基于Fluent的烤肉爐性能研究

呂仲明

徐盛林

(武昌首義學(xué)院，湖北 武漢 430064)

傳統(tǒng)的烤肉過程都是在家中或者餐館中進(jìn)行的[1]。目前市場上對烤肉爐已經(jīng)有了一定的研究，按照肉制品加熱方法可將日用烤肉爐分為鐵皮槽烤肉架、電加熱烤肉爐和燃?xì)饪救鉅t三大類。其中，鐵皮槽烤肉架是最原始的烤肉裝置，燃料主要以煤炭為主，雖然裝置結(jié)構(gòu)比較簡單，但燒烤過程產(chǎn)生的熏煙會對人體造成危害，如雙排無煙節(jié)能烤肉爐[2]；在使用電加熱烤肉爐時，需連接電源，不便于攜帶[3]；而燃?xì)饪救鉅t主要用燃?xì)庾鳛闊嵩?，該熱源的?yōu)點是具有燃燒時熱量大、方便清潔，如家用式燃?xì)庠羁救鉅t[4]。目前，便攜式烤肉爐主要加熱方式為燃?xì)饧訜?，但均存在不同程度的問題[5]，比如熱源分布不合理及熱量利用率不高。

本研究為了解決市場上現(xiàn)存烤肉爐的不足以及對烤肉的需求，設(shè)計一種新型的便攜式烤肉爐，并對其進(jìn)行性能檢驗，以期為便攜式烤肉裝置的開發(fā)提供參考。

1 烤肉爐結(jié)構(gòu)

為便于外出攜帶，采用便攜式扁氣罐，以燃?xì)庾鳛闊嵩矗?個小型的紅外線燃燒器分別置于烤肉爐爐膛的左右兩邊，在其中間安裝一個由帶有蝸輪蝸桿減速器的直流電機驅(qū)動的烤肉架。同時為了方便烤肉時滴落的油脂和未撒在烤肉上的調(diào)料不污染外界環(huán)境，在烤肉架下方設(shè)置一個滴油接盤?？救鉅t整體結(jié)構(gòu)見圖1。

該烤肉爐烤肉架采用勻速轉(zhuǎn)動的方式來對肉串進(jìn)行加熱，有效減少食肉局部不熟的現(xiàn)象。該烤肉爐外形呈長方體，長×寬×高為330 mm×250 mm×320 mm，質(zhì)量約6 kg?？救饧芸赏瑫r放置10串肉，保溫絕熱板置于燃燒器上方，與爐蓋相結(jié)合以減少熱量散失?？救鉅t的轉(zhuǎn)動系統(tǒng)由2個同步帶輪在電機作用下勻速轉(zhuǎn)動，烤肉架在烤肉爐前面板內(nèi)側(cè)的2個槽型支撐滾輪和烤肉爐后面板的帶座軸承共同支撐下，使烤肉架中心保持同一水平，從而使肉串實現(xiàn)平穩(wěn)勻速翻轉(zhuǎn)?？救鉅t整體結(jié)構(gòu)緊湊，既滿足了烤肉的工藝要求，又克服了傳統(tǒng)爐子攜帶不便的缺點，使其能夠滿足人們對戶外飲食的要求。

1.把手 2.保溫蓋 3.絕熱板 4.燃燒器 5.分氣閥 6.進(jìn)氣孔 7.電池盒 8.烤肉釬 9.旋轉(zhuǎn)烤架 10.接油盤 11.開關(guān)

圖1 便攜式烤肉爐的整體結(jié)構(gòu)圖
Figure 1 The overall structure of the portable roaster

2 烤肉爐的數(shù)值模擬

通過Fluent流體仿真模擬可以得到爐膛內(nèi)的溫度場分布情況，對該裝置傳熱的有效利用及制造和試驗過程中的優(yōu)化有著重要作用，為今后的試驗和操作過程提供理論依據(jù)[6-7]。

2.1 烤肉爐的物理模型簡化

由于烤肉爐的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在建立其物理模型時，對仿真時網(wǎng)格劃分及后處理會造成困難，故需簡化處理模型，可忽略熱源對提供動力等部件的影響，從而將其看作一個封閉的面，這樣烤肉爐將成為一個四周封閉的區(qū)域[8-9]。圖2為基于ICEM軟件進(jìn)行數(shù)值模擬的簡化模型。

圖2 簡化模型結(jié)構(gòu)圖Figure 2 Structure of simplified model

2.2 烤肉爐計算區(qū)域的網(wǎng)格劃分

烤肉爐在工作時，整個空間的空氣域都會對烤肉爐的運作造成影響，劃分網(wǎng)格時若劃分整個空間的空氣域則會造成網(wǎng)格密集增加計算量，故根據(jù)劃分網(wǎng)格的簡化原則，從而建立延長進(jìn)出口兩端空氣域作為燃燒空間，由于烤肉爐左右兩邊有保溫隔熱板的作用，兩邊的空氣流動相對較少，故忽略兩邊空氣域的作用，將進(jìn)出口兩端的延長長度定為初始模型長度的2倍[10]。從而得到簡化模型的網(wǎng)格圖見圖3。

2.3 烤肉爐模擬計算方法

2.3.1 烤肉爐計算區(qū)域的建立 計算區(qū)域包括烤肉爐底部為進(jìn)氣口、爐蓋縫隙為出氣口、烤肉爐的爐壁及絕熱板所包含的區(qū)域。由于烤肉爐在空載并且熱穩(wěn)態(tài)時，可將空氣看作平面二維流動狀態(tài)，只對二維平面封閉區(qū)域內(nèi)的流體進(jìn)行仿真[11-12]。

