烈火阿拉斯加（baked Alaska）是一道能讓晚宴上的賓客嘖嘖稱奇的甜品。這款經(jīng)典的待客甜品的底層為海綿蛋糕，蛋糕表面鋪滿冰淇淋，上面覆蓋蛋白糖霜。為了使甜品表面的蛋白糖霜焦糖化，需要將它放入烤箱中烘烤，但保持內(nèi)部冰淇淋為凍結(jié)狀態(tài)。本文我們將利用 COMSOL Multiphysics? 軟件的傳熱仿真功能，揭開制作烈火阿拉斯加蛋糕冰激淋的奧秘。

烈火阿拉斯加：甜品中的冰與火之歌

制作奢華的烈火阿拉斯加蛋糕時，先將冰淇淋放入蛋糕盤中，或者放入碗中制成經(jīng)典的圓頂形狀。然后用海綿蛋糕片蓋住冰淇淋，制成甜點的底部。接著將冰淇淋和海綿蛋糕倒過來放到淺盤中，并用蛋白糖霜（將蛋白和砂糖攪打至硬性發(fā)泡狀態(tài)）蓋住冰淇淋，就像用霜覆蓋蛋糕。最后，將整個甜點放入烤箱中，加熱足夠長的時間使蛋白糖霜焦糖化，但時間也不能過長，以免冰淇淋融化。

經(jīng)典的圓頂型烈火阿拉斯加，冰淇淋四周覆蓋了一層焦糖化的蛋白糖霜。

據(jù)說，“烈火阿拉斯加”的名字首次出現(xiàn)在 1867 年美國紐約市的 Delmonico 餐館中，是為了慶祝從俄羅斯帝國購得阿拉斯加而起的。不過，烈火阿拉斯加的真實起源仍然存在爭議。

烈火阿拉斯加背后的物理原理

利用泡沫成分（蛋白糖霜和海綿蛋糕）的蜂窩結(jié)構(gòu)內(nèi)滯留空氣的絕緣性能，即使被放置在散發(fā)熱量的烤箱中，烈火阿拉斯加中的冰淇淋也能凍結(jié)不化。由于包裹冰淇淋的蛋白糖霜和海綿蛋糕的導(dǎo)熱性能很差，烤箱內(nèi)的劇烈的熱量不能傳遞給冰淇淋。

冰淇淋大約在 -3°C 時開始融化，所以必須在冰淇淋內(nèi)的溫度接近融點前將蛋白糖霜焦糖化。影響冰淇淋內(nèi)溫度的主導(dǎo)因素有：

• 烈火阿拉斯加各成分的初始溫度
• 烤箱溫度
• 在烤箱內(nèi)的時間
• 蛋白糖霜層的厚度

我們可以使用 COMSOL Multiphysics 建立烈火阿拉斯加模型對上述因素進行模擬。通過這種仿真，我們可以洞察每種因素對冰激淋內(nèi)部溫度的量化影響，確保甜點每次都能驚艷地亮相在餐桌上。

利用 COMSOL Multiphysics? 分析烈火阿拉斯加中的傳熱現(xiàn)象

在建立烈火阿拉斯加模型的幾何結(jié)構(gòu)時，我們采用半球體來表示甜品中常見的圓頂。阿拉斯加模型的幾何結(jié)構(gòu)包含底部的海綿蛋糕層、圓頂狀冰淇淋以及覆蓋在冰淇淋上的一層蛋白糖霜。我們將蛋白糖霜層的厚度添加為一個參數(shù)，以便靈活調(diào)整。糖霜的初始厚度設(shè)置為 2cm。

同理，將烤箱溫度添加為一個參數(shù)，初始值設(shè)置為 250°C。有些食譜要求烤箱溫度約 220°C，烹飪時間 8~10 分鐘。有些食譜則建議使用 250°C 左右的更高溫度，僅需在烤箱內(nèi)加熱幾分鐘。我們將通過仿真來證實這兩種情況是否能烘焙出期望中的甜點。

