強(qiáng)制對(duì)流烤箱預(yù)熱階段的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)特性研究

李云龍

廣東美的廚房電器制造有限公司 廣東佛山 528311

1 引言

烤箱是一種常用的廚房加熱電器，滿足了人們對(duì)肉類燒烤和蛋糕烘焙的需求。圍繞烤箱的加熱特性，已有研究人員開展了一些研究。丁力等分析了烤箱均勻加熱的影響因素，包括頂部出風(fēng)孔的數(shù)量及其分布、風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化和出風(fēng)蓋板的結(jié)構(gòu)等，并指出對(duì)上述三個(gè)因素進(jìn)行優(yōu)化后，烤箱內(nèi)的溫度場(chǎng)均勻性顯著改善[1]。王璟等探究了食材在烤箱內(nèi)的加熱過程，并基于實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值仿真的方法得出了加熱各階段的主要傳熱方式[2]。鄧洋等通過優(yōu)化發(fā)熱管的反射罩結(jié)構(gòu)，提升了燒烤性能，減小了加熱溫差[3]。袁宏等研究了對(duì)流烤箱內(nèi)的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的分布特點(diǎn)，并從抑制流場(chǎng)內(nèi)的大尺度渦流的角度，改善烤箱內(nèi)的氣流流動(dòng)特性，以起到均勻加熱的作用[4]。熊明洲等研究了烘烤時(shí)間和溫度對(duì)蛋糕的烹飪效果的影響[5]。陶敏等分析了家用烤箱的溫度場(chǎng)研究相關(guān)的進(jìn)展，總結(jié)了最新的烤箱加熱均勻性的改善策略[6]。

目前圍繞對(duì)流式烤箱的研究中，用于產(chǎn)生熱風(fēng)對(duì)流的風(fēng)扇及發(fā)熱管通常設(shè)置在烤箱的后部。但一些烤箱的風(fēng)扇設(shè)置在烤箱的頂部，且缺乏風(fēng)扇的位置對(duì)烤箱內(nèi)的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)特性影響的研究?？紤]到烤箱預(yù)熱是烘焙食材的必要步驟，且均勻預(yù)熱是食材受熱均勻的重要前提。因此本文通過數(shù)值仿真方法，對(duì)比了風(fēng)扇分別位于烤箱的后部和頂部的預(yù)熱階段的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的特性，為對(duì)流式烤箱的風(fēng)扇位置的選擇提供了參考。

2 數(shù)值模擬方法

2.1 幾何模型

如圖1所示為風(fēng)扇位于烤箱后部的結(jié)構(gòu)示意圖，該類型烤箱簡(jiǎn)稱為后置式風(fēng)扇烤箱。圖2為風(fēng)扇位于烤箱頂部的結(jié)構(gòu)示意圖，該類型烤箱簡(jiǎn)稱為頂置式風(fēng)扇烤箱?？鞠涞那惑w為不銹鋼材料，烤箱的玻璃門體設(shè)置在烤箱的前部。圖1中的發(fā)熱管設(shè)置在烤箱的后部，圖2中的發(fā)熱管設(shè)置在烤箱的頂部。上述兩種對(duì)流式烤箱僅風(fēng)扇和發(fā)熱管的位置不同，其余結(jié)構(gòu)均相同。

圖1 風(fēng)扇位于后部的烤箱模型

圖2 風(fēng)扇位于頂部的烤箱模型

在圖1中，風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的加熱氣流從烤箱的腔體后部吹向烤箱的門體，該氣流再經(jīng)設(shè)置在腔體后部的吸風(fēng)口重新被風(fēng)扇吸入，實(shí)現(xiàn)烤箱內(nèi)部氣流循環(huán)。在圖2中，風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的加熱氣流從烤箱的腔體頂部吹向烤箱的底部，該氣流再經(jīng)設(shè)置在腔體頂部的吸風(fēng)口重新被風(fēng)扇吸入，實(shí)現(xiàn)烤箱內(nèi)部氣流循環(huán)。

風(fēng)扇葉的外徑為130 mm，內(nèi)徑為70 mm，葉片徑向長(zhǎng)度30 mm，葉片高度為20 mm，葉片數(shù)為8，葉片厚度為0.5 mm，采用徑向直金屬葉片。

2.2 網(wǎng)格劃分

對(duì)烤箱進(jìn)行數(shù)值模型網(wǎng)格劃分，示意圖如圖3所示。由于烤箱的腔體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，如圖3a)所示。而風(fēng)扇和發(fā)熱管的部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，且在狹小的壁面位置加密了網(wǎng)格數(shù)，如圖3b)和圖3c)所示。選取后置式風(fēng)扇烤箱的數(shù)值模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，如圖4所示。隨網(wǎng)格數(shù)的增加，烤箱內(nèi)中間層放置烤架位置的9個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度變化趨于一致。綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算量，最終確定最佳網(wǎng)格數(shù)量為500萬。

