CFD-based simulation analysis method and system for sterilization process of food package, and related computer-readable storage medium

Abstract

The present invention provides a CFD-based simulation analysis method and system for a sterilization process of a food package, and a related computer-readable storage medium. The simulation analysis method includes: step S1: on the basis of the food package to be analyzed and on the basis of the sterilization process of the food package with a sterilization fluid to be analyzed, performing CFD simulation calculation on the sterilization fluid sprayed toward the food package to obtain a physical field calculated value of a physical field of the sterilization fluid; and step S2: on the basis of the physical field calculated value of the physical field of the sterilization fluid, in combination with a sterilization analysis model, obtaining a parameter calculated value of a parameter representing a sterilization effect. According to the simulation analysis method of the present invention, the sterilization effect of the food package can be quickly and accurately determined.

Description

CFD-BASED SIMULATION ANALYSIS METHOD AND SYSTEM FOR STERILIZATION PROCESS OF FOOD PACKAGE, AND RELATED COMPUTER-READABLE STORAGE MEDIUMTECHNICAL FIELD

[0001] The present invention relates to the technical field of food packaging, and relates in particular to a CFD-based simulation analysis method for a sterilization process of a food package.BACKGROUND

[0002] This section provides background information related to the present invention, which does not necessarily constitute prior art.

[0003] In the current research and development of aseptic filling machines, attempts are usually made to improve the mechanical structure design of the aseptic filling machine and optimize the sterilization process by taking a sterility assurance level as the final judgment criterion. However, this research and development method depends highly on the personal experience of engineers, has great difficulty and a long development and test cycle, and is disadvantageous for the accumulation of technology.

[0004] On the other hand, with the development of computational fluid dynamics (CFD) technology, CFD simulation technology is gradually applied to the field of food packaging sterilization. For example, in the field of traditional hot filling, by means of CFD simulation technology, the changes of various physical parameters of the material over time during the sterilization process can be effectively predicted, thereby facilitating the structural design of the package and the optimization of the heat treatment process.

[0005] However, in the field of aseptic filling machines, there are few cases of applying CFD simulation methods to analyze the sterilization process of food packages, and in particular, there is no feasible and effective solution for performing CFD simulation analysis on the sterilization process of food packages with a sterilization fluid such as hydrogen peroxide vapor.

[0006] Therefore, the present invention is intended to provide an effective and feasible simulation and analysis method for a sterilization process of a food package, which can quickly and accurately determine the sterilization effect of the food package by using CFD simulation and analysis, making aseptic development knowledge explicit and improving development efficiency.SUMMARY

[0007] One of the objects of the present invention is to provide a CFD-based simulation analysis method for a sterilization process of a food package. In the method, CFD simulation calculation is performed on a sterilization fluid sprayed to the food package, which can not only determine the sterilization effect of the food package more comprehensively, but also is faster and more convenient. Therefore, the method is particularly beneficial for the development and optimization of sterilization operations and sterilization apparatuses.

[0008] Another object of the present invention is to provide a CFD-based simulation analysis method for a sterilization process of a food package. A multi-phase sterilization analysis model is introduced in the simulation analysis method, which is particularly suitable for a sterilization process in which a sterilization fluid undergoes phase change, with more reasonable and accurate analysis results.

[0009] Still another object of the present invention is to provide a CFD-based simulation analysis method for a sterilization process of a food package. The simulation analysis method comprises a checking step capable of comparing CFD simulation results and model analysis results with experimental results, thereby allowing further adjustment and optimization of the method to obtain more accurate analysis results.

[0010] According to an aspect of the present invention, a CFD-based simulation analysis method for a sterilization process of a food package is provided, the simulation analysis method comprising: step S1: on the basis of the food package to be analyzed and on the basis of the sterilization process of the food package with a sterilization fluid to be analyzed, performing CFD simulation calculation on the sterilization fluid sprayed toward the food package to obtain a physical field calculated value of a physical field of the sterilization fluid; and step S2: on the basis of the physical field calculated value of the physical field of the sterilization fluid, in combination with a sterilization analysis model, obtaining a parameter calculated value of a parameter representing a sterilization effect.