我們使用 COMSOL Multiphysics 的固體傳熱接口建立了一個瞬態(tài)傳熱仿真。然后，需要提供冰淇淋、蛋白糖霜和海綿蛋糕的密度、熱導(dǎo)率和熱容量作為仿真輸入。我們使用 Vega 等人編著的書籍：《把廚房當(dāng)作實驗室：對食物和烹飪科學(xué)的思考》（The Kitchen as Laboratory: Reflections on the Science of Food and Cooking）中的數(shù)據(jù)進行仿真。

將材料屬性添加到三個材料節(jié)點中，并指定給幾何結(jié)構(gòu)中的冰淇淋、蛋白糖霜和海綿蛋糕等不同的域。數(shù)據(jù)顯示，蛋白糖霜和海綿蛋糕的導(dǎo)熱性能都很差，這意味著二者為覆蓋在底層的冰淇淋提供了充分的熱絕緣。

為了模擬傳熱，固體傳熱接口使用了三種材料屬性。

將冰淇淋的初始溫度設(shè)為 -18°C（冰箱的典型溫度），蛋白糖霜設(shè)為 8°C（冰箱內(nèi)儲存雞蛋的典型溫度），海綿蛋糕設(shè)為 20°C（室溫）。

對于邊界條件，采用一個傳熱系數(shù)很大的熱通量來表示烤箱內(nèi)影響烈火阿拉斯加溫度的對流熱通量。

我們可以建立一個瞬態(tài)研究來模擬烈火阿拉斯加內(nèi)的溫度，從放入烤箱中的那一刻開始模擬，然后停留 12 分鐘，這個時間比大部分食譜要求的時間略長。然后，添加一個全參數(shù)掃描來分析不斷變化的蛋白糖霜層和烤箱溫度帶來的影響。下圖展示了如何選擇任意兩個參數(shù)與時間進行組合，并繪制相應(yīng)的溫度分布。

選擇蛋白糖霜層、烤箱溫度和時間的參數(shù)值，將其應(yīng)用于全參數(shù)瞬態(tài)仿真。

下面的體圖顯示了仿真的初步結(jié)果——烈火阿拉斯加內(nèi)的完整溫度分布。

4 分鐘后烈火阿拉斯加內(nèi)的溫度場（攝氏度），蛋白糖霜層厚度為 2 cm，烤箱內(nèi)溫度為 250°C。

接下來，我們要利用橫截面溫度曲線來進行更為量化的分析。之后，我們還會對模型進行擴展，并舉例說明如何通過改變其中一個初始溫度來分析：如果在放進烤箱之前將烈火阿拉斯加解凍一會兒的話，將會發(fā)生何種情況。

烈火阿拉斯加中的冰淇淋會融化嗎？

根據(jù)仿真中的各種參數(shù)值組合，我們分析了以下兩種情況：

蛋白糖霜層的厚度為 1cm，烤箱的最低溫度為 200°C，在烤箱內(nèi)加熱 4、8、12 分鐘；

蛋白糖霜層的厚度為 2cm，烤箱的最低溫度為 250°C，在烤箱內(nèi)加熱 4、8、12 分鐘。

冰淇淋保持不融化的條件是：靠近蛋白糖霜或海綿蛋糕的冰淇淋溫度保持在 -3°C 或以下。

薄層蛋白糖霜和較低的溫度

下圖顯示了當(dāng)?shù)鞍滋撬獙雍穸葹?1cm，烤箱的頂部和底部溫度均為 200°C，加熱了 4、8 和 12 分鐘后，烈火阿拉斯加中心的溫度。后文中的繪圖使用三維截線數(shù)據(jù)集來計算從底部至頂部沿中心線的溫度。溫度繪圖采用了一維繪圖組中的線圖繪制。

加熱 4 分鐘（藍色線）、8 分鐘（綠色線）和 12 分鐘（紅色線）后，烈火阿拉斯加從底部到頂部的溫度分布。

在下方的特寫圖中，使用額外的水平線和垂直線分別表示冰淇淋的融點和蛋白糖霜和冰淇淋的邊界。我們通過在同一繪圖組中新添加一個線繪圖節(jié)點，然后使用兩個參數(shù)來定義上述的數(shù)值水平，來創(chuàng)建這兩條線。