圖3 烤箱數(shù)值模型網(wǎng)格劃分示意圖

圖4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證圖

2.3 邊界條件及物性參數(shù)

表1為烤箱的數(shù)值模擬邊界條件的設(shè)置[7]，腔體的內(nèi)壁以及門體的隔熱玻璃視為不透明的固體，熱吸收系數(shù)設(shè)為10000，空氣的熱吸收系數(shù)設(shè)為0.75。

表1 邊界條件的設(shè)置

2.4 求解設(shè)置方法

本文的數(shù)值模擬基于Ansys Fluent軟件，采用三維不可壓縮定常流動(dòng)模型。湍流模型選用Standardk-ε模型，Enhanced Wall Function壁面函數(shù)模型?？鞠鋬?nèi)的傳熱過程考慮熱傳導(dǎo)、對(duì)流以及輻射，且輻射模型選用DO模型[8]。壓力和速度耦合算法選用SIMPLEC算法，3個(gè)坐標(biāo)方向的速度方程和k-ε方程的對(duì)流項(xiàng)離散采用二階迎風(fēng)差分格式，擴(kuò)散項(xiàng)的離散采用二階中心差分格式[7]。

3 結(jié)果與討論

3.1 數(shù)值模擬結(jié)果的驗(yàn)證

對(duì)后置式風(fēng)扇烤箱的溫度場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，取烤箱內(nèi)中間層放置烤架的位置的9個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。結(jié)果顯示，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試的溫度數(shù)據(jù)的吻合度較好，9個(gè)測(cè)試點(diǎn)的數(shù)值模擬溫度值與實(shí)驗(yàn)測(cè)試的溫度偏差在±5℃左右，滿足工程應(yīng)用精度要求。

從溫度場(chǎng)分布規(guī)律角度分析，數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)試的溫度最低值均出現(xiàn)在中層烤架的左上角，溫度最高值均出現(xiàn)在烤架的第一行的中間位置附近，且烤架的右下角溫度均高于9個(gè)測(cè)試點(diǎn)溫度的平均值，說明數(shù)值模擬結(jié)果捕捉到了該測(cè)試平面的高溫區(qū)和低溫區(qū)。因此本文的流動(dòng)模型可滿足要求。

圖5 中層烤架位置的模擬溫度和實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比

3.2 風(fēng)扇的放置位置對(duì)烤箱內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布特性的影響

首先選取烤箱內(nèi)中間層放置烤架的位置進(jìn)行流場(chǎng)和溫度場(chǎng)特性分析，所選取分析平面如圖6所示。

圖6 腔體中間層放置烤架的位置示意圖

后置式風(fēng)扇烤箱的溫度云圖和流線圖如圖7所示。后置式烤箱的高溫區(qū)大致呈對(duì)稱分布，原因在于烤箱的熱源面，即發(fā)熱管與風(fēng)扇的放置平面，與烤箱的受熱面，即烤架的放置平面，兩者之間相互垂直。在這種情況下，風(fēng)扇的出風(fēng)口與吸風(fēng)口關(guān)于受熱面的豎直中軸線對(duì)稱。圖7中的風(fēng)扇吸風(fēng)氣流將烤箱的受熱面強(qiáng)制分成兩部分，且吸風(fēng)氣流會(huì)擠壓出風(fēng)氣流的流動(dòng)空間，導(dǎo)致較多的高溫出風(fēng)氣流會(huì)首先到達(dá)腔體的兩側(cè)壁面處，進(jìn)而使得腔體的兩側(cè)壁面附近位置分別出現(xiàn)了高溫聚集區(qū)。且上述兩個(gè)高溫區(qū)的成因也略有差異。腔體左側(cè)壁面的高溫區(qū)與其附近的氣流旋渦直接相關(guān)，氣流旋渦占據(jù)了較大面積的流場(chǎng)空間，進(jìn)一步壓縮了該處的出風(fēng)氣流的流動(dòng)空間，使得較多的出風(fēng)氣流只能沿腔體的左側(cè)壁面流動(dòng)，導(dǎo)致左側(cè)壁面區(qū)域產(chǎn)生了高溫區(qū)。腔體右側(cè)壁面的高溫區(qū)也與其附近的氣流旋渦直接相關(guān)。腔體右側(cè)壁面處存在一個(gè)顯著的氣流旋渦，該旋渦會(huì)將風(fēng)扇右側(cè)出風(fēng)口的高溫氣流直接卷吸至內(nèi)部，進(jìn)而導(dǎo)致旋渦區(qū)的熱量迅速聚集，從而產(chǎn)生了一個(gè)與渦流尺度相當(dāng)?shù)母邷貐^(qū)域。同時(shí)可注意到受熱面的中部也存在一個(gè)高溫區(qū)域，該高溫區(qū)是由于左右兩股高溫高速氣流的匯集、碰撞，氣流的一部分動(dòng)能耗散成熱能產(chǎn)生的。