[0011] In some embodiments, step S1 comprises: step S1-1: collecting structural data of the food package, environmental data of the food package, and fluid information data of the sterilization fluid; step S1-2: on the basis of the collected data, establishing a structural model, generating a mesh, and determining governing equations, initial conditions, and boundary conditions; and step S1-3: performing simulation calculation in CFD simulation software to obtain the physical field calculated value of the physical field of the sterilization fluid.

[0012] In some embodiments, the environmental data of the food package comprises structural data of a sterile room where the food package is located, and an inlet air flow for preheating, sterilization and drying of the food package, and the fluid information data of the sterilization fluid comprises a flow rate, a temperature, a concentration, and a pressure of the sterilization fluid when the sterilization fluid is sprayed from a nozzle.

[0013] In some embodiments, the structural model is a three-dimensional model of the food package and a sterile room where the food package is located.

[0014] In some embodiments, the physical field is a plurality of physical fields comprising a time-varying temperature field, concentration field, and pressure field of the sterilization fluid.

[0015] In some embodiments, the sterilization analysis model comprises a phase state determination sub-model for determining a phase state of the sterilization fluid, and a gas phase sub-model, a liquid phase sub-model, and a gas-liquid mixed phase sub-model for obtaining the parameter calculated value according to the phase state of the sterilization fluid.

[0016] In some embodiments, the parameter representing the sterilization effect is an LCR value.

[0017] In some embodiments, step S2 comprises: step S2-1: introducing the calculated values of the pressure field, the temperature field, and the concentration field into the sterilization analysis model; step S2-2: by the sterilization analysis model, determining a physical state of the sterilization fluid on the basis of the calculated values of the pressure field, the temperature field, and the concentration field; step S2-3: by the sterilization analysis model, calculating a D value on the basis of the physical state of the sterilization fluid; and step S2-4: on the basis of the D value, obtaining a calculated value of an LCR value by conversion.

[0018] In some embodiments, the physical state of the sterilization fluid comprises a time-varying phase state of the sterilization fluid and a time-varying pressure, temperature, and concentration of each component of the sterilization fluid.

[0019] In some embodiments, the simulation analysis method further comprises a checking step C1 for the step S1 executed before the step S2, and the checking step C1 comprises: step C1-1: measuring to obtain detected values of a plurality of physical quantities at a plurality of points of the food package; and step C1-2: comparing the detected values with corresponding physical quantity calculated values at corresponding points in the physical field calculated value, and if the detected values is not consistent with the physical quantity calculated values, adjusting the CFD simulation model and performing the CFD simulation calculation again, and if the detected values are consistent with the physical quantity calculated values, executing the step S2.

[0020] In some embodiments, the simulation analysis method further comprises a checking step C2 for the step S2 executed after the step S2, and the checking step C2 comprises: step C2-1: obtaining a parameter experimental value of the parameter representing the sterilization effect by a microbial challenge test method; and step C2-1: comparing the parameter experimental value with the parameter calculated value, and if the parameter experimental value is not consistent with the parameter calculated value, adjusting the sterilization analysis model and / or adjusting the CFD simulation model, and then performing the CFD simulation calculation again and / or calculating the parameter calculated value again.

[0021] In some embodiments, the sterilization fluid is hydrogen peroxide vapor.

[0022] According to another aspect of the present invention, there is provided a CFD-based simulation analysis system for a sterilization process of a food package, wherein the simulation analysis system comprises a memory and at least one processor, the memory stores computer program instructions, and the at least one processor is configured to execute the computer program instructions to perform the simulation analysis method as described above.

[0023] According to still another aspect of the present invention, there is provided a computer-readable storage medium, wherein the computer-readable storage medium has computer program instructions stored thereon, and when the computer program instructions are executed by a computer, the simulation analysis method as described above is performed.