加熱 4 分鐘（藍色線）、8 分鐘（綠色線）和 12 分鐘（紅色線）后，烈火阿拉斯加從底部到頂部的溫度情況。黑色虛線表示冰淇淋的融點，垂直的品紅色線表示蛋白糖霜和冰淇淋的邊界。8 分鐘后冰淇淋的外部開始融化。

仿真結(jié)果表明，4 分鐘后冰淇淋仍然是完整的，8 分鐘后由于 1cm 的蛋白糖霜層太薄，冰淇淋外部開始融化。如有必要，可以將蛋白糖霜層厚度改為 2cm，烈火阿拉斯加就能在烤箱內(nèi)保持 12 分鐘。

厚層蛋白糖霜和較高的溫度

讓我們改用另一個參數(shù)方案，看一看如果把蛋白糖霜的厚度增加到 2cm，烤箱的溫度增加到 250°C 后會發(fā)生什么情況。下圖顯示了烈火阿拉斯加從底部到頂部的溫度分布結(jié)果。

加熱 4 分鐘（藍色）、8 分鐘（綠色）和 12 分鐘（紅色）后，烈火阿拉斯加從底部到頂部的溫度情況。盡管烤箱內(nèi)溫度增加，但是 8分鐘后冰淇淋的外部仍處于凍結(jié)狀態(tài)，這是因為蛋白糖霜層變厚了。

仿真結(jié)果表明，8 分鐘后冰淇淋仍然沒有融化，這是因為將冰淇淋與高溫隔離開的蛋白糖霜層變厚了。很多版本的烈火阿拉斯加食譜都要求烤箱溫度設(shè)定為 250°C，烘烤時間設(shè)定為 4~5 分鐘。COMSOL Multiphysics 仿真證實了在蛋白糖霜層厚度為 2cm 的條件下，經(jīng)歷了以上溫度和烘烤時間的冰淇淋應(yīng)該能夠保持完整。

使用稍微融化的冰淇淋

現(xiàn)在我們考慮將冰淇淋從冷凍箱中取出并放置一段時間的情況。現(xiàn)實中，一些面點師希望利用這種方式使冰淇淋更容易形成圓頂狀。我們再次回到仿真中，將蛋白糖霜層的厚度設(shè)為 2cm，烤箱溫度設(shè)為 250°C，不過冰淇淋的初始溫度被改為 -10°C，而不是 -18°C，由此計算出以下結(jié)果。

加熱 2 分鐘（藍色）、4 分鐘（綠色）和 8 分鐘（紅色）后，烈火阿拉斯加從底部到頂部的溫度。4 分鐘后冰淇淋已經(jīng)開始融化了。

不出所料，冰淇淋的溫度越高，達到融點的速度就越快，因此務(wù)必保持冰淇淋的溫度盡可能地低。最后一種情況，大約 3 分鐘后冰淇淋就變得易融化，如果不盡快處理烈火阿拉斯加，等到放到餐桌上時它可能就稍微有些融化了。

準(zhǔn)備好開動了嗎？

簡單來說，以上仿真表明：如果蛋白糖霜層足夠厚，烘烤時間適當(dāng)?shù)亩蹋冶苛軠囟缺M可能地低，你就能制作出一道外部呈現(xiàn)出完美焦糖化的蛋白糖霜，內(nèi)部包裹著美味的冰凍冰淇淋的成品甜點。而這道表面上違反熱力學(xué)定律的甜點將給客人留下深刻的印象。

借助COMSOL Multiphysics，我們可以確定發(fā)揮熱絕緣作用的蛋白糖霜層和海綿蛋糕能夠阻止烤箱內(nèi)強烈的熱量將冰淇淋融化。現(xiàn)在，你可以充滿信心地制作一道完美的烈火阿拉斯加了，盡情享用美食吧！

本文內(nèi)容來自 COMSOL 博客