随着生活水平的不断提高,人们对食品安全和品质的关注也不断提高,速冻食品具有方便、快捷、储存时间长的特点更被人们所关注,如何提高速冻装置的性能来生产更高品质的速冻食品成为研究热点。冲击式速冻技术利用高速低温射流对食品进行速冻,是目前先进的速冻技术之一,但由于其高速射流冲击导致的内部换热区域流场的不均匀会造成冻品传热不均匀,设备能效比低等问题。因此本文以明虾虾仁为研究对象,利用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值模拟技术研究了冲击式速冻装置中喷嘴结构、载物方式、送风方式和送风速度这4个影响内部流场的关键因素对虾仁冻结时长及均匀性的影响,优化冲击式速冻装置对食品进行速冻时的运行条件,搭建上下冲击式食品速冻实验台对模拟结果进行验证。本文首先研究了冲击式速冻装置中不同结构的条缝型喷嘴对冲击射流换热特性的影响,为后续的研究确定条缝型喷嘴结构参数。其次研究了该装置中不同上下送风速度、不同送风方式(单侧送风和双侧送风)以及不同载物方式(板带载物和网带载物)对虾仁冻结过程的影响,得到了使装置换热区域流场环境较好的运行条件。最后,基于上述研究结果研究了条缝型喷嘴和条缝型孔板对装置内不同位置上多排虾仁冻结过程的影响。具体研究内容与结论如下:1.利用数值模拟结合实验验证的方法对比了170 Pa和190 Pa两种压力条件下,三种不同结构的V型条缝喷嘴对冲击式速冻设备换热情况的影响,分别从喷嘴出口风速、横流方向风速以及努塞尔数(Nu)这三个方面进行研究分析。结果表明:喷嘴延伸段长度K较大的喷嘴出口风速较大、流场较为均匀,但较大的喷嘴延伸段长度K反而会削弱对流换热强度;喷嘴渐缩段与延伸段之间的夹角α较小的喷嘴在横流方向上的风速较小、均匀度较高,受横流影响较小,但对提高对流换热强度的作用不明显;当V型条缝喷嘴延伸段长度K=10 mm,喷嘴渐缩段与延伸段之间的夹角α为165°角时,平均努塞尔数最高,对流换热强度最大。2.以明虾虾仁为研究对象,利用数值模拟结合实验验证的方法研究了冲击式速冻设备中上下送风速度对虾仁冻结过程的影响,分为上下两侧风速保持一致且同时改变,上侧送风速度为15 m/s、下侧为0～15m/s,以及下侧送风速度为15 m/s、上侧为0～15 m/s 3个实验组进行研究。研究结果为:当冲击式速冻设备两侧送风速度保持一致时,随着风速的增大,虾仁冻结时长缩短但减小幅度也会不断减小;当上下两侧送风速度大小相差悬殊时,两股冲击射流相对冲击会在低速侧形成促进虾仁表面流场流动的涡流,提高换热效率,减小虾仁冻结时长;当上下两侧送风速度大小相差不大时,两股冲击射流相对冲击会在虾仁表面形成流速较低的射流“真空区”,降低虾仁换热效率,增大虾仁冻结时长;在实验的两侧送风速度范围内,当上侧送风速度为15 m/s,下侧送风速度为2 m/s时,虾仁对流换热强度最大,冻结时长最短。3.以明虾虾仁为研究对象,利用数值模拟结合实验验证的方法研究了两种送风方式(单侧送风和双侧送风)和两种载物方式(板带载物和网带载物)对虾仁冻结过程的影响,找到使虾仁冻结时间最短的送风和载物方式。研究发现:对于虾仁冻结来说,采用双侧送风+网带载物可以使虾仁表面流场流速更大,有利于提高换热效率,减少虾仁冻结时间,相对于其他送风方式和载物方式而言,可缩短虾仁冻结时间14%～25%;双侧送风有助于低速侧形成提高虾仁下表面流场流速的涡流,而网带载物可以避免在虾仁下侧面与网带交界处以及虾仁头部形成射流“真空区”,上述均有助于提高虾仁表面风速,缩短虾仁冻结时长;但虾仁冻结时长越短,降温过程中虾仁内外温度均匀性则越差,在本次实验中,虾仁内外最大温差出现在实验组D(双侧送风+网带载物),最大温差可达13.02 K。4.利用数值模拟结合实验验证的方法,研究了上下冲击式速冻设备中条缝型喷嘴和条缝型孔板分别对设备换热区域内喷孔下方和两喷孔间下方的两排虾仁冻结过程的影响,研究发现:在上下冲击式速冻设备中虾仁的冻结时长与其距离设备出风口的大小成正比,各排虾仁的冻结不均匀度η在1～5%,且喷孔下方的虾仁比两喷孔间下方的虾仁冻结时长短,冻结不均匀度η小;在相同喷孔出风速度下,条缝型喷嘴模型的上下入口压力比条缝型孔板模型的上下入口压力缩短了27.78%和40.00%,虾仁冻结时长也较条缝型孔板模型缩短近40.00%,条缝型喷嘴模型能效比更大;而条缝型孔板引起的气流沿程阻力损失较小,模型中的虾仁冻结更为均匀。