基于CFD的家用多功能蒸烤箱溫度分布均勻性的改進措施

金恩來，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措施

金恩來1，王超2，金浩哲2

（1.杭州九陽小家電有限公司技術研發部，浙江 杭州 310018；2.浙江理工大學 機械與自動控制學院，浙江 杭州 310018）

針對強制對流蒸烤箱內腔存在的溫度分布不均勻的現象，基于計算流體力學（CFD）的方法對蒸烤箱內腔的速度場和溫度場進行數值模擬。分別對比分析了提升加熱管功率、增添擋風罩結構、增加熱風扇轉速后的蒸烤箱內腔的平均溫度和溫度標準差。研究結果表明，增大加熱管功率能夠提升內腔的整體溫度，但也會加重溫度分布不均勻的現象；增添擋風罩結構和能夠有效均勻內腔溫度，但會降低內腔的平均溫度；增加熱風扇轉速不影響內腔的平均溫度且能夠促進溫度的均勻分布。最終選擇增添擋風罩并增加熱風扇轉速作為蒸烤箱改善溫度分布不均勻現象的最佳措施。

蒸烤箱；加熱管功率；擋風罩；熱風扇轉速

1 引言

隨著人們生活品質的提高以及宅人消費時代的到來，便捷、健康的烹飪方式越來越被現代人所追捧?？鞠渥鳛橐环N快速加熱的家電廚具，一直深受消費者的青睞。傳統的烤箱在加熱過程中易造成菜品水分的大量流失，不僅影響菜品的鮮美，過多食用還會危害人體的健康[1]。本文所研究的蒸烤箱同時具備蒸和烤兩種功能，烤是通過箱側的加熱管對食物進行烘烤，蒸則是通過箱底發熱盤將水加熱成蒸汽以維持烘烤環境的濕度，從而達到烤制食物目標的同時，還能夠有效保持食物中的水分含量。但蒸烤箱內腔普遍存在著溫度分布不均勻的現象，溫度分布的均勻性將會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。如何采取有效的措施改進蒸烤箱內腔的溫度分布不均勻現象是本文研究的主要目標。

許多專家、學者和工作人員已經通過數值模擬和實驗的方法對烤箱內部傳熱情況和優化方案作出了分析總結，為本文研究奠定了理論基礎。張藍心等[2]通過分析改進烤箱蓋板結構和提高風扇轉速后的溫度場和速度場，研究了烤箱內部的加熱情況。MICAEL等[3]瞬時模擬了速度場的變化情況，分析風扇轉速是影響對流傳熱強弱的主要因素。劉俊等[4]通過增設擋板有效抑制了中心漩渦導致的熱堆積現象，提高了腔體內熱流分布的均勻性。袁宏[5]對強制對流烤箱提出了增添徑向導葉、柵格型擋風板、新型格柵等三種優化方案。CHHANWAL等[6]對比分析了DTRM、S2S和DO三種熱輻射模型計算結果，并通過實驗驗證了在烤箱的數值模擬中DO模型更加準確。

本文在上述理論的基礎上對兼具蒸、烤的新型烤箱進行CFD數值模擬，對比分析不同加熱管功率、添加擋風罩、不同熱風扇轉速三種改善措施下的速度場、溫度場，以速度梯度和溫度分布均勻度為標準去判斷改進措施的優良，從而改善蒸烤箱溫度分布不均勻的現象。

2 蒸烤箱數值模擬過程

2.1 蒸烤箱的工作原理

蒸烤箱可以分成內腔區，外腔區，冷、熱風扇旋轉區四個區域，內腔區是包含內膽、載物盤、加熱管等，是烤制食物被加熱的區域，也是本文研究的主要區域。當蒸烤箱開始工作時，電機帶動冷風扇從外界通過抽風口進行抽風，一部分空氣被送至外腔進行降溫，另一部分空氣經過熱風扇進入內腔在加熱管熱輻射和對流換熱的加熱作用下進入內腔進行熱傳遞，熱風的循環加速了由發熱盤蒸發的水蒸汽的擴散，從而保證內腔的溫度和濕度。

2.2 模型簡化及網格劃分

根據蒸烤箱的工作原理簡化建立蒸烤箱模型并使用ICEM對其進行網格劃分，由于蒸烤箱內部存在鏤空載物網盤和冷、熱風扇等一系列不規則復雜幾何尺寸，因此，采用非結構網格進行劃分，通過增加網格數量增加計算精度，劃分后的網格數量為248萬。

2.3 數值模型及邊界條件

速度場、溫度場是本文研究的重點，采用準確的湍流模型、換熱模型和邊界條件是必要的，熱風扇加劇了內腔中空氣的湍流流動且形成漩渦，采用注重旋流RNG k-ε湍流模型最為合適[7]。內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制對流換熱和空氣間的熱傳導。加熱管輻射模型選為DO（Discrete Ordinates）模型，并開啟能量方程，來觀察其對流換熱和熱傳導結果。邊界條件按照工作原理進行設置，其中風扇采用動網格中的多重參考系（MRF）模型，外腔出風口設置為Outflow[8-9]。

