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車載面包烤箱內溫度場均勻性研究

2022-04-11 02:13崔運靜仇性啟邱洪波王建新
工業(yè)加熱 2022年2期
關鍵詞:均勻度模擬實驗溫度場

薛 飛,曲 燕,崔運靜,仇性啟,邱洪波,王建新,

(1.中國石油大學(華東) 新能源學院,山東 青島 266580; 2.中國石油大學(華東) 機電工程學院,山東 青島 266580;3.云南航天工業(yè)有限公司研發(fā)中心, 云南 昆明 650217)

我國西部邊境多處于高寒高原地區(qū),地形復雜,環(huán)境惡劣,一旦發(fā)生災情,軍用救援的物資供應困難[1]。研究適用于高原高寒地區(qū)的車載烤箱,是解決救援人員食品供應的有效途徑。由于高寒地區(qū)海拔高、晝夜溫差大、風雪天氣多,烤箱等加熱設備在使用時存在效率低、難防凍、易過熱、結構不合理造成的內部流場不穩(wěn)定、溫度場分布不均勻等問題[2]。

烤箱內部熱場分布的均勻性對烤制食物的品質有直接影響,是研究的關鍵。當前評價溫度場均勻性的指標主要有監(jiān)測點的最大溫差[3-8],以及研究者定義的參數,如均勻度[9]等。在改善烤箱內部溫度場均勻性方面,國內外的研究者做了很多有益探索。Smolka等[3]通過調整風扇轉速、加熱器位置、發(fā)熱率等因素,使烤箱溫差減少了39.5%。Williamson等[10]改變加熱器的位置和功率,使溫差減少了25%。方東興等[9]通過調整加熱棒與透氣孔的安裝位置,使烤箱均勻度提高了1.6%。袁弘等[10]通過添加徑向導葉結構、調整加熱管位置、改進加熱管形式和烤箱擋板,使烤箱內的最大溫差減少了55.72%。顧思源等[11]通過改變出風孔位置、風扇回風速度、背部熱風扇蓋板的結構,使烤箱的溫差減少了68.81%。

當前研究主要基于常溫常壓,都是單因素對溫度場均勻性的影響,沒有涉及高原高寒環(huán)境以及多因素的影響。另外,商用烤箱主要是電加熱,而軍工烤箱常采用熱風加熱。熱風加熱烤箱內的傳熱過程主要包括:流體與食物的強制對流換熱、流體與烤箱內壁的對流換熱以及烤箱內壁與食物的輻射傳熱,即輻射-對流耦合傳熱過程[13]。該耦合傳熱的求解方法主要有兩類:①基于射線跟蹤的方法,主要包括區(qū)域法、蒙特卡洛法、離散傳遞法[14];②基于輻射傳輸方程的方法,主要包括[15]球形諧波法、離散坐標法、有限元法、有限體積法。后者計算效率高,適用性強。其中,有限體積法應用最廣泛,計算結果更易收斂且精度高[16]。

本文以高原高寒環(huán)境下工作的車載面包烤箱為研究對象,建立三維模型,設計正交模擬實驗,研究多孔板開孔高度、布風室寬度、進風流速、發(fā)射率四個因素對烤箱內部溫度場均勻性的影響,指導優(yōu)化烤箱結構設計。

1 烤箱傳熱模型

1.1 幾何模型

圖1 烤箱的幾何模型

表1 熱物性參數表

1.2 數學模型

將該問題進行如下簡化:①換熱介質空氣為不可壓縮牛頓流體,體積力忽略不計;②三維、穩(wěn)態(tài)問題;③湍流對流換熱采用雷諾時均方程;④不考慮內熱源。

三維穩(wěn)態(tài)的湍流強制對流傳熱問題的數學描寫如下:

(1)

(2)

(3)

Realizablek-ε模型:

(4)

(5)

式中:k為湍動能;ε為耗散率。

C1ε=1.44,C2ε=1.92,σk=1.0,σε=1.3;μt=cμρk2/ε;μt為動力黏度;cμ=0.09。

類比思維是根據兩個或多個對象的內部屬性、關系等就某些問題的相似性而推出他們在其他方面也可能相似的一種推理思維形式,是數學探索中常用的一種數學思維方法。它可以幫助學生盡快理解新知識,特別是難點的理解。比如,在介紹連續(xù)型隨機變量X的概率密度的概念時,書本中直接給出滿足F(x)=f(t)dt的非負可積函數f(x)為X的密度函數。學生會很難理解這一概念,教師可以設計如下問題:

邊界條件的設置如圖2和表2所示。初始溫度為Tinit=243.15 K,初始壓力為Pinit=0.8 bar(下標init表示初始時刻)。

表2 邊界條件設置

圖2 邊界劃分

1.3 網格劃分

網格劃分如圖3,在面包和多孔板表面進行了局部加密處理。經網格無關性驗證,確定網格數為475萬。

圖3 網格劃分

1.4 算 法

輻射計算采用S2S輻射模型。采用有限體積法對控制方程進行離散,SIMPLE算法進行求解。由計算區(qū)域內的初始壓力場迭代計算對應的速度場,在滿足連續(xù)性方程的基礎上,將此迭代層次導出的壓力修正和速度修正值修正原壓力和速度,作為下一層次迭代計算的初值,直到獲得收斂解。

