数值模拟可以按照系统的特性和要求建立数学模型，在计算机上求解数学模型，取得接近实际系统的信息。建立仿真模型可以避免多次实验，同时避免实验条件的限制，缩短研究周期。对实际物料微波加热而言，仅利用仪器设备如红外热成像仪采集物料表面温度分布或利用热电偶测量物料内部有限位置点的温度值，无法得到完整的温度场信息。而基于香菇的热物理特性(比热、介电特性和导热系数等)建立与实际微波干燥过程相符的数学模型，利用COMSOL Multiphysics仿真软件模拟微波加热过程中香菇内部微波能吸收分布，可以优化微波干燥过程。
目前，国内外已经有关于香菇微波干燥的相关研究。目前香菇微波干燥的研究重点是提高香菇干后品质，并且要求降低能耗、提高单元能耗的产出。东北农业大学工程学院的张志勇、李元强和郑先哲*等人在单因素试验的基础上，探究香菇在不同微波强度下的干燥特性，并结合数值模拟手段，分析香菇内部电场、温度分布特征，确定微波干燥时香菇内部微波能吸收规律；根据香菇在不同微波强度下的升温特性和温度分布，分析出现“热失控”现象的原因；根据干燥过程中的能量需求特性，提出分段变功率干燥工艺方案，控制香菇微波干燥温度低于其“热失控”温度，以提高能量利用率，改善香菇干后品质。
1. 前处理条件的优化
如图2所示，香菇在不同微波强度下干燥，前期表面温度均迅速升高，当香菇表面达到较高温度后，干燥中期温度升高缓慢，干燥后期温度又迅速升高。进一步分析可知，干燥中期阶段与微波强度关系密切，微波强度越大，其进入干燥中期所需要的时间越短，干燥中期的温度越高。干燥后期，香菇温度在短时间内迅速达到100 ℃以上，部分香菇中心出现烧焦现象，这是导致香菇微波干燥质量问题的主要原因。随着香菇内热量逐渐积累，干燥后期含水率较低时，干燥温度剧增，从而发生“热失控”现象。结合微波加热机理对“热失控”现象分析可知，“热失控”是微波和反应体系相互作用形成的正反馈结果。如图2所示，香菇在不同微波强度下加热，发生“热失控”临界温度都在80～100 ℃之间。控制干燥过程中最高温度不超过发生“热失控”的临界温度，可避免香菇发生过热烧焦问题。
2 香菇微波干燥含水率变化特性分析
如图3a所示，初期含水率下降缓慢，随后基本以恒定速率降低，后期稍有下降但不明显。如图3b所示，香菇微波干燥过程中失水速率在初期迅速上升，中期趋于平稳，后期稍有下降，这与温度变化规律相对应。由图3b知，升速阶段时间较短，微波强度4 W/g时干燥约2 min即可进入恒速阶段，其他微波强度4 min后也进入恒速阶段；降速阶段不显着，这是由本研究干燥至安全含水率(13%)后停止干燥的实验安排所致，干燥后期干燥速率下降后约4 min香菇含水率即可达到安全含水率，所以降速阶段曲线不明显。初期香菇内水分吸收微波能使温度升高，由于香菇含水率较高，其内部迅速产生蒸汽，形成压力梯度，驱动水分流向表面，该阶段微波能主要用于使物料升温、形成压力梯度，干燥速率随温度升高逐渐提高。当吸收微波能与向外扩散的水分所需要的能量达到平衡时，干燥进入恒速阶段。
恒速期香菇单位时间减少的质量趋于一致，在恒速干燥阶段，物料的水分多为自由水，失水速率较快，香菇内水分大多都在恒速阶段去除。干燥过程后期，香菇含水率较低，失水速率也随之降低。含水率为30%左右时，干燥速率稍有下降，干燥速率由恒速期转入降速期，这与一般物料微波干燥有差异，主要是由于香菇本身特质(疏松多孔、含水率高等)导致。进一步分析可知，失水速率转入降速期与发生“热失控”的时刻相近，干燥后期，随着香菇热量的积累，介电损耗因子变大，吸收微波能力增强，产生的热量增加，然而香菇内水分变少，蒸发潜热降低。该阶段产生的热量增加而散失的热量减少，导致温度短时间内迅速升高，从而发生“热失控”现象。由上述分析可知，香菇微波干燥“热失控”发生 在干燥后期，含水率达到较低水平时。前期干燥温度稍高不会引起“热失控”问题，所以着重控制后期干燥温度即可避免“热失控”问题。
3 香菇内部温度分布特征分析
