异（p>0.05）。80 °C下番茄红素提取率因细胞基质破坏而升高，但颜色劣化。综合考虑色泽与营养保留，70 °C为最优温度。
**讨论部分**：研究指出，干燥温度对品质的影响受暴露时间与热效应的双重驱动。70 °C在缩短干燥时间与保持色泽、番茄红素之间取得平衡；80 °C虽缩短时间，但表面硬化导致颜色劣化。模型未考虑收缩，可能导致后期局部梯度偏差，未来应纳入果皮与果肉异质性及动态体积收缩。**结论**：本研究成功开发并验证了番茄楔块对流干燥的三维CFD模型，在60–80 °C范围内具有高预测精度。通过辐射红外热成像，建立了非接触验证框架，确认表面温度分布可作为内部水分和热状态的可靠代理指标。实验与模拟结果揭示了温度与干燥时间之间的非线性关系：将干燥温度从60 °C升至70 °C可显著缩短8 h，但进一步升至80 °C仅节省2 h。从品质角度，70 °C为最优设定点，此时番茄楔块亮度（L*）和红度（a*）保持最佳，表明超过70 °C的热负荷将导致不必要的能耗和品质下降。实验与模拟结果均显示水分含量与产品温度之间存在明显反相关，表面与内部温度在整个过程中一致，因此热成像可用于工业在线无损监测与自动控制。CFD模型提供了高保真基线，但热成像与数值结果之间的差异提示未来应纳入异质性内部结构（果皮与果肉）及动态体积收缩。
