Tramite la simulazione è possibile riprodurre un sistema fisico attraverso un modello che può essere visto come una rappresentazione, più o meno fedele, di un prototipo fisico avendo però, rispetto quest'ultimo, il vantaggio di permettere una verifica o comunque un affinamento del progetto dell'impianto/processo attraverso una procedura per tentativi successivi. La verifica può anche avere il carattere di un'analisi di sensibilità, al fine di evidenziare l'influenza delle diverse variabili di processo. Ciò con tempi e costi contenuti rispetto ad una completa campagna di sperimentazione. Nell'ambito della simulazione numerica, la teoria dei metodi inversi è in grado invece di fornire una tecnica alternativa per stimare i parametri qualitativi dei materiali in maniera più efficiente e rapida.

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Laboratorio
Referenti
Chiara Cevoli
Area di specializzazione
Agroalimentare
Keyword
Simulazione numerica
metodi inversi
impianti alimentari
modelli matematici.
Modelli numerici di alcuni processi agroalimentari.
Descrizione prodotto

Il modello, che costituisce la base della simulazione, consiste sostanzialmente in un insieme di equazioni in grado di descrivere la geometria e la fisica del problema, risolte attraverso un metodo numerico. Dal punto di vista operativo, la costruzione di un modello numerico attraversa tipicamente tre fasi, convenzionalmente designate come preprocessing, solving e postprocessing. La prima fase consiste nella idealizzazione e successiva definizione del problema ovvero della geometria, delle condizioni al contorno e delle proprietà dei materiali coinvolti. Questa fase è evidentemente la più impegnativa per l'utilizzatore e, spesso, quella che richiede la maggiore quantità di tempo. Successivamente il software assembla le equazioni che descrivono il problema e ne imposta la risoluzione per via numerica. La fase finale consiste nella valutazione della soluzione attraverso, ad esempio, la visualizzazione dei valori di temperatura o concentrazione.

Aspetti innovativi

Possibilità di verifica del progetto attraverso una procedura per tentativi con tempi e costi contenuti rispetto ad una completa campagna di sperimentazione. Possibilità di osservare il processo molto in dettaglio; spesso è possibile compiere osservazioni sostanzialmente impossibili da misurare. Possibilità di utilizzare modelli numerici in fase di avanprogetto al fine di costruire prototipi più vicini al progetto reale. I metodi inversi sono in grado di fornire una tecnica alternativa ai metodi diretti per stimare i parametri qualitativi degli alimenti, in maniera più efficiente e rapida.

Applicazioni

Modelli numerici sono stati messi a punto per lo studio del grado di tostatura del caffè, delle fasi di cottura di vari prodotti da forno, della diffusione dell'anidride carbonica in uova conservate in atmosfera modificata, dei trattamenti termici in condizione di convezione naturale e forzata, del trasferimento termico in confezioni di prodotti vegetali surgelati e confezioni di frutta di IV gamma e delle fasi di stagionatura e conservazione di prodotti insaccati. I metodi inversi sono utili per la determinazione dei parametri reologici, termici e diffusivi di diversi prodotti alimentari.

Studio della diffusione di anidride carbonica all'interno di uova in guscio.
Esempio di applicazione

Studio del processo di tostatura del caffè tramite modelli numerici.

Descrizione applicazione e risultati

Al fine di ottimizzare i processi di tostatura del caffè, è importante studiare i fenomeni di trasferimento del calore e umidità all'interno dei chicchi. Tale operazione è difficilmente eseguibile per via sperimentale a causa, soprattutto, del movimento del tamburo rotante e della complessità dell'impianto. A tale scopo è stato messo a punto un modello numerico in grado di riprodurre la geometria reale e la fisica relativa al trasferimento del calore e dell'umidità all'interno del chicco durante la tostatura. Il modello è di tipo parametrico quindi, in pochissimo tempo, e senza alcuna prova sperimentale, è stato possibile valutare l'andamento della temperatura e della concentrazione d'acqua al variare delle dimensioni del chicco e del rapporto temperatura/tempo di trattamento. Il modello numerico messo a punto ha permesso di studiare l'andamento della temperatura e dell'umidità all'interno del chicco, al variare della temperatura e del tempo di tostatura, in maniera rapida e non invasiva.

Partner coinvolti

Aziende del settore della torrefazione del caffè.

Tempi di realizzazione
6 mesi
Livello di maturità tecnologica
TRL 8 - sistema completo e validato
Valorizzazione applicazione

Modelli numerici sono stati sviluppati all'interno di aziende appartenenti ai settori citati.

Studio del processo di tostatura del caffè tramite simulazione numerica.