圖7 后置式風(fēng)扇烤箱的中部水平面溫度云圖和流線圖

后置式烤箱的流線圖左右兩側(cè)附近的出風(fēng)口平均風(fēng)速的水平分量有明顯差異，這種差異是由于風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)方向?qū)е碌?，進(jìn)而造成出風(fēng)氣流的風(fēng)向不同。左側(cè)出風(fēng)氣流的水平風(fēng)速為4.1 m/s，而右側(cè)出風(fēng)氣流的水平風(fēng)速為2.6 m/s。左右兩側(cè)出風(fēng)氣流的風(fēng)速差異造成了水平面的渦流尺度不對(duì)稱。左側(cè)出風(fēng)的水平風(fēng)速高，導(dǎo)致渦流位置靠近腔體的前側(cè)，其影響半徑約為腔體寬度的1/3。同理，右側(cè)出風(fēng)的水平風(fēng)速相對(duì)低，導(dǎo)致渦流位置靠近腔體的中部，其影響半徑僅約為腔體寬度的1/4。頂置式風(fēng)扇烤箱的溫度云圖和流線圖如圖8所示。頂置式烤箱的溫度場(chǎng)大致呈現(xiàn)出氣流溫度由受熱面的中部向邊壁面處逐漸升高的特點(diǎn)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于烤箱的熱源面與受熱面之間互相平行。在這種情況下，由于風(fēng)扇的出風(fēng)氣流存在較大的周向速度，且風(fēng)扇的吸風(fēng)口的投影位置剛好處于受熱面的中部，導(dǎo)致受熱面的中部存在一個(gè)大尺度的旋渦。該旋渦占據(jù)了較大面積的流場(chǎng)空間，從而使得風(fēng)扇的高溫出風(fēng)氣流只能沿旋渦的外圍流動(dòng)。由于出風(fēng)氣流具有較強(qiáng)的周向速度，故較多的出風(fēng)氣流以中部旋渦為中心，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。風(fēng)扇的高溫出風(fēng)氣流會(huì)首先到達(dá)腔體的邊壁面附近位置，導(dǎo)致邊壁面附近產(chǎn)生了高溫區(qū)。出風(fēng)氣流在邊壁面附近流域放熱后，氣流溫度下降，在中部旋渦區(qū)的作用下，逐漸被卷吸至渦流內(nèi)部。在此過程中氣流不斷放熱，氣流溫度不斷下降。當(dāng)氣流到達(dá)渦流中心，即風(fēng)扇的吸風(fēng)口在受熱面的投影位置附近時(shí)，氣流溫度已經(jīng)較低了，此時(shí)氣流被風(fēng)扇的吸風(fēng)口吸入，自此完成了一次熱風(fēng)循環(huán)過程。由此可知，頂置式烤箱的受熱面的溫度場(chǎng)易形成中間低、四周高的特征。

頂置式烤箱的流線圖上下兩側(cè)附近的出風(fēng)口平均風(fēng)速的水平分量差異較小。流線圖上側(cè)附近出風(fēng)口平均風(fēng)速的水平分量為3.6 m/s，下側(cè)附近出風(fēng)口平均風(fēng)速的水平分量為4.2 m/s。較高風(fēng)速區(qū)域易在腔體內(nèi)形成旋渦區(qū)，因此旋渦區(qū)的位置靠近流線圖的下側(cè)。

從圖7、圖8的溫度云圖可知，在水平烤架放置食材的中間區(qū)域，后置式烤箱的溫差為15.4℃（即烤架中間區(qū)域的最高值-最低值）。而頂置式烤箱的溫差為11.9℃。因此，對(duì)平面溫差要求高的食材更適合在頂置式烤箱中烘焙，例如曲奇餅干。

圖8 頂置式風(fēng)扇烤箱的中部水平面溫度云圖和流線圖

選取烤箱中部豎直平面位置進(jìn)行流場(chǎng)和溫度場(chǎng)特性分析，所選取分析平面如圖9所示。后置式和頂置式風(fēng)扇烤箱的溫度云圖和流線圖分別如圖10、圖11所示。后置式烤箱的流場(chǎng)圖左右兩側(cè)出風(fēng)口平均風(fēng)速的豎直分量差異較小。流線圖左側(cè)附近出風(fēng)口平均風(fēng)速的豎直分量約為3.6 m/s，右側(cè)附近出風(fēng)口平均風(fēng)速的豎直分量約為4.2 m/s。因此流場(chǎng)中出現(xiàn)了兩個(gè)尺度類似的渦流，且由于右側(cè)平均風(fēng)速較高，右側(cè)渦流尺度稍大。上述兩個(gè)渦流的中心區(qū)域與溫場(chǎng)不均勻區(qū)域重疊，即兩個(gè)渦流的出現(xiàn)破壞了溫度場(chǎng)的均勻性，可見渦流與溫度場(chǎng)均勻性密切相關(guān)。