[0024] In general, the CFD-based simulation analysis method for the sterilization process of the food package according to the present invention can comprehensively, quickly and conveniently determine the sterilization effect of the food package, with reasonable and accurate analysis results, which is particularly suitable for the sterilization process in which the sterilization fluid undergoes a phase change. Therefore, the CFD-based simulation analysis method for the sterilization process of the food package according to the present invention not only makes aseptic development knowledge explicit, facilitating the accumulation and popularization of the aseptic development knowledge, and improving the development efficiency, but also is applicable to various types of sterilization devices.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0025] The features and advantages of one or more embodiments of the present invention will become more readily understood from the following description with reference to the drawings. The drawings provided herein are for illustration purposes only and are not intended to limit the scope of the present invention in any way. The drawings are not drawn to scale, some features may be enlarged or reduced to show details of particular components. In the drawings:

[0026] FIG. 1 is a schematic partial front view of a filling device according to an exemplary embodiment of the present invention;

[0027] FIG. 2 is a schematic perspective view of a food package according to an exemplary embodiment of the present invention;

[0028] FIG. 3 is a main flowchart of a CFD-based simulation analysis method for a sterilization process of a food package according to an exemplary embodiment of the present invention;

[0029] FIG. 4 is a schematic diagram of a mesh in a CFD-based simulation analysis method for a sterilization process of a food package according to an exemplary embodiment of the present invention; and

[0030] FIG. 5 is schematic diagrams showing a change in a calculated value of an LCR value over time during sterilization, wherein the LCR value is obtained by a CFD-based simulation analysis method for a sterilization process of a food package according to an exemplary embodiment of the present invention.DESCRIPTION OF EMBODIMENTS

[0031] Exemplary embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The description is merely illustrative and does not limit the present invention and the applications thereof.

[0032] FIG. 1 shows a filling device 100 to which a CFD-based simulation analysis method for a sterilization process of a food package is applied, in particular, a sterilization operation part of the filling device 100 which involves sterilization. Specifically, the filling device 100 is, for example, an aseptic filling machine, and mainly includes a transport mechanism 40 and a plurality of operating assemblies arranged along a traveling path of the transport mechanism. As for the sterilization operation part, for example, a preheating assembly 10, a sterilization assembly 20, and a drying assembly 30 for sterilization operations are arranged in sequence along the traveling path of the transport mechanism 40. The transport mechanism 40 passes through a sterile room 60 enclosed by a cover plate, and sterile air is continuously supplied into the sterile room through a sterile air pipeline. In the illustrated example, the preheating assembly 10, the sterilization assembly 20 and the drying assembly 30 each include one or more nozzles (for example, 2 nozzles) , and these nozzles extend into the sterile room 60 through a top cover of the sterile room 60.

[0033] The transport mechanism 40 includes a plurality of sleeve chain assemblies 42 for carrying food packages 50. The sleeve chain assembly 42 carries food packages 50 of a food product to be filled into the sterile room 60 in the direction indicated by arrow A in FIG. 1, so that the food packages 50 of the food product to be filled sequentially undergo, in the sterile room 60, a sterilization process including preheating, sterilization and drying steps. Specifically, as shown in FIG. 2, the food package 50 for the food product to be filled is configured in a generally rectangular parallelepiped shape with an open top, such as a carton having a top opening 52 (in the illustrated example, the top opening 52 will be enclosed to ultimately become the base of the packaged product) . Here, it should be noted that the food package according to the present application may also be a package of other shapes or materials, for example, a soft package. In the sterile room 60, the food packages 50 of the food product to be filled are arranged on the sleeve chain assembly 42 with their top openings 52 facing respective nozzles (e.g., nozzles 11, 21, and 31) . The preheating step refers to: when the food package 50 of the food product to be filled reaches below the nozzle 11 of the preheating assembly 10, the nozzle 11 of the preheating assembly 10 spraying a preheating fluid, such as hot sterile air, toward the food package. The food package 50 is heated by flushing with hot sterile air, so that undesirable condensation of the subsequent sterilization fluid inside the food package can be reliably prevented. The sterilization step refers to: when the food package 50 of the food product to be filled then reaches below the nozzle 21 of the sterilization assembly 20, the nozzle 21 of the sterilization assembly 20 spraying the sterilization fluid toward the interior of the food package 50, so that the sterilization fluid is in sufficient contact with the interior of the food package 50 to realize sterilization of the food package 50. In this embodiment, the sterilization fluid is hydrogen peroxide vapor. The drying step refers to: when the food package 50 of the food product to be filled reaches below the nozzle 31 of the drying assembly 30, the nozzle 31 of the drying assembly 30 spraying a drying fluid, such as hot sterile air, toward the food package 50. The re-flushing with hot aseptic air can further remove the sterilization fluid from the food package 50 and reduce the amount of the sterilization fluid remaining in the food package 50.

