《International Journal of Refrigeration》：Thermal buffering versus natural convection: Moisture loss kinetics in packaging enclosures during temperature fluctuations
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•3D 相变 CFD 模型捕捉了动态蒸汽迁移和霜冻动力学。•将波动幅度从 ±5 降至 ±1°C 可使脱水率降低 82.6%。•气体层厚度与波动幅度表现出强烈的协同效应。•优化后的几何形状抵消了因储存温度升高而引起的脱水。引言在冷冻食品冷链中维持温度稳定是一项重大的物流挑战 (
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3D 相变 CFD 模型捕捉了动态蒸汽迁移和霜冻动力学。
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将波动幅度从 ±5 降至 ±1°C 可使脱水率降低 82.6%。
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气体层厚度与波动幅度表现出强烈的协同效应。
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优化后的几何形状抵消了因储存温度升高而引起的脱水。
引言
在冷冻食品冷链中维持温度稳定是一项重大的物流挑战 (James et al., 2017; Ndraha et al., 2019)。运输、装卸和零售展示过程中不可避免的温度波动会引发冷冻产品内部持续不断的升华和凝结循环，导致严重的质量恶化，如水分流失、表面干燥和霜冻形成 (Petzold and Aguilera, 2009; Schmidt and Lee, 2009)。最近，倡导将标准冷冻储存温度从 –18°C 提高到 –15°C 以减少全球温室气体排放的“三度改变”倡议，在物流行业得到了推广 (Allouche et al., 2023; G?ransson et al., 2018)。然而，实施此类节能策略加剧了水分迁移的热力学驱动力，威胁到产品的保质期和消费者接受度 (Giannakourou and Taoukis, 2003; Le-Bail et al., 2025; Matabura, 2023)。
缓解这些质量损失需要重新评估冷冻食品包装。传统上，包装主要被视为对抗外部环境的被动物理和卫生屏障 (Biji et al., 2015; Restuccia et al., 2010)。虽然大量研究集中在包装材料的屏障特性上（例如水蒸气透过率）(Siddiqui et al., 2024)，但包装的物理几何形状，特别是食品表面与包装壁之间的内部气体层（顶空），仍严重未被探索。这种内部气体层决定了水蒸气的对流和扩散传输，有效地定义了内部传输域 (Moureh and Flick, 2004; Zou et al., 2006)。因此，了解包装的空间配置如何与外部温度波动相互作用对于延长保质期至关重要。
计算流体力学 (CFD) 已被证明是阐明食品制冷中复杂热力学和传输现象的有力工具 (Bozkula, 2026; Moreno et al., 2006; Xu et al., 2026)。在我们之前的工作中，建立并验证了一个基于扩散的相变模型，以追踪理想垂直温度波动下食品 - 空气界面处的局部升华和霜沉积，主要关注单一容器几何形状下波动幅度和周期的影响，其中仅暴露顶部样品表面 (Xu et al., 2026)。然而，现实世界的包装场景涉及复杂的 3D 流场，其中侧向和垂直空气间隙同时影响对流传质。关于量化改变该内部气体层厚度如何改变流体 - 热动力学以缓冲激进的脱水，仍存在关键的知识空白。
为了填补这一空白，本研究将包装的视角从被动屏障转变为主动热力学缓冲器。基于我们之前验证的相变框架，整合了一个全面的 3D CFD 模型与实验试验，以系统研究内部气体层厚度、平均储存温度和波动幅度对包装冷冻苹果脱水动力学的交互影响。一个主要目标是评估优化包装的空间几何形状是否能定量补偿与节能储存温度相关的质量损失加速（例如从 –18°C 到 –15°C 的转变）。最终，本研究旨在提供可行的理论指导，以支持可持续的冷链管理而不牺牲产品保质期，从而合理设计冷冻食品包装。
章节摘要
样品制备
选自日本青森县的富士苹果 (Malus domestica Borkh.) 被选作模型食品基质。这种选择基于其全球经济意义 (Vasylieva and James, 2021) 及其表征良好的多孔薄壁组织，极易受到升华引起的脱水影响 (Li et al., 2007; Reyes et al., 2011)。从当地超市购买了成熟度和大小一致的新鲜样本（每个约 200 克）。
为了调查
计算域和网格策略
为了模拟封闭域内的多向热质传递，基于实验容器几何形状构建了一个 3D 计算域 (图 2)。该域由四个不同的相互作用区域组成：内部气体层、动态霜层、脱水多孔食品基质（通过连续冰升华生成）和完整的固体冷冻核心（非升华区域，也包含孔隙）。除内部气体层外，所有
温度验证
验证顶空内的瞬态热响应是准确水分迁移建模的关键先决条件。鉴于直接测量密封、零下包装内低速气流的固有困难，利用高分辨率温度映射作为主要验证指标。
图 6 展示了最大 (2.4 cm) 和最小 (0.8 cm) 顶空配置下的瞬态温度分布。模拟的温度幅度，相位
结论
通过将冷冻食品包装概念化为动态热力学系统，本研究成功阐明了控制水分迁移和霜形成的复杂热质传递动力学。经验储存试验和高保真 CFD 相变模型的整合表明，内部气体层几何形状对食品脱水具有主导的非线性影响。虽然扩展的包装体积提供了增强热绝缘以对抗环境
CRediT 作者贡献声明
Zheng Xu: 写作 – 原稿，方法论，调查，概念化。 Mark Anthony Redo: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，方法论，概念化。 Linfei Wang: 验证，调查，数据整理。 Yvan Llave: 写作 – 审阅与编辑，方法论。 Manabu Watanabe: 写作 – 审阅与编辑，监督，资源，概念化。
Zheng Xu|Mark Anthony Redo|Linfei Wang|Yvan Llave|Manabu Watanabe