圖9 烤箱中部豎直平面位置示意圖

圖10 后置式風(fēng)扇烤箱的中部豎直面溫度云圖和流線圖

圖11 頂置式風(fēng)扇烤箱的中部豎直面溫度云圖和流線圖

頂置式烤箱的流場(chǎng)圖左右兩側(cè)出風(fēng)口平均風(fēng)速的豎直分量差異較大。左側(cè)出風(fēng)氣流的豎直風(fēng)速約為2.6 m/s，而右側(cè)出風(fēng)氣流的豎直風(fēng)速約為4.1 m/s。左右兩側(cè)出風(fēng)氣流的風(fēng)速差異造成了豎直面的兩個(gè)渦流的尺度不對(duì)稱。由于右側(cè)風(fēng)速較高，右側(cè)渦流尺度稍大。且上述兩個(gè)渦流的中心區(qū)域也與溫場(chǎng)不均勻區(qū)域重疊。

從圖10、圖11的溫度云圖可知，在烤箱中部豎直平面的放置食材的中間區(qū)域內(nèi)，后置式烤箱的溫差為10℃。而頂置式烤箱的溫差為16℃。因此，對(duì)豎直方向溫差要求高的食材更適合在后置式烤箱中烘焙，例如戚風(fēng)蛋糕。

結(jié)合上述兩個(gè)不同平面的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分析，可知后置式烤箱的后續(xù)改進(jìn)方向?yàn)闇p少兩側(cè)出風(fēng)口的平均風(fēng)速的水平分量差異，而頂置式烤箱的后續(xù)改進(jìn)方向?yàn)闇p少兩側(cè)出風(fēng)口的平均風(fēng)速的豎直分量的差異，從而削弱渦流的不對(duì)稱性，提高溫度場(chǎng)均勻性。

4 結(jié)論

本文首先建立了一套研究烤箱溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的數(shù)值模擬方法，并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)比分析了頂置式對(duì)流烤箱和后置式對(duì)流烤箱的預(yù)熱階段溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的分布特性，為對(duì)流式烤箱的風(fēng)扇位置選擇及預(yù)熱階段溫度場(chǎng)均勻性的改善提供了有益參考。本文的主要結(jié)論如下：

（1）后置式對(duì)流烤箱的加熱面與受熱面之間互相垂直，導(dǎo)致受熱面的流場(chǎng)分布呈現(xiàn)出關(guān)于風(fēng)扇的中軸線對(duì)稱的特性。由于風(fēng)扇的吸氣氣流對(duì)出風(fēng)氣流起到了流動(dòng)空間擠壓的作用，導(dǎo)致出風(fēng)氣流會(huì)首先到達(dá)腔體壁面附近，使得壁面處易出現(xiàn)與渦流尺度相當(dāng)?shù)母邷貐^(qū)域。

（2）頂置式對(duì)流烤箱的加熱面與受熱面之間互相平行，且出風(fēng)氣流存在較強(qiáng)的周向速度，導(dǎo)致受熱面的流場(chǎng)中易形成中部氣流旋渦。由于中部大尺度的氣流旋渦起到了對(duì)出風(fēng)氣流的流動(dòng)空間擠壓的作用，導(dǎo)致出風(fēng)氣流繞中部旋渦流動(dòng)，且首先到達(dá)腔體壁面附近。從而使得溫度場(chǎng)易形成中間低、四周高的特點(diǎn)。

（3）后置式烤箱的豎直面溫差更小，適合對(duì)豎直溫差要求苛刻的食材，例如戚風(fēng)蛋糕。頂置式烤箱的水平面溫差更小，適合對(duì)水平溫差要求苛刻的食材，例如曲奇餅干。

（4）后置式烤箱的后續(xù)改進(jìn)方向?yàn)闇p少兩側(cè)出風(fēng)口的平均風(fēng)速的水平分量差異，而頂置式烤箱的后續(xù)改進(jìn)方向?yàn)闇p少兩側(cè)出風(fēng)口的平均風(fēng)速的豎直分量的差異，從而削弱渦流的不對(duì)稱性，提高溫度場(chǎng)均勻性。

（5）由于食物的形狀、尺寸大小以及放置附件（烤盤或者烤架）對(duì)強(qiáng)制對(duì)流加熱式烤箱內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響很大，故后續(xù)將研究烤箱不同使用場(chǎng)景下的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)特性。