金恩來(lái)，王超，金浩哲

基于CFD的家用多功能蒸烤箱溫度分布均勻性的改進(jìn)措施

金恩來(lái)1，王超2，金浩哲2

（1.杭州九陽(yáng)小家電有限公司技術(shù)研發(fā)部，浙江 杭州 310018；2.浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江 杭州 310018）

針對(duì)強(qiáng)制對(duì)流蒸烤箱內(nèi)腔存在的溫度分布不均勻的現(xiàn)象，基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的方法對(duì)蒸烤箱內(nèi)腔的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。分別對(duì)比分析了提升加熱管功率、增添?yè)躏L(fēng)罩結(jié)構(gòu)、增加熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速后的蒸烤箱內(nèi)腔的平均溫度和溫度標(biāo)準(zhǔn)差。研究結(jié)果表明，增大加熱管功率能夠提升內(nèi)腔的整體溫度，但也會(huì)加重溫度分布不均勻的現(xiàn)象；增添?yè)躏L(fēng)罩結(jié)構(gòu)和能夠有效均勻內(nèi)腔溫度，但會(huì)降低內(nèi)腔的平均溫度；增加熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不影響內(nèi)腔的平均溫度且能夠促進(jìn)溫度的均勻分布。最終選擇增添?yè)躏L(fēng)罩并增加熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速作為蒸烤箱改善溫度分布不均勻現(xiàn)象的最佳措施。

蒸烤箱；加熱管功率；擋風(fēng)罩；熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速

1 引言

隨著人們生活品質(zhì)的提高以及宅人消費(fèi)時(shí)代的到來(lái)，便捷、健康的烹飪方式越來(lái)越被現(xiàn)代人所追捧?？鞠渥鳛橐环N快速加熱的家電廚具，一直深受消費(fèi)者的青睞。傳統(tǒng)的烤箱在加熱過(guò)程中易造成菜品水分的大量流失，不僅影響菜品的鮮美，過(guò)多食用還會(huì)危害人體的健康[1]。本文所研究的蒸烤箱同時(shí)具備蒸和烤兩種功能，烤是通過(guò)箱側(cè)的加熱管對(duì)食物進(jìn)行烘烤，蒸則是通過(guò)箱底發(fā)熱盤(pán)將水加熱成蒸汽以維持烘烤環(huán)境的濕度，從而達(dá)到烤制食物目標(biāo)的同時(shí)，還能夠有效保持食物中的水分含量。但蒸烤箱內(nèi)腔普遍存在著溫度分布不均勻的現(xiàn)象，溫度分布的均勻性將會(huì)直接影響到烤制食物的美味程度，也是衡量蒸烤箱性能的重要指標(biāo)。如何采取有效的措施改進(jìn)蒸烤箱內(nèi)腔的溫度分布不均勻現(xiàn)象是本文研究的主要目標(biāo)。

許多專(zhuān)家、學(xué)者和工作人員已經(jīng)通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)烤箱內(nèi)部傳熱情況和優(yōu)化方案作出了分析總結(jié)，為本文研究奠定了理論基礎(chǔ)。張藍(lán)心等[2]通過(guò)分析改進(jìn)烤箱蓋板結(jié)構(gòu)和提高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速后的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)，研究了烤箱內(nèi)部的加熱情況。MICAEL等[3]瞬時(shí)模擬了速度場(chǎng)的變化情況，分析風(fēng)扇轉(zhuǎn)速是影響對(duì)流傳熱強(qiáng)弱的主要因素。劉俊等[4]通過(guò)增設(shè)擋板有效抑制了中心漩渦導(dǎo)致的熱堆積現(xiàn)象，提高了腔體內(nèi)熱流分布的均勻性。袁宏[5]對(duì)強(qiáng)制對(duì)流烤箱提出了增添徑向?qū)~、柵格型擋風(fēng)板、新型格柵等三種優(yōu)化方案。CHHANWAL等[6]對(duì)比分析了DTRM、S2S和DO三種熱輻射模型計(jì)算結(jié)果，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在烤箱的數(shù)值模擬中DO模型更加準(zhǔn)確。

