食品挤压膨化过程中涉及温度场、流场、浓度场和相变，且这些因素之间存在交互作用。采用传统的实验研究由于受到测量位点和测量数量的限制，不能揭示挤压膨化过程中各因素间的相互影响，而数值模拟研究方法是解决此类复杂动态系统的有力途径。但是，目前针对挤压膨化过程的数值模拟研究存在模型过于简化，研究缺乏系统性，误差较大，且在膨化食品结构与质构性能关系方面的研究欠缺等问题。基于此，本研究以含有一定水分的玉米淀粉在双螺杆食品挤压机中的挤压膨化过程为研究和分析对象，采用理论分析、数值模拟和实验验证相结合的研究方法，考察挤压膨化过程中发生的各种物理变化，从微观和宏观两个角度，充分探讨在非等温条件下挤出物三维体系中发生的气泡生长、收缩变形、破裂等各个物理过程，并对该过程得到的淀粉膨化物的结构与质构力学性能关系进行系统研究。　　 论文主要研究内容、结论及创新点如下：　　 1.淀粉挤压膨化多物理场的理论分析和数学建模　　 全面、系统地对淀粉挤出物在挤压机模口外部的气泡膨胀过程中涉及的多物理场进行了理论分析，耦合、建立了膨化过程中发生的热量、质量(水分)、动量传递与交换，淀粉流变性变化，力系(包括粘性力、弹性力、表面张力、气泡内部压力、大气压力、气泡内外压差、惯性力等)变化，气泡生长、收缩变形、破裂等动态过程的数学控制模型。数学模型中采用WLF方程对淀粉挤出物熔体的粘性进行本构描述，充分考虑了膨化过程经历的非等温温度场、浓度场变化的实际特点。　　 2.淀粉挤压膨化的微观动态过程特征及影响因素的模拟研究　　 基于气泡膨胀的结构与变形特点，建立了二维轴对称胞元模型(与三维模型等效)作为淀粉挤出物内部包含单个气泡及其周围有限范围熔体的微观膨胀单元的物理模型，较好地反映了该单元的三维空间结构和膨胀时的变形特点；以挤出物表层单个胞元模型为基础，建立其膨胀过程的数学控制模型及边界条件，利用有限元数值模拟方法对该胞元模型所代表的微观膨胀单元在膨化过程中的主要物性参数及气泡受力的动态变化特征进行了分析预测。结果表明，当模口温度T0=403.15K，玉米淀粉物料初始含水率X0=20％(干基)时，在膨化开始后的4秒时间内，熔体温度、含水率、密度以及气泡内部压力、表面张力均经历快速下降后逐步放缓，最后趋于稳定；熔体玻璃化转变温度经历快速升高后逐步放缓，最后趋于稳定；气泡半径经历急剧增长后逐步放缓，大约在t=0.8s开始发生一定程度的收缩，在t=2.6s后趋于稳定，稳定时的半径大小R=6.73×104m；水蒸气闪蒸进入气泡的速率大约在t=0.1s时增至最大，之后快速减小并逐渐趋于0；粘性力、弹性力在膨化开始阶段缓慢增大，在t=2.6s后急剧上升。同时，从得到的挤出物熔体温度Tm和玻璃化转变温度Tg随膨化时间的变化规律可以看出，当Tm>Tg+23.5K时，气泡发生生长、收缩等变形，当Tm≤Tg+23.5K时，气泡变形停止。　　 研究了T0、X0、淀粉种类(采用N表征)等加工参数对微观膨胀单元在膨化开始后4秒时间内的增长变形动态过程的影响。结果表明，当其他条件恒定时，T0越高，同一膨化时刻熔体温度越高，水分含量越低，密度越小，气泡半径增长越大；X0越高，同一时刻熔体温度越低，水分含量越高，密度越小，气泡在X0=20％(干基)时半径增长最大，在X0>20％(干基)时发生明显收缩；N越大(直链分子含量越高的淀粉)，同一时刻熔体温度越高，水分含量越高，密度越大，气泡半径增长越小。　　 3.淀粉挤压膨化的宏观动态过程特征及影响因素的模拟研究　　 对淀粉宏观挤出物在给定加工条件下进行了理论分层，并建立了里层(中心层)单元的物理模型，膨胀过程的数学控制模型(组)及边界条件，利用有限元数值模拟方法对里层单元在膨化开始后的4秒时间内主要物性参数及气泡受力的动态变化特征进行了分析预测。结果表明，在相同加工参数下，与表层胞元相比，同一时刻里层胞元熔体温度较高，水分含量无明显差别，熔体内水分闪蒸进入气泡的速率较高，密度较低，气泡没有发生收缩且达到稳定时的半径较大；气泡所受粘性力先急剧减小，后急剧回升，但回升幅度相对有限；同一时刻的弹性力、表面张力均相对较小。　　 研究了T0、X0、N等加工参数对膨化过程中里层单元的熔体温度、含水率、密度、气泡半径等状态参数动态变化特征的影响，并与相同加工条件下的表层单元进行了对比分析。结果表明，加工参数对二者状态参数变化特征的影响趋势基本一致，但同一时刻的状态参数值不同，主要是由于表层单元与外界环境存在热质交换的原因。　　 建立了淀粉宏观挤出物的物理模型，推导了宏观挤出物半径增长数学模型，并将其耦合到宏观挤出物膨化过程的数学控制模型(组)中，利用有限元数值模拟方法研究了T0、X0、N等加工参数对膨化过程中宏观挤出物的含水率、密度、径向膨化率等主要状态参数随时间动态变化特征的影响。