[0034] The method according to an exemplary embodiment of the present invention is a CFD-based simulation analysis method particularly for a sterilization process of a sterilization fluid within a food package in a sterilization operation. The sterilization process refers to a period starting from the moment when the food package reaches below the nozzle of the preheating assembly and ending at the moment when the food package leaves from below the nozzle of the drying assembly.

[0035] As shown in FIG. 3, the main steps of the simulation analysis method include:

[0036] step S1: on the basis of the food package 50 to be analyzed and on the basis of the sterilization process of the food package 50 with a sterilization fluid to be analyzed, performing CFD simulation calculation on the sterilization fluid sprayed toward the food package 50 to obtain a physical field calculated value of a physical field of the sterilization fluid; and

[0037] step S2: on the basis of the physical field calculated value of the physical field of the sterilization fluid, in combination with a sterilization analysis model, obtaining a parameter calculated value of a parameter representing a sterilization effect.

[0038] Step S1 is performed by commercial CFD fluid simulation software (e.g., Fluent) to quickly and accurately obtain a simulation result, i.e., the physical field calculated value of the physical field of the sterilization fluid. the physical field is a plurality of physical fields including a time-varying temperature field, concentration field, and pressure field of the sterilization fluid. Step S2 is performed by a self-programming computer program (e.g., a program written in CFD fluid simulation software) , to realize a quick and accurate evaluation of the sterilization effect of the sterilization process. The evaluation is reflected by a parameter representing the sterilization effect, and the parameter representing the sterilization effect may be a log cycle reduction value (LCR, a logarithmic cycle reduction value of microorganisms during the sterilization process) .

[0039] In particular, step S1 may include the following sub-steps:

[0040] step S1-1: collecting structural data of the food package 50, environmental data of the food package 50, and fluid information data of the sterilization fluid;

[0041] step S1-2: on the basis of the collected data, establishing a structural model, generating a mesh, and determining governing equations, initial conditions, and boundary conditions; and

[0042] step S1-3: importing them into CFD simulation software and performing simulation calculation therein to obtain the physical field calculated value of the physical field of the sterilization fluid.

[0043] In step S1-1, the environmental data of the food package 50 includes structural data of the sterile room 60 where the food package 50 is located, during the sterilization process, an inlet air flow for preheating, sterilization and drying of the food package 50, etc., and the fluid information data of the sterilization fluid includes a flow rate, a temperature, a concentration, a pressure, etc., of the sterilization fluid when the sterilization fluid is sprayed from the nozzle.

[0044] Preferably, in step S1-2, commercial software (e.g., SolidWorks) may be used to perform three-dimensional modeling on the food package 50 and the sterile room 60 (including components in the sterile room 60, such as the nozzles 11, 21, and 31) where the food package is located. A three-dimensional model of the food package 50 is as shown in FIG. 2.

[0045] Preferably, in step S1-2, as shown in FIG. 4, when meshing is performed for the food package 50 and the sterile room 60 (including various components in the sterile room 60, such as the nozzles 11, 21, and 31) , partitioned meshing is used. A simulation domain may include areas of the food package and the sterile room, and may even include the entire filling device. The simulation domain adopts a hybrid mesh as a whole, adopts a hexahedral mesh at positions such as the nozzles 11, 21, and 31, adopts a tetrahedral mesh at other positions, and adopts a boundary layer mesh only on one mesh wall surface observed in key points. In addition, among a plurality of food packages 50 in the sterile room 60, one food package 50 adopts a relatively dense mesh, and the other food packages 50 adopt a relatively sparse mesh, thereby improving the computational efficiency while ensuring the simulation accuracy.

[0046] Preferably, in step S1-2, the governing equations include a continuity equation, a momentum conservation equation, and an energy conversation equation. In this embodiment, transient simulation is used, so that the physical field conditions inside the filling device (for example, inside the sterile room 60) and inside the food package at different moments can be extracted very conveniently.