本文在上述理論的基礎(chǔ)上對(duì)兼具蒸、烤的新型烤箱進(jìn)行CFD數(shù)值模擬，對(duì)比分析不同加熱管功率、添加擋風(fēng)罩、不同熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速三種改善措施下的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)，以速度梯度和溫度分布均勻度為標(biāo)準(zhǔn)去判斷改進(jìn)措施的優(yōu)良，從而改善蒸烤箱溫度分布不均勻的現(xiàn)象。

2 蒸烤箱數(shù)值模擬過(guò)程

2.1 蒸烤箱的工作原理

蒸烤箱可以分成內(nèi)腔區(qū)，外腔區(qū)，冷、熱風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)區(qū)四個(gè)區(qū)域，內(nèi)腔區(qū)是包含內(nèi)膽、載物盤(pán)、加熱管等，是烤制食物被加熱的區(qū)域，也是本文研究的主要區(qū)域。當(dāng)蒸烤箱開(kāi)始工作時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)冷風(fēng)扇從外界通過(guò)抽風(fēng)口進(jìn)行抽風(fēng)，一部分空氣被送至外腔進(jìn)行降溫，另一部分空氣經(jīng)過(guò)熱風(fēng)扇進(jìn)入內(nèi)腔在加熱管熱輻射和對(duì)流換熱的加熱作用下進(jìn)入內(nèi)腔進(jìn)行熱傳遞，熱風(fēng)的循環(huán)加速了由發(fā)熱盤(pán)蒸發(fā)的水蒸汽的擴(kuò)散，從而保證內(nèi)腔的溫度和濕度。

2.2 模型簡(jiǎn)化及網(wǎng)格劃分

根據(jù)蒸烤箱的工作原理簡(jiǎn)化建立蒸烤箱模型并使用ICEM對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于蒸烤箱內(nèi)部存在鏤空載物網(wǎng)盤(pán)和冷、熱風(fēng)扇等一系列不規(guī)則復(fù)雜幾何尺寸，因此，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，通過(guò)增加網(wǎng)格數(shù)量增加計(jì)算精度，劃分后的網(wǎng)格數(shù)量為248萬(wàn)。

2.3 數(shù)值模型及邊界條件

速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)是本文研究的重點(diǎn)，采用準(zhǔn)確的湍流模型、換熱模型和邊界條件是必要的，熱風(fēng)扇加劇了內(nèi)腔中空氣的湍流流動(dòng)且形成漩渦，采用注重旋流RNG k-ε湍流模型最為合適[7]。內(nèi)腔中存在傳熱方式有加熱管的熱輻射、空氣和加熱管壁面間的強(qiáng)制對(duì)流換熱和空氣間的熱傳導(dǎo)。加熱管輻射模型選為DO（Discrete Ordinates）模型，并開(kāi)啟能量方程，來(lái)觀察其對(duì)流換熱和熱傳導(dǎo)結(jié)果。邊界條件按照工作原理進(jìn)行設(shè)置，其中風(fēng)扇采用動(dòng)網(wǎng)格中的多重參考系（MRF）模型，外腔出風(fēng)口設(shè)置為Outflow[8-9]。

蒸烤箱內(nèi)部流動(dòng)介質(zhì)為空氣，加熱管材料、內(nèi)膽和載物盤(pán)的材料為不銹鋼，外殼材料為PBT塑膠，材料性質(zhì)如表1所示[10]。

表1 傳熱介質(zhì)性質(zhì)參數(shù)

介質(zhì)密度/（kg·m-3）粘度/（J·kg-1·K-1）熱導(dǎo)率 /（W·m-1·K-1） 空氣1.1651 0060.024 不銹鋼8 03050217 PBT塑膠1.31 3400.27

3 計(jì)算結(jié)果及分析

對(duì)優(yōu)化前、不同加熱管功率、添加擋風(fēng)罩和不同熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下的蒸烤箱進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析速度云圖和溫度云圖的變化規(guī)律。對(duì)載物網(wǎng)盤(pán)的6個(gè)位置進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，計(jì)算溫度平均值，并通過(guò)式（1）計(jì)算溫度標(biāo)準(zhǔn)差，通過(guò)平均溫度和標(biāo)準(zhǔn)差總結(jié)改善措施的優(yōu)良：