结果表明，在其他条件恒定时，T0越高，同一膨化时刻挤出物含水率越低，密度越小(差别较小)，径向膨化率越大，气泡收缩率越小；X0越高，同一膨化时刻挤出物含水率越高，密度先降低后小幅回升(差别较小)，径向膨化率先增大后减小，在X0=20％(干基)时获得最大膨化率，在X0=22％、24％(均为干基)时气泡发生较严重的收缩(X0=24％时收缩幅度最大)；N越大(直链分子含量越高的淀粉)，同一时刻挤出物含水率越高，密度越大，径向膨化率越小。　　 4.膨化过程中决定开、闭孔结构形成的气泡破裂问题的模拟研究　　 对淀粉挤出物膨化时的开、闭孔形成过程进行了理论分析，利用有限元数值模拟方法研究并确定了气泡在膨化增长过程中发生破裂的临界状态及特点(包括破裂发生的时刻，破裂时的气泡半径、胞元壁厚度、气泡内外压力差)。　　 研究了气核形成时的气泡初始半径R0、胞元壁初始厚度W0对气泡破裂的影响，确定了对应的发生气泡破裂的成核状态条件。结果表明，当T0=403.15K，X0=20％(干基)，R0=0.0001m，Sm=1000kPa时，W0越大，气泡越不容易破裂，发生破裂的W0临界范围为0.00025m～0.0003m(低于该范围将破裂)；当W0=0.0002m，其他条件不变时，R0越小，气泡越不容易破裂，发生破裂的R0临界范围为0.00003m～0.00005m(高于该范围将破裂)。　　 研究了T0、X0、淀粉种类(采用Sm表征)等加工参数对气泡破裂的影响，确定了对应的发生气泡破裂的加工参数范围。结果表明，当R0=0.0001m，W0=0.0002m，X0=20％(干基)，Sm=1000kPa时，T0越低，气泡越不容易发生破裂，发生破裂的T0临界范围为397.15K～399.15K(高于该范围将破裂)；当T0=403.15K，其他条件不变时，X0越低，气泡越不容易发生破裂，发生破裂的X0临界范围为16％～18％(干基；高于该范围将破裂)；当T0=403.15K，X0=20％(干基)，其他条件不变时，Sm值较大的淀粉在膨化过程中气泡越不容易破裂，发生破裂的是Sm临界范围为2000kPa～2500kPa，所代表的淀粉种类(低于该范围将破裂)。　　 5.淀粉膨化物微观开、闭孔结构的几何拓扑分析与量化　　 采用立方体单元对淀粉膨化物微观结构进行特征描述和量化，其中简单立方(SCC)、面心立方(FCC)、体心立方(BCC)结构能够用于描述气核成核点的分布，并可根据几何参数的变化形成具有不同相对密度的开、闭孔微观结构模型。通过结构几何分析，确定了三类立方体单元(SCC、FCC、BCC)对应的开、闭孔结构相对密度范围，建立了具有不同相对密度的基于球形开、闭孔结构的三类立方体单元结构三维模型，较好地描述了多孔状淀粉膨化物的微观结构，实现了结构的量化。　　 6.淀粉膨化物的结构与质构力学性能关系的模拟研究　　 根据淀粉膨化物在食品质构仪检测及口腔内牙齿咀嚼状态的特点，建立了对应的边界条件，并采用有限元数值模拟方法系统研究了球形开孔、闭孔型SCC、FCC、BCC结构在各自相对密度(ρ*/ρs)范围内对应的淀粉膨化物微观模型于单轴压缩下的力学行为，得出了各类微观结构模型的相对弹性模量(E*/Es)、相对破损强度(σ*/σs)、脆性值(BRI)等力学性能指标与多孔结构参数ρ*/ρs的数学预测模型。结果表明，三类闭孔立方体结构形式中，SCC结构模型的弹性与破损行为特征更接近Ashby-Gibson的经典多孔固体材料；三类开孔立方体结构形式中，FCC结构模型的弹性与破损行为特征更接近Ashby-Gibson的经典多孔固体材料。　　 研究了淀粉宏观挤出物模型在单轴压缩状态下的应力-应变响应，并进一步得出了宏观挤出物的E*/Es、σ*/σs、脆性值等力学性能指标；研究了T0、X0、N等加工参数对淀粉膨化物力学性能的影响。结果表明，在其他加工参数恒定的条件下，随着T0的升高，膨化物的E*/Es、σ*/σs均减小，脆性值增大；随着X0的升高，膨化物的E*/Es、σ*/σs先减小后增大，脆性值先增大后减小，均在X0=20％(干基)时出现拐点；随着N的升高(直链分子含量增加)，膨化物的E*/Es、σ*/σs均增大，脆性值减小。　　 7.验证性实验研究　　 采用与有限元数值模拟研究相同的模口温度(T0)、物料初始含水率(X0)等加工参数，在实验室SPJ-40型双螺杆食品挤压机上对玉米淀粉进行挤压膨化加工实验。测定了膨化过程中挤出物表层熔体的温度变化，并对相应加工参数下得到的淀粉膨化物样品的含水率、密度、径向膨化率等物性参数，弹性模量、破损强度等力学性能参数进行了测定，将实验测定值分别与挤压膨化微观、宏观过程研究及膨化物力学性能研究中采用有限元数值模拟方法预测得到的相关代表性结果进行对比和分析。结果表明，有限元数值预测值与实验测定值之间在趋势上表现了较好的一致性，验证了所建立的相关物理模型、数学模型及采用的有限元数值模拟方法具有合理性和有效性。