森永乳業開發和生產乳制品和非乳制品。他們產品包括牛奶，奶酪，乳制品飲料，酸奶，冰淇淋，嬰兒配方奶粉等等。它們還生產，如乳鐵蛋白和長雙歧桿菌。企業口號是“設計美味”。為了實現他們的承諾，森永乳業不斷追求技術進步，以幫助他們提高生產質量，健康和可靠的產品。

為了提高生產效率并確保食品衛生，森永乳業進行了自己的設備和設施研發。設備研究實驗室是森永乳業研究所之一，負責設備設計和開發。

開發新產品通常需要新設備。該設備是由森永乳業設計和制造的，盡管有時會與合作單位合作。在對新設備進行徹底檢查之后，將其用于生產。森永乳業進行了廣泛的研究，例如食品工程，制造工藝技術和生產技術。他們的研究成果包括新設備，例如制造的無菌閥，自動檢查設備等等。特別是將低濃度氯水的特性活用于食品制造工序的微酸性電解水制造裝置“PureStar”獲得了日本食品工學會獎技術獎等，備受矚目。

宮本哲夫（Etsuo Miyamoto）

工程學研究室高級研究科學家，工程學博士

衛生和滅菌是決定食品生產質量的關鍵因素。每種產品使用不同的衛生和條件等級度量。對于一種產品，可以通過將產品冷藏兩周來確保衛生安全。另一種產品可能需要在室溫下保存三個月。

生產過程技術還取決于產品類型。例如，粉末食品的制造需要某種干燥技術。酸奶的生產需要發酵技術。冰淇淋生產涉及冷凍技術。用于這些過程的設備的開發可能涉及計算流體力學（CFD）。森CFD工程研究實驗室的高級研究科學家Tetsuo Miyamoto先生透露，與以前使用的基于經驗，教科書方法相比，該公司近年來已轉向CFD導向的開發研究。

將CFD應用于奶油的擴大銷售，

以達到西點師傅認可的品質。

森永乳業從2008年開始使用Cradle。Miyamoto從2010年開始使用它。當他們的工程師認識到使用CFD來幫助提高產品質量，便開始使用它。在此之前，設備升級是基于積累的經驗和實驗結果。為了進一步提高設備性能，該公司決定開始使用CFD評估來幫助他們確定更有效的生產方法。他們的第一個應用是對鮮奶油冷卻儲罐的性能驗證。

奶油是一種水包油（O / W）乳液，由通過離心分離從全脂牛奶中提取的乳脂組成。與糖和調味料混合后，會形成鮮奶油，用于糕點和蛋糕。對打好的奶油施加更大的應力會導致相變，將其轉變為油包水（W / O）乳劑，通常稱為黃油。由于這種不穩定的特性，至關重要的是最大程度地減少奶油生產中的剪切力。

這在乳脂的最終冷卻過程中尤其重要，這決定了乳脂的質量。奶油的“老化”過程旨在促進脂肪小球的重結晶并穩定脂肪小球膜。由于聚結而使脂肪球的粘度增加，導致奶油質量下降。乳脂肪球傾向于聚集更多時攪拌時間越長，當較大的力被施加時，或者當在較高溫度下（5?15 o C）保存。為了生產高質量的奶油，生產設備必須保持一個均勻的冷槽，該槽會產生即時的冷卻效果，并最大程度地降低奶油的剪切力。

圖1：實驗設備示意圖（葉輪1）。

使用實驗和CFD結果重新驗證攪拌罐

如圖1所示，攪拌槽是帶冷卻套的Conical底槽，攪拌用無擋板的錨定型翼進行。森永乳業生產線多年來一直使用相同的葉輪幾何形狀。人們認為這種幾何形狀可最大限度地減少奶油的應力，而且易于清潔。到目前為止，葉輪的幾何形狀和運行條件尚未重新驗證。制作奶油的挑戰是“想盡快冷卻，但希望盡可能地使攪拌平穩”。為了消除奶油所承受的剪切力并保持罐內環境的均勻性，森永乳業決定重新評估葉輪的幾何形狀。