[0047] In step S1-2, determining the boundary conditions includes: setting the inner surface of the food package to be a symmetrical wall surface, which meets a standard k-ε turbulence model; setting an initial concentration and mole fraction of the sterilization fluid; setting inlet and outlet conditions of the fluid, and so on. It will be understood by those skilled in the art that for the food package having the generally rectangular parallelepiped shape as shown in FIG. 2, the inner surface of the food package may be set as a symmetrical wall surface, but in other implementable embodiments, for example, when the food package is a self-standing pouch flexible package, a special-shaped box package or the like, the inner surface of the food package may also be set as an asymmetrical wall surface under the boundary conditions.

[0048] Preferably, in step S1-2, the initial conditions include an initial field of the physical field of the sterilization fluid. The initial field may be obtained by performing steady-state simulation on a full simulation domain, so that the solution process is faster.

[0049] Preferably, as shown in FIG. 3, the simulation analysis method according to the present invention further includes a checking step C1 for step S1 executed after step S1 and before step S2. The checking step C1 includes:

[0050] step C1-1: measuring to obtain detected values of a plurality of physical quantities at a plurality of points of the food package; and

[0051] step C1-2: comparing the detected values with corresponding physical quantity calculated values at corresponding points in the physical field calculated value, and if the detected values are not consistent with the physical quantity calculated values, adjusting a CFD simulation model and performing the CFD simulation calculation again, and if the detected values are consistent with the physical quantity calculated values, executing the step S2.

[0052] In step C1-1, the detected values of the plurality of physical quantities may be obtained by installing measurement apparatuses such as thermocouples at a plurality of points of the food package (for example, a plurality of points of the inner side wall and the bottom wall of the food package) , and for another example, the temperature distribution on the outer wall of the food package may be detected by an infrared camera.

[0053] In addition, it should be noted that the CFD simulation model refers to a simulation model built in commercial CFD fluid simulation software for CFD simulation calculation, and adjusting the CFD simulation model means re-collecting data, re-establishing a structural model, adjusting meshing, re-selecting governing equations and / or re-determining boundary conditions, etc.

[0054] After the checking and correction of the checking step C1, the accuracy of the CFD simulation model can be ensured as much as possible while reducing the subsequent analysis error and avoiding the subsequent waste of computing power. In addition, in some embodiments, in the checking step C1, only the key points may be checked, and after the detected values of these key points are consistent with the physical quantity calculated values, it may be determined that they match for other points. By appropriately selecting representative key points and checking only for the key points, the checking efficiency can be effectively improved while ensuring the checking accuracy.

[0055] After the physical field calculated value of the physical field of the sterilization fluid is obtained in step S1-3, step S2 may be executed. In step S2, preferably, the sterilization analysis model includes a phase determination sub-model, a gas phase sub-model, a liquid phase sub-model and a gas-liquid mixed phase sub-model, wherein the phase determination sub-model is used for determining the phase of the sterilization fluid, and the gas phase sub-model, the liquid phase sub-model and the gas-liquid mixed phase sub-model are used for obtaining a parameter calculated value of the parameter representing the sterilization effect according to the phase of the sterilization fluid. The sterilization analysis model according to the present invention is particularly suitable for a case where the sterilization fluid undergoes a phase change during sterilization, for example, when the sterilization fluid is hydrogen peroxide vapor, the hydrogen peroxide vapor may be condensed and re-vaporized during sterilization. The sterilization analysis model according to the present invention has a more accurate analysis result than a single-phase analysis model.

[0056] In particular, step S2 may include:

[0057] step S2-1: introducing the calculated values of the pressure field, temperature field, and concentration field of the sterilization fluid obtained in step S1-3 into the sterilization analysis model;

[0058] step S2-2: by the sterilization analysis model, determining a physical state of the sterilization fluid on the basis of the calculated values of the pressure field, the temperature field, and the concentration field;

[0059] step S2-3: by the sterilization analysis model, calculating a D value (Decimal Reduction Time, the time required to kill 90%of the original residual viable bacterial count in a certain bacterial population under a certain treatment environment at a certain thermodynamic lethal temperature) on the basis of the physical state of the sterilization fluid; and

[0060] step S2-4: on the basis of the D value, obtaining a calculated value of the LCR value by conversion.

