基于Fluent的烤肉爐性能研究

呂仲明

徐盛林

(武昌首義學院，湖北 武漢 430064)

傳統的烤肉過程都是在家中或者餐館中進行的[1]。目前市場上對烤肉爐已經有了一定的研究，按照肉制品加熱方法可將日用烤肉爐分為鐵皮槽烤肉架、電加熱烤肉爐和燃氣烤肉爐三大類。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，雖然裝置結構比較簡單，但燒烤過程產生的熏煙會對人體造成危害，如雙排無煙節能烤肉爐[2]；在使用電加熱烤肉爐時，需連接電源，不便于攜帶[3]；而燃氣烤肉爐主要用燃氣作為熱源，該熱源的優點是具有燃燒時熱量大、方便清潔，如家用式燃氣灶烤肉爐[4]。目前，便攜式烤肉爐主要加熱方式為燃氣加熱，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存烤肉爐的不足以及對烤肉的需求，設計一種新型的便攜式烤肉爐，并對其進行性能檢驗，以期為便攜式烤肉裝置的開發提供參考。

1 烤肉爐結構

為便于外出攜帶，采用便攜式扁氣罐，以燃氣作為熱源，2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料不污染外界環境，在烤肉架下方設置一個滴油接盤。烤肉爐整體結構見圖1。

該烤肉爐烤肉架采用勻速轉動的方式來對肉串進行加熱，有效減少食肉局部不熟的現象。該烤肉爐外形呈長方體，長×寬×高為330 mm×250 mm×320 mm，質量約6 kg。烤肉架可同時放置10串肉，保溫絕熱板置于燃燒器上方，與爐蓋相結合以減少熱量散失。烤肉爐的轉動系統由2個同步帶輪在電機作用下勻速轉動，烤肉架在烤肉爐前面板內側的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，從而使肉串實現平穩勻速翻轉。烤肉爐整體結構緊湊，既滿足了烤肉的工藝要求，又克服了傳統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.進氣孔 7.電池盒 8.烤肉釬 9.旋轉烤架 10.接油盤 11.開關

圖1 便攜式烤肉爐的整體結構圖
Figure 1 The overall structure of the portable roaster

2 烤肉爐的數值模擬

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

2.1 烤肉爐的物理模型簡化

由于烤肉爐的結構較為復雜，在建立其物理模型時，對仿真時網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域[8-9]。圖2為基于ICEM軟件進行數值模擬的簡化模型。

圖2 簡化模型結構圖Figure 2 Structure of simplified model

2.2 烤肉爐計算區域的網格劃分

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，劃分網格時若劃分整個空間的空氣域則會造成網格密集增加計算量，故根據劃分網格的簡化原則，從而建立延長進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 烤肉爐計算區域的建立 計算區域包括烤肉爐底部為進氣口、爐蓋縫隙為出氣口、烤肉爐的爐壁及絕熱板所包含的區域。由于烤肉爐在空載并且熱穩態時，可將空氣看作平面二維流動狀態，只對二維平面封閉區域內的流體進行仿真[11-12]。

圖3 簡化模型燃燒區域的網格圖Figure 3 Gridding of simplified model

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

2.3.3 數值算法的設置 烤肉爐內空氣的燃燒及流動是一個復雜的湍流流動。該模型選擇能量方程，采用k-ε標準方程，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。代數方程迭代計算采用亞松弛，根據多次試驗摸索以及同種模型工況的經驗[13]設定，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 計算結果分析

2.4.1 烤肉爐內壓力及氣流速度矢量的模擬 烤肉爐爐膛內的壓力及氣體速度的矢量圖見圖4。由圖4(a)可知，爐膛內壓力分布非常均勻；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，可見最大處發生在烤肉爐進出口處，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 烤肉爐內空氣溫度場分布的模擬 由圖5可知，烤肉爐爐膛內溫度場分布均勻，由于外界溫度較爐內溫度低，出口處與外部環境存在熱交換，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量。

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

根據上述模擬結果，該烤肉爐模型的結構較為合理，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，達到了預期的設計目標。

3 烤肉爐的性能試驗

3.1 試驗結果

在實驗室進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節成小火，烤制時間7 min時烤制出來的肉品質較優。

3.2 分析及討論

試驗發現該便攜式烤肉爐適合各類肉制品的烤制加工。該烤肉爐的機械結構分布合理，可以實現肉串的自動旋轉加熱以及連續性烤制，生產效率高且操作簡單。同時為了確定該裝置的烤制效果與電機旋轉的速度、烤制溫度以及時間之間的聯系，后續還需進行正交試驗。

4 結論

(1) 通過Fluent對便攜式烤肉爐進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構較為合理，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構緊湊合理、熱利用率高、方便攜帶等優點。通過一定時間的運用實踐，檢驗其制品達到預期效果，證明該烤肉爐的設計是正確合理的，故該新型烤肉爐改善了傳統的戶外烤肉方式，減少了油煙對環境的污染，提高了熱能利用率，具有一定的實用和推廣價值。

(3) 根據仿真結果分析可知，需進一步研究對燃燒器的最優安裝位置，從而減少渦流現象。同時后續試驗應繼續對烤肉爐進行正交試驗，從而驗證該裝置的烤制效果與電機旋轉的速度、烤制溫度以及烤制時間之間的聯系。

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