1.5 模型驗證

采用文獻[11]的實驗數據,驗證計算模型。實驗用烤箱結構如圖4所示,下、中、上三層烤架共布置了27 個測點。

圖4 驗證模型

圖5對比了27個測點的實驗值與模擬值,溫度值平均偏差為6.68%,最大偏差為8.17%。偏差原因為:①烤箱會出現散熱漏熱;②烤箱加熱管無法實現穩(wěn)定供熱。誤差在可接受范圍內,證明了計算結果的可靠性。

圖5 模擬值與實驗值對比

2 正交模擬實驗

對影響溫度場均勻性的4個關鍵參數多孔板開孔高度(A)、布風室寬度(B)、進口風速(C)、發(fā)射率(D)進行正交模擬實驗。ai,bi,ci,di(i=1, 2, 3)表示不同因素的3個水平(見表3),正交實驗方案如表4所示。

表3 因子水平表

表4 L9(34 )正交實驗方案表

3 結果與討論

3.1 多因素的敏感度分析

引入均勻度σ[9](見式(6)),沿烤箱三個方向等距選擇11個截面(見圖6),進行溫度場均勻性分析。

圖6 截面選取示意圖

(6)

關鍵結構參數對溫度場均勻度的敏感度采用式(7)計算:

Rj=yj,max-yj,min,j=a,b,c,d

(7)

式中:Rj(j=a,b,c,d) 是因素j對應實驗結果yji(i=1,2,3)的極差,Rj的大小反映因素j對實驗值的影響程度,即敏感度。yji(i=1, 2, 3,j=a,b,c,d) 表示因素j第i個水平所在的3組實驗結果的平均值(見式(8)),yji,k(k=1, 2, 3)分別表示因素j第i個水平所對應的3組實驗結果,則因素j對應實驗結果yji(i=1, 2, 3) 最大值/最小值所在的水平即為因素j的最優(yōu)水平。

(8)

如表5所示,4個烤箱關鍵結構參數的敏感度按大小依次是:進口風速(C)> 多孔板開孔高度(A)>布風室寬度(B)> 發(fā)射率(D)。其中,C與A的敏感度分別為D敏感度的3.3倍和2.5倍,說明進口風速與多孔板開孔高度對溫度場均勻性的影響較大,對表面發(fā)射率的影響最小。

表5 溫度均勻度敏感度分析表

3.2 優(yōu)化方案與原方案的熱場分析

在正交模擬實驗范圍內,使烤箱內部溫度場均勻度最高的4個參數組成的最優(yōu)水平為:多孔板開孔高度3.6 mm,布風室寬度80 mm,進口風速5 m/s,烤箱內壁發(fā)射率0.9。表6列出了烤箱結構的初始方案和最優(yōu)水平組成的優(yōu)化方案。

表6 優(yōu)化前后烤箱結構方案

圖7對比了烤箱的溫度場(左側為原方案,右側為優(yōu)化方案,下同)??鞠涞撞恳驗榭拷鼰犸L及面包出口,溫度較低;沿烤箱高度方向,截面的中心溫度低、邊界溫度高,因為邊界區(qū)域受烤箱多孔板熱風的影響更直接。優(yōu)化后的烤箱,x與z方向上,高溫區(qū)域增加,烤箱底部的低溫區(qū)域減少;y方向上,烤箱中心溫度明顯提高,與邊界高溫區(qū)的溫差由101 K縮小到50 K。表7對比了兩種方案在x、y、z方向截面的最大溫差△Tx,△Ty,△Tz分別減少了35.0%,50.5%,48.5%,溫度均勻度提高6.7%,烤箱內溫度場的均勻性得到改善。

表7 溫度場計算結果

圖7 烤箱的溫度場

圖8對比了烤箱內的速度場。熱風進入烤箱后,較大的進口風速會在烤箱頂部形成高速回流區(qū),增大熱損失。優(yōu)化方案中進口風速降低,多孔板開孔高度和布風室寬度增大。開孔高度增加使同樣進口風速下的風量加大,布風室寬度增大使布風氣流更平穩(wěn),減少了烤箱內的局部渦流和死角。進口風速降低,使得多孔板兩側送風以及內部溫度場分布更均勻。

圖8 烤箱的速度場

4 結 論

本文對車載面包烤箱建立了三維穩(wěn)態(tài)湍流強制對流模型,設計了4因素3水平的正交模擬實驗,研究了4個關鍵參數對烤箱內部溫度場均勻性的影響。

(1)通過敏感度分析,得到4個關鍵參數對溫度均勻度的影響程度從大到小依次是:進口風速 (C)> 多孔板開孔高度(A) > 布風室寬度 (B)> 發(fā)射率 (D)。C與A的敏感度值分別為D敏感度值的3.3倍和2.5倍,在結構優(yōu)化中應優(yōu)先考慮。

(2)通過正交模擬實驗,得到了溫度場最均勻的烤箱優(yōu)化方案:多孔板開孔高度為3.6 mm、布風室寬度為80 mm、進口風速為5 m/s、發(fā)射率為0.9。相比原烤箱,沿x,y,z截面的最大溫差分別減小了35.0%,50.5%,48.5%,溫度均勻度提高了6.7%。

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