3.1 優(yōu)化前蒸烤箱性能

優(yōu)化前蒸烤箱溫度、速度云圖如圖1所示。

圖1 優(yōu)化前蒸烤箱溫度、速度云圖

圖1為1 500 W加熱管功率3 000 r/min熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下的速度、溫度云圖，風(fēng)扇正下方和鏤空載物盤(pán)底部?jī)蓚?cè)存在低速區(qū)，高速區(qū)溫度明顯高于低速區(qū)溫度，由于鏤空載物盤(pán)的阻力，上部溫度高于下部溫度。

優(yōu)化前蒸烤箱內(nèi)腔不能夠滿(mǎn)足理想的蒸汽的擴(kuò)散和溫度的均勻分布，因此，分別采取增大加熱管功率、增加熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速、添加擋風(fēng)罩等措施進(jìn)行改進(jìn)，模擬結(jié)果如下。

3.2 增大加熱管功率

原烤箱加熱管功率為1 500 W，現(xiàn)對(duì)1 555 W、1 600 W、1 689 W、1 778 W加熱管功率進(jìn)行數(shù)值模擬。不同功率下的監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均溫度和標(biāo)準(zhǔn)差如圖2所示，隨加熱管功率的升高，內(nèi)腔平均溫度逐漸升高，但同時(shí)溫度分布不均現(xiàn)象也愈加明顯。因此，不建議通過(guò)增加加熱管功率來(lái)改善蒸烤箱內(nèi)溫度分布。

3.3 添加擋風(fēng)罩

在熱風(fēng)扇下方添加擋風(fēng)罩將會(huì)直接改變空氣在內(nèi)腔中流動(dòng)方向，擋風(fēng)罩的添加位置如圖3所示。添加擋風(fēng)罩后的速度、溫度云圖如圖4所示，根據(jù)圖4可知，其內(nèi)腔平均溫度較優(yōu)化前整體溫度下降了4 ℃，溫度標(biāo)準(zhǔn)差較之前下降了1.44 ℃。內(nèi)腔平均溫度雖比優(yōu)化前的平均溫度整體要低，但對(duì)溫度分布不均有所改善，鏤空載物盤(pán)上部和下部溫度分布也更加平均。熱風(fēng)扇下方依舊產(chǎn)生了低速區(qū)，但其產(chǎn)生的原理和優(yōu)化前的并不相同。添加擋風(fēng)罩形成的低速區(qū)是因?yàn)閾躏L(fēng)罩改變了空氣的流動(dòng)方向，側(cè)面的空氣因?yàn)轱L(fēng)扇動(dòng)力不足無(wú)法到達(dá)中部區(qū)域，而優(yōu)化前僅僅是因?yàn)闊犸L(fēng)扇下方存在低速區(qū)。

圖2 不同加熱管功率的溫度折線圖

圖3 擋風(fēng)罩位置示意圖

圖4 添加擋風(fēng)罩后的速度、溫度云圖

3.4 增加熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速

增加熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速會(huì)增加內(nèi)腔空氣運(yùn)動(dòng)的湍動(dòng)能，利于空氣間的熱傳導(dǎo)。優(yōu)化前蒸烤箱熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，現(xiàn)對(duì)3 250 r/min、3 500 r/min、3 750 r/min、4 000 r/min進(jìn)行數(shù)值模擬。不同熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下的平均溫度和標(biāo)準(zhǔn)差如圖5所示，隨著熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的增加，溫度標(biāo)準(zhǔn)差逐漸減少，內(nèi)腔平均溫度并未改變。因此，增加熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速是改善溫度均勻分布的有效措施。