[0061] The physical state of the sterilization fluid may include a time-varying phase state (e.g., a gaseous state, a liquid state, or a gas-liquid mixed state) of the sterilization fluid, and a time-varying pressure, temperature, and concentration of each component (for example, the components of the hydrogen peroxide vapor include hydrogen peroxide and water) of the sterilization fluid.

[0062] Preferably, in step S2-2, the partial pressure, temperature and concentration of each component (e.g., hydrogen peroxide and water) of the sterilization fluid may be obtained on the basis of the calculated values of the pressure field, temperature field and concentration field of the sterilization fluid. Then, on the basis of the partial pressure and concentration of each component, the critical temperature for condensation of the sterilization fluid at the current moment is obtained through a database (e.g., a relationship table between the temperature required for hydrogen peroxide to reach micro-condensation and the concentration of hydrogen peroxide) and / or a formula (e.g., an empirical formula) stored in the sterilization analysis model. The phase state of the sterilization fluid is then quickly determined by comparing this critical temperature for condensation with the calculated value of the temperature field of the sterilization fluid. Preferably, in the case of using the database stored in the sterilization analysis model to determine the phase, the database may also be corrected by saturated vapor pressure related formulas stored in the sterilization analysis model to obtain a determination result that is closer to the real phase of the hydrogen peroxide vapor. The saturated vapor pressure related formulas are: where and are saturated vapor pressures of hydrogen peroxide and water when present individually, respectively; and are corrected saturated vapor pressures of hydrogen peroxide and water, respectively; and are mole fractions of hydrogen peroxide and water, respectively; and are correction coefficients for the saturated vapor pressures of hydrogen peroxide and water, respectively.

[0063] The correction coefficients  and  can be calculated by the following formulas: where R is a gas constant, which is the same as R in the ideal gas state equation (PV =nRT) ; T is a gas temperature; and b0, b1, and b2 are constants obtained from experiments.

[0064] Preferably, in step S2-3, by using the following formula stored in the sterilization analysis model, according to the phase of the sterilization fluid, the D value (unit: minutes) may be calculated on the basis of the concentration and temperature of each component of the sterilization fluid: where k1, and k2 are correction parameters obtained according to an experimental test; a1, a2, a3, b1, and b2 are constants obtained according to experience / experiments; T is the temperature of hydrogen peroxide; C(ppm) is the concentration of hydrogen peroxide; DewTemperature (C (ppm) ) is the condensation temperature of hydrogen peroxide; and C(w / w) is the liquid film mass concentration of hydrogen peroxide.

[0065] Preferably, in step S2-4, a calculated value of the LCR value is obtained by integrating over time on the basis of the time-varying D value obtained in step S2-3. A formula for calculating the calculated value of the LCR value is as follows: where Δt is a time step of the CFD simulation calculation; D(t) is a time-varying D value; N0 is an inoculum load at an initial moment; N(Δ) is a time-varying inoculum load; and Nfinal is an inoculum load at a final moment.

[0066] Preferably, as shown in FIG. 3, the simulation analysis method according to the present invention further includes a checking step C2 for step S2 executed after step S2. The checking step C2 includes:

[0067] step C2-1: obtaining a parameter experimental value of the parameter representing the sterilization effect by a microbial challenge test method; and

[0068] step C2-1: comparing the parameter experimental value with the parameter calculated value, and if the parameter experimental value is not consistent with the parameter calculated value, adjusting the sterilization analysis model and / or adjusting the CFD simulation model, and then performing the CFD simulation calculation again and / or calculating the parameter calculated value again.

[0069] The microbial challenge test method refers to: selecting test microorganisms to quantitatively contaminate a surface of a food package to be sterilized; placing a contaminated sample in a filling machine for sterilization; and counting the number of surviving microorganisms after sterilization, and determining a log cycle reduction value (experimental value of the LCR value) of the test microorganisms during sterilization.