森永乳業工程師首先制作了現有5m 3的十分之一比例的實驗模型。為了改善葉輪并確定旋轉方向進行了許多測試，他們使用Cradle分析了實驗模型。該計算機模型包含550萬個網格。穩態分析用于計算流量，瞬態分析用于計算溫度。

圖2：葉輪1旋轉方向的比較（圖表：實驗結果，直線：CFD結果，正向旋轉：NR，反向旋轉：RR）。

圖3：r-θ 平面和rz平面的速度矢量分布（葉輪1正向旋轉）

圖4：rz平面的溫度分布（葉輪1，θ  = 0o，t = 600s）

圖5：壁表面的熱通量分布和r-θ 平面的溫度分布（葉輪1，z = 0.14m，t = 600s）

圖6：壁表面和r-θ  平面（葉輪2和葉輪3）的剪切力分布

分析變量由三種不同類型的葉輪組成：葉輪1由上刮板組成，該上刮板在朝向壁的刮力方向上旋轉。下刀片沿刮削力的方向旋轉，并朝著底表面作用。葉輪2使用下葉片，且安裝角度相反。葉輪3由上部和下部相位差90°葉片組成，考慮到正向和反向旋轉的影響，森永乳業計算了六個模式并進行了比較。

如圖2所示，葉輪1的實驗和仿真結果吻合良好。森永乳業的工程師確定，通過反向旋轉，上葉片上產生的流向壁的熱量會放大熱通量。他們還發現，流體的均勻性通過上部葉片下部周圍產生的向下流動和下部葉片邊緣的向上流動而得到改善。他們還了解到，通過有意在上下葉片之間產生相位差，可以最大程度地減小剪切應力和軸功率（圖3-6）。森永乳業將這一理論應用到更大的操作罐中，并成功提高了罐的性能，生產效率和產品質量。

結果可視化的有用性

在完成分析后，森永乳業發現層流模擬結果與實驗結果的匹配程度比預期的更要符合實際測量值。可視化結果有助于解釋這種現象。例如，大型葉輪的上揚效果小于預期，流動明顯波動。可視化還幫助工程師解釋現象，發現問題。

尋找有效混合和滅菌的解決方案

另外還用于分析各種各樣的罐。如上所述，除了不造成損傷且快速冷卻外，關于節約能源且快速混合的物質，他們著眼于混合物質的特性和混合效率。            

 另外，還用于分析包裝上填充食品時接觸到的空氣流動以及包裝內部殺菌時的熱風流動。由于200℃以上的高溫熱風，人們往往認為溫度會迅速上升，但實際上由于卷入周圍空氣中，溫度會下降。這樣的事情也可以通過可視化重新理解，然后再考慮改善方法。可視化分析結果有助于森永乳業工程師提高對物理現象的理解并創新改進方法.

有效的后處理器可視化

首次引入Cradle時，森永乳業的工程師在使用3D CAD創建分析模型時比實際使用分析工具時更加費力。與3D工作時使用的2D布局相比，3D工作CAD同。森永乳業工程師迫切希望繼續學習Cradle，用于新分析的其他功能。他們對所提供的技術支持感到滿意。他們還對SC / Tetra中的后處理器可視化功能感到驚訝，該功能在每次版本升級時都得到了改進。“我喜歡SC / Tetra中的流線箭頭和其他后處理器功能。他們在視覺上清晰且插圖精美。”宮本先生說。

進行更復雜分析的挑戰

森永乳業渴望使用CFD解決新挑戰。他們考慮分析混合水果的酸奶和混合堅果和調味料的冰淇淋。在這些產品的制造過程中，氣泡的擴散和冰晶體的生長同時發生。盡管這是一個非常復雜的現象，但森永乳業的工程師們認為CFD可以使他們數學上探索如何修改制造工藝以改善這些乳制品的口味和質量。“我們想要進行的分析將非常復雜。這些將涉及三相多相流。但是我們相信Cradle能夠計算準確的結果。”宮本先生說。

森永乳業的這些CFD應用證明了他們對更高口味的分析追求。Cradle發揮了重要作用，預計將繼續推動森永乳業的產品開發。