圖3 簡化模型燃燒區(qū)域的網(wǎng)格圖Figure 3 Gridding of simplified model

2.3.2 烤肉爐邊界條件的設(shè)置 設(shè)置該烤肉爐的進(jìn)氣口為壓力進(jìn)氣口邊界條件，出氣口為壓力出氣口邊界條件，熱源為恒溫穩(wěn)定時溫度603 K，烤肉爐外殼溫度為穩(wěn)定時溫度330 K，其余邊界設(shè)為絕熱。

2.3.3 數(shù)值算法的設(shè)置 烤肉爐內(nèi)空氣的燃燒及流動是一個復(fù)雜的湍流流動。該模型選擇能量方程，采用k-ε標(biāo)準(zhǔn)方程，選擇熱輻射模型為DO模型，該模型是一種計算燃燒過程中參與性媒體輻射的算法，它屬于熱輻射模型。代數(shù)方程迭代計算采用亞松弛，根據(jù)多次試驗摸索以及同種模型工況的經(jīng)驗[13]設(shè)定，選定的最好松弛因子見表1。

表1 松弛因子的選取Table 1 Selection of relaxation factors

2.4 計算結(jié)果分析

2.4.1 烤肉爐內(nèi)壓力及氣流速度矢量的模擬 烤肉爐爐膛內(nèi)的壓力及氣體速度的矢量圖見圖4。由圖4(a)可知，爐膛內(nèi)壓力分布非常均勻；由圖4(b)可知，氣流矢量運動分布較為均勻。由于燃燒器在燃燒時會卷入空氣，從而使該處氣流速度變大，而未完全燃燒的空氣則會從出氣口處順著烤肉架方向流出，由于出氣口處截面積減少，故氣流速度會變大，可見最大處發(fā)生在烤肉爐進(jìn)出口處，故該烤肉爐在壓力場及氣流速度分布方面較為合理。

圖4 烤肉爐爐內(nèi)壓力及氣流速度矢量圖Figure 4 Barbecue grill furnace pressure and airflow velocity vector diagram

2.4.2 烤肉爐內(nèi)空氣溫度場分布的模擬 由圖5可知，烤肉爐爐膛內(nèi)溫度場分布均勻，由于外界溫度較爐內(nèi)溫度低，出口處與外部環(huán)境存在熱交換，故烤肉爐此處溫度相對較低，但是由于烤肉架是勻速轉(zhuǎn)動的，同時燃燒面的熱輻射對肉串的成熟也具有一定的影響，故此并不影響烤肉的質(zhì)量。

圖5 烤肉爐內(nèi)整體空氣溫度場分布圖Figure 5 Barbecue grill air temperature field distribution

根據(jù)上述模擬結(jié)果，該烤肉爐模型的結(jié)構(gòu)較為合理，熱量利用率高，保溫效果好，并且能滿足烤肉爐在工作時外壁的觸碰要求，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。

3 烤肉爐的性能試驗

3.1 試驗結(jié)果

在實驗室進(jìn)行了便攜式烤肉爐的性能測試和烘烤試驗，試驗工況見圖6。

圖6 便攜式烤肉爐的樣機試驗工況Figure 6 Barbecue grill prototype test conditions

將新鮮羊肉切成長×寬×厚近似為60 mm×25 mm×10 mm的長方體樣品，整串羊肉按照3塊瘦肉搭配1塊肥肉的比例進(jìn)行穿制，共制作90串烤肉。通過試驗得出，將烤肉爐燃燒器的火力類型調(diào)節(jié)成小火，烤制時間7 min時烤制出來的肉品質(zhì)較優(yōu)。

3.2 分析及討論

試驗發(fā)現(xiàn)該便攜式烤肉爐適合各類肉制品的烤制加工。該烤肉爐的機械結(jié)構(gòu)分布合理，可以實現(xiàn)肉串的自動旋轉(zhuǎn)加熱以及連續(xù)性烤制，生產(chǎn)效率高且操作簡單。同時為了確定該裝置的烤制效果與電機旋轉(zhuǎn)的速度、烤制溫度以及時間之間的聯(lián)系，后續(xù)還需進(jìn)行正交試驗。

4 結(jié)論

(1) 通過Fluent對便攜式烤肉爐進(jìn)行爐膛的流體熱性能試驗，該烤肉爐在爐膛的壓力、空氣速度矢量及溫度等方面分布較為均勻，說明該便攜式烤肉爐的結(jié)構(gòu)較為合理，熱量利用率較高，保溫效果較好，并且能滿足烤肉爐在工作時外壁的觸碰要求。

(2) 相對于市場上其他的日用烤肉爐，本次研制的新型烤肉爐具有結(jié)構(gòu)緊湊合理、熱利用率高、方便攜帶等優(yōu)點。通過一定時間的運用實踐，檢驗其制品達(dá)到預(yù)期效果，證明該烤肉爐的設(shè)計是正確合理的，故該新型烤肉爐改善了傳統(tǒng)的戶外烤肉方式，減少了油煙對環(huán)境的污染，提高了熱能利用率，具有一定的實用和推廣價值。

(3) 根據(jù)仿真結(jié)果分析可知，需進(jìn)一步研究對燃燒器的最優(yōu)安裝位置，從而減少渦流現(xiàn)象。同時后續(xù)試驗應(yīng)繼續(xù)對烤肉爐進(jìn)行正交試驗，從而驗證該裝置的烤制效果與電機旋轉(zhuǎn)的速度、烤制溫度以及烤制時間之間的聯(lián)系。

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