[0070] After the inspection and correction of the checking step C2, the accuracy of the CFD simulation model and the sterilization analysis model can be ensured as much as possible to obtain more accurate sterilization effect analysis, which provides a more reliable reference for the development and optimization of sterilization operations and sterilization apparatuses.

[0071] FIG. 5 shows an example of LCR values obtained by using a CFD-based simulation analysis method for a sterilization process of a food package according to the present invention. In FIG. 5, four images (a) , (b) , (c) , and (d) from left to right represent LCR values in the package at four moments, respectively. Specifically, FIG. 5 (a) represents the moment when the food package leaved from below the nozzle of the preheating assembly and just reached below a first sterilization nozzle, FIG. 5 (b) represents the moment when the food package was ready to leave from below the first sterilization nozzle, FIG. 5 (c) represents the moment when the food package leaved from below the first sterilization nozzle and just reached below a second sterilization nozzle, and FIG. 5 (d) represents the moment when the food package was ready to leave from below the second sterilization nozzle. In an embodiment according to the present invention, the moments respectively corresponding to (a), (b) , (c) , and (d) in FIG. 5 are at 1.85 s, 2.35 s, 2.85 s, and 3.35 s in the simulation. As shown in FIG. 5, the LCR value in the food package gradually increased from the start to the end of the sterilization process, and a good sterilization effect was exhibited.

[0072] On the basis of the LCR value obtained by the simulation analysis method, developers can find a sterilization inefficiency point more easily and quickly, and realize the structural optimization of the filling device by adjusting the structural data of the sterile room (such as the position of the nozzle) .

[0073] In addition, on the basis of the LCR value obtained by the simulation analysis method, the developers can also optimize the sterilization operation. For example, in some embodiments, if the LCR value obtained by the analog analysis method is higher than a standard value that ensures the sterilization effect, the flow rate, temperature, concentration, and pressure of the sterilization fluid when sprayed from the nozzle in the fluid information data of the sterilization fluid, for example, are appropriately reduced in the data collection in step S1-1. After this reduction, steps S1 and S2 of the simulation analysis method are executed, and if the newly obtained LCR value still meets the standard value, the reduced flow rate, temperature, concentration and pressure of the sterilization fluid may be used in an actual sterilization operation. In this way, it is possible to save the amount of hydrogen peroxide used and achieve other benefits while ensuring appropriate sterilization.

[0074] The present invention further provides a CFD-based simulation analysis system for a sterilization process of a food package. The system includes a memory and at least one processor, the memory stores computer program instructions, and the at least one processor is configured to execute the computer program instructions to perform the simulation analysis method according to the present invention as described above.

[0075] The present invention further provides a computer-readable storage medium, wherein the computer-readable storage medium has computer program instructions stored thereon, and when the computer program instructions are executed by a computer, the simulation analysis method according to the present invention as described above is performed. In the present invention, the readable storage medium may be any tangible medium that includes or stores a program.

[0076] The CFD-based simulation analysis method for the sterilization process of the food package according to the preferred embodiments of the present invention has been described above in conjunction with the specific embodiments. It should be understood that the above description is only exemplary and not restrictive, and that those skilled in the art can conceive of various variations and modifications with reference to the above description without departing from the scope of the present invention. These variations and modifications are also included in the scope of the present invention.