蒸烤箱內部流動介質為空氣，加熱管材料、內膽和載物盤的材料為不銹鋼，外殼材料為PBT塑膠，材料性質如表1所示[10]。

表1 傳熱介質性質參數

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

3 計算結果及分析

對優化前、不同加熱管功率、添加擋風罩和不同熱風扇轉速下的蒸烤箱進行數值模擬，并分析速度云圖和溫度云圖的變化規律。對載物網盤的6個位置進行溫度監測，計算溫度平均值，并通過式（1）計算溫度標準差，通過平均溫度和標準差總結改善措施的優良：

3.1 優化前蒸烤箱性能

優化前蒸烤箱溫度、速度云圖如圖1所示。

圖1 優化前蒸烤箱溫度、速度云圖

圖1為1 500 W加熱管功率3 000 r/min熱風扇轉速下的速度、溫度云圖，風扇正下方和鏤空載物盤底部兩側存在低速區，高速區溫度明顯高于低速區溫度，由于鏤空載物盤的阻力，上部溫度高于下部溫度。

優化前蒸烤箱內腔不能夠滿足理想的蒸汽的擴散和溫度的均勻分布，因此，分別采取增大加熱管功率、增加熱風扇的轉速、添加擋風罩等措施進行改進，模擬結果如下。

3.2 增大加熱管功率

原烤箱加熱管功率為1 500 W，現對1 555 W、1 600 W、1 689 W、1 778 W加熱管功率進行數值模擬。不同功率下的監測點平均溫度和標準差如圖2所示，隨加熱管功率的升高，內腔平均溫度逐漸升高，但同時溫度分布不均現象也愈加明顯。因此，不建議通過增加加熱管功率來改善蒸烤箱內溫度分布。

3.3 添加擋風罩

在熱風扇下方添加擋風罩將會直接改變空氣在內腔中流動方向，擋風罩的添加位置如圖3所示。添加擋風罩后的速度、溫度云圖如圖4所示，根據圖4可知，其內腔平均溫度較優化前整體溫度下降了4 ℃，溫度標準差較之前下降了1.44 ℃。內腔平均溫度雖比優化前的平均溫度整體要低，但對溫度分布不均有所改善，鏤空載物盤上部和下部溫度分布也更加平均。熱風扇下方依舊產生了低速區，但其產生的原理和優化前的并不相同。添加擋風罩形成的低速區是因為擋風罩改變了空氣的流動方向，側面的空氣因為風扇動力不足無法到達中部區域，而優化前僅僅是因為熱風扇下方存在低速區。

圖2 不同加熱管功率的溫度折線圖

圖3 擋風罩位置示意圖

圖4 添加擋風罩后的速度、溫度云圖

3.4 增加熱風扇轉速

增加熱風扇轉速會增加內腔空氣運動的湍動能，利于空氣間的熱傳導。優化前蒸烤箱熱風扇轉速為3 000 r/min，現對3 250 r/min、3 500 r/min、3 750 r/min、4 000 r/min進行數值模擬。不同熱風扇轉速下的平均溫度和標準差如圖5所示，隨著熱風扇轉速的增加，溫度標準差逐漸減少，內腔平均溫度并未改變。因此，增加熱風扇轉速是改善溫度均勻分布的有效措施。

3.5 添加擋風罩并增加風扇轉速結合優化

根據上述研究內容，添加擋風罩能有效平均溫度的分布，但同時也會降低內腔的平均溫度。增加風扇轉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，結合兩種方案進行優化。在添加擋風罩的情況下，數值模擬分析了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準差如圖6所示，平均溫度基本保持不變，且隨著轉速增加，溫度標準差逐漸降低，且比僅增加風扇轉速時的標準差更低，是改善溫度分布不均的最優改進方案。

圖5 不同熱風扇轉速下的溫度折線圖

圖6 添加擋風罩后不同熱風扇轉速的溫度折線圖

4 結論

本文對蒸烤箱采取增加加熱管的功率、添加擋風罩、增加風扇轉速三種改進措施進行數值模擬，結合速度、溫度云圖分析三種措施對平均溫度和溫度標準差的影響。選擇添加擋風罩并增加風扇轉速作為蒸烤箱最終改進措施。得到以下結論：①提升加熱管功率，能夠升高內腔的平均溫度，但會加劇溫度的分布不均；②添加擋風罩，能夠有效促進溫度的均勻分布，但會造成內腔平均溫度的下降；③增加熱風扇轉速，在保持內腔平均溫度不變的同時，還能夠有效促進溫度的均勻分布；④添加擋風罩并增加熱風扇轉速不僅能夠保持內腔平均溫度不變，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改進方案。

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TB472

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.01.002

2095－6835（2021）01－0003－03

金恩來（1985—），男，本科，工程師中級，主要從事廚房電器的研究和開發。

〔編輯：張思楠〕