3.5 添加擋風(fēng)罩并增加風(fēng)扇轉(zhuǎn)速結(jié)合優(yōu)化

根據(jù)上述研究?jī)?nèi)容，添加擋風(fēng)罩能有效平均溫度的分布，但同時(shí)也會(huì)降低內(nèi)腔的平均溫度。增加風(fēng)扇轉(zhuǎn)速也能夠有效平均溫度的分布，還能夠保持平均溫度不變。因此，結(jié)合兩種方案進(jìn)行優(yōu)化。在添加擋風(fēng)罩的情況下，數(shù)值模擬分析了3 000 r/min、3 250 r/min、3 500 r/min、3 750 r/min、4 000 r/min的平均溫度和溫度標(biāo)準(zhǔn)差如圖6所示，平均溫度基本保持不變，且隨著轉(zhuǎn)速增加，溫度標(biāo)準(zhǔn)差逐漸降低，且比僅增加風(fēng)扇轉(zhuǎn)速時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)差更低，是改善溫度分布不均的最優(yōu)改進(jìn)方案。

圖5 不同熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下的溫度折線圖

圖6 添加擋風(fēng)罩后不同熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的溫度折線圖

4 結(jié)論

本文對(duì)蒸烤箱采取增加加熱管的功率、添加擋風(fēng)罩、增加風(fēng)扇轉(zhuǎn)速三種改進(jìn)措施進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合速度、溫度云圖分析三種措施對(duì)平均溫度和溫度標(biāo)準(zhǔn)差的影響。選擇添加擋風(fēng)罩并增加風(fēng)扇轉(zhuǎn)速作為蒸烤箱最終改進(jìn)措施。得到以下結(jié)論：①提升加熱管功率，能夠升高內(nèi)腔的平均溫度，但會(huì)加劇溫度的分布不均；②添加擋風(fēng)罩，能夠有效促進(jìn)溫度的均勻分布，但會(huì)造成內(nèi)腔平均溫度的下降；③增加熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，在保持內(nèi)腔平均溫度不變的同時(shí)，還能夠有效促進(jìn)溫度的均勻分布；④添加擋風(fēng)罩并增加熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不僅能夠保持內(nèi)腔平均溫度不變，還能夠最有效地平衡溫度的分布，是改善溫度分布不均的最優(yōu)改進(jìn)方案。

［1］ANISHAPAVIN A，CHHANWAL N，INDRANI D，et al.An investigation of bread-baking process in a pilot-scale electrical heating oven using computational fluid dynamics［J］.Journal of food science，2010，75（9）：E605-11.

［2］張藍(lán)心，劉東，項(xiàng)琳琳，等.不同運(yùn)行模式下烤箱內(nèi)腔溫度場(chǎng)的優(yōu)化研究［J］.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2015，34（3）：33-51.

［3］MICAEL B，BERNARD M，MICCHEL D，et al.CFD modeling of heat transfer and flow field in a bakery pilot oven［J］.Journal of food engineering，2009，97（3）：393-402.

［4］劉俊，劉東，杭寅.烘箱內(nèi)部熱環(huán)境的數(shù)值模擬研究［J］.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2006（4）：78-85.

［5］袁宏.強(qiáng)制對(duì)流烤箱流動(dòng)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化［D］.杭州：浙江大學(xué)，2018.

［6］CHHANWAL N，INDRANI D，RAGHAVARAO K S M S，et al.Computational fluid dynamics modeling of bread baking process［J］.Food research international，2011，44（4）：978-983.

［7］田松濤，高振江.基于Fluent的氣體射流沖擊烤箱氣流分配室改進(jìn)設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代食品科技，2009，25（6）：612-616.

［8］郭磊.對(duì)FLUENT輻射模型的數(shù)值計(jì)算與分析［J］.制冷與空調(diào)，2014，28（3）：358-360.

［9］MISTRY H，Ganapathi-subbu，DEY S，et al.Modeling of transient natural convection heat transfer in electric ovens［J］.Applied thermal engineering，2006，26（17）：2448-2456.

［10］陶敏，吳亮宏，鮑鑫.家用烤箱溫度分布特性研究進(jìn)展［J］.家電科技，2018（12）：20-23.

TB472

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.01.002

2095－6835（2021）01－0003－03

金恩來(lái)（1985—），男，本科，工程師中級(jí)，主要從事廚房電器的研究和開(kāi)發(fā)。

〔編輯：張思楠〕