Claims

1.A CFD-based simulation analysis method for a sterilization process of a food package, characterized by comprising:step S1: on the basis of the food package to be analyzed and on the basis of the sterilization process of the food package with a sterilization fluid to be analyzed, performing CFD simulation calculation on the sterilization fluid sprayed toward the food package to obtain a physical field calculated value of a physical field of the sterilization fluid; andstep S2: on the basis of the physical field calculated value of the physical field of the sterilization fluid, in combination with a sterilization analysis model, obtaining a parameter calculated value of a parameter representing a sterilization effect.2.The CFD-based simulation analysis method for the sterilization process of the food package according to claim 1, wherein, the step S1 comprises:step S1-1: collecting structural data of the food package, environmental data of the food package, and fluid information data of the sterilization fluid;step S1-2: on the basis of the collected data, establishing a structural model, generating a mesh, and determining governing equations, initial conditions, and boundary conditions; andstep S1-3: performing simulation calculation in CFD simulation software to obtain the physical field calculated value of the physical field of the sterilization fluid.3.The CFD-based simulation analysis method for the sterilization process of the food package according to claim 2, wherein, the environmental data of the food package comprises structural data of a sterile room where the food package is located, and an inlet air flow for preheating, sterilization and drying of the food package, and the fluid information data of the sterilization fluid comprises a flow rate, a temperature, a concentration and a pressure of the sterilization fluid when the sterilization fluid is sprayed from a nozzle.4.The CFD-based simulation analysis method for the sterilization process of the food package according to claim 2, wherein, the structural model is a three-dimensional model of the food package and a sterile room where the food package is located.5.The CFD-based simulation analysis method for the sterilization process of the food package according to claim 1, wherein, the physical field is a plurality of physical fields comprising a time-varying temperature field, concentration field, and pressure field of the sterilization fluid.6.The CFD-based simulation analysis method for the sterilization process of the food package according to claim 1, wherein, the sterilization analysis model comprises a phase state determination sub-model for determining a phase state of the sterilization fluid, and a gas phase sub-model, a liquid phase sub-model, and a gas-liquid mixed phase sub-model for obtaining the parameter calculated value according to the phase state of the sterilization fluid.7.The CFD-based simulation analysis method for the sterilization process of the food package according to claim 1, wherein, the parameter representing the sterilization effect is an LCR value.8.The CFD-based simulation analysis method for the sterilization process of the food package according to claim 5, wherein, the step S2 comprises:step S2-1: introducing the calculated values of the pressure field, the temperature field, and the concentration field into the sterilization analysis model;step S2-2: by the sterilization analysis model, determining a physical state of the sterilization fluid on the basis of the calculated values of the pressure field, the temperature field, and the concentration field;step S2-3: by the sterilization analysis model, calculating a D value on the basis of the physical state of the sterilization fluid; andstep S2-4: on the basis of the D value, obtaining a calculated value of an LCR value by conversion.9.The CFD-based simulation analysis method for the sterilization process of the food package according to claim 8, wherein, the physical state of the sterilization fluid comprises a time-varying phase state of the sterilization fluid and a time-varying pressure, temperature, and concentration of each component of the sterilization fluid.10.The CFD-based simulation analysis method for the sterilization process of the food package according to any one of claims 1 to 9, wherein, the simulation analysis method further comprises a checking step C1 for the step S1 executed before the step S2, and the checking step C1 comprises:step C1-1: measuring to obtain detected values of a plurality of physical quantities at a plurality of points of the food package; andstep C1-2: comparing the detected values with corresponding physical quantity calculated values at corresponding points in the physical field calculated value, and if the detected values are not consistent with the physical quantity calculated values, adjusting a CFD simulation model and performing the CFD simulation calculation again, and if the detected values are consistent with the physical quantity calculated values, executing the step S2.11.The CFD-based simulation analysis method for the sterilization process of the food package according to any one of claims 1 to 9, wherein, the simulation analysis method further comprises a checking step C2 for the step S2 executed after the step S2, and the checking step C2 comprises:step C2-1: obtaining a parameter experimental value of the parameter representing the sterilization effect by a microbial challenge test method; andstep C2-1: comparing the parameter experimental value with the parameter calculated value, and if the parameter experimental value is not consistent with the parameter calculated value, adjusting the sterilization analysis model and / or adjusting the CFD simulation model, and then performing the CFD simulation calculation again and / or calculating the parameter calculated value again.12.The CFD-based simulation analysis method for the sterilization process of the food package according to any one of claims 1 to 9, wherein, the sterilization fluid is hydrogen peroxide vapor.13.A CFD-based simulation analysis system for a sterilization process of a food package, characterized by comprising a memory and at least one processor, wherein the memory stores computer program instructions, and the at least one processor is configured to execute the computer program instructions to perform the simulation analysis method according to any one of claims 1 to 12.14.A computer-readable storage medium, characterized by storing computer program instructions thereon, wherein when the computer program instructions are executed by a computer, the simulation analysis method according to any one of claims 1 to 12 is performed.

Images