如图4所示，香菇不同个体间温度分布相似且无明显差异，香菇个体不同部位上的温度存在较大差异，香菇褶和香菇柄的结合部位温度较高。这与香菇生产中的中心烧焦位置相符合。香菇个体内部微波体积热数值模拟结果如图5所示。
由模拟结果可知，香菇微波干燥过程中内外同时加热，微波加热的这种特性可以极大提高干燥速率。但微波干燥不均匀的特点也尤为突出，香菇模型内部存在明显的“热点”区域，该区域位于菇褶与菇柄结合部位，这与红外成像照片所反映的结果相似。香菇特有的形状及尺寸使其中心出现该形式的聚焦效应。出现“热点”将导致香菇该区域热量累积，使该区域含水率低于其他部位，这也使香菇不同部位干燥不均匀，导致香菇中心部位先发生“热失控”，先出现过热烧焦现象。由图5b可知，香菇内部沿径向的微波体积热 分布规律相同，均表现出中心高于边缘，这与红外照片所呈现的特征基本一致。微波干燥香菇内部温度分布不均的问题，严重影响香菇干后质量。如果在某些特定情况下将香菇切片处理，或引入缓苏工艺，有望解决香菇微波干燥存在温度分布不均匀的问题，提高干后品质。
4 香菇微波干燥工艺优化
依据香菇微波干燥仿真的温度值，对香菇缓苏过程进行模拟，获得内外温差变化趋势，该结果可用于指导确定合适的缓苏时间。由于香菇体型有差异，研究中选择直径为4、5、6 cm的香菇进行缓苏数值模拟，并进行实验验证，结果如图6所示。实验发现，不同体型的香菇干燥过程中都会出现中心聚焦效应，实验测得的最高温度值稍低于仿真结果，这是由于模拟中没有考虑微波缓苏时香菇表层与周围空气自然对流换热。不同体型香菇仿真所得香菇内外温度差在5 min时分别为4.7、6.9、8.2 ℃。
香菇缓苏过程内外温度差仿真结果如图7所示，可知香菇内部温度达到80～90 ℃时，外表温度约50～60 ℃。缓苏5 min后温差变化变小，若缓苏时间过长，热量散失增多、降低干燥效率。香菇缓苏起始的内部温度明显高于外表面；缓苏5 min时，香菇内部热量分布趋于均匀；缓苏10 min后，香菇内部温度基本保持一致。
由图8可知，表面最高温度达到90 ℃，缓苏5 min后，温度降低到58 ℃左右，这与仿真和理论计算的结果相近。后期微波强度0.8 W/g时，最高温度达到90 ℃时干燥完毕，香菇整体温度约70～80 ℃，可以防止发生“热失控”现象，避免香菇出现过热烧焦等严重的品质问题。前期功率为2.4 W/g时，所需要的干燥时间较短，这是由于前期干燥至物料达到90 ℃这个阶段干燥去水较多。综上所知，缓苏工艺可以有效控制干燥温度，前期微波强度宜采用2.4 W/g，后期微波强度宜采用0.8 W/g，干燥时间约为40 min。与恒定微波强度干燥相比，该干燥工艺可以控制整体温度在发生“热失控”的临界温度以下，香菇不同部位温度分布更均匀，不会出现中心过热烧焦问题，且干燥效率和能量利用率更高。
采用分段变功率干燥工艺，可以将香菇微波干燥温度控制在安全范围内，避免出现“热失控”，从而可以防止香菇过热烧焦。同时该干燥工艺可以保证干燥效率，而且这种按能量需求进行供给的模式，可以提高能量利用率，降低能耗。缓苏过程可以缓解微波干燥不均匀的问题，解决香菇微波干燥中心易烧焦的问题。该工艺方案能够在保证干燥效率的同时提高产品质量。
结 论
在香菇微波干燥过程后期，香菇表面温度在80～100 ℃左右会出现“热失控”现象，这是影响香菇微波干燥质量问题、导致香菇过热烧焦的主要原因之一。香菇微波干燥过程中，香菇个体内部微波体积热分布不均匀，在中心位置出现“热点”区域，不同部位干燥速率不同，导致中心“热点”区域出现烧焦问题，合理缓苏可缓解香菇微波体积热分布不均匀的问题。采用分段变功率的干燥方案，可以控制香菇干燥过程中温度保持在安全范围内，而且可以提高能量利用效率。前期微波强度为2.4 W/g，后期微波强度为0.8 W/g，缓苏5 min时，整体温度可以控制在80 ℃以下，既避免热失控现象出现，又尽量提高微波能利用率。本研究结果可用于指导香菇微波干燥工业化生产。
