不同運行模式下烤箱內腔溫度場的優化研究

張藍心 劉東 項琳琳

同濟大學機械與能源工程學院

不同運行模式下烤箱內腔溫度場的優化研究

張藍心 劉東 項琳琳

同濟大學機械與能源工程學院

用數值模擬的方法，對不同運行模式下烤箱模型內部溫度場進行模擬，并將計算機數值模擬結果與實測結果進行對比驗證。研究結果表明可以通過改善烤箱風扇蓋板結構和風扇風速對現有烤箱模型內部溫度場均勻性進行改進，實現烤箱內部溫度場均勻性的最優化。

烤箱 溫度場 數值模擬 不同模式

本文以某一型號烤箱為研究對象，該類產品通過測試發現烤箱內部存在溫度不均勻現象：內腔不同空間點之間的溫差最大達到10℃左右，導致在加熱食物時出現冷熱不勻、生熟不均的現象。對于設有強制對流的烤箱，對流是一個非常重要的影響因素[1]。為了找出影響烤箱內部溫度場不均勻的因素，根據烤箱的幾何尺寸和運行機理建立了數學和物理模型，運用FLUENT軟件進行數值模擬，可以模擬和分析復雜幾何區域內的流體流動與傳熱現象[2]。將模擬結果與實測結果進行對比和驗證，找出主要的影響因素，并對七種不同運行模式進行對比，預測其改進后的效果。

1 現有模型A實測研究

1.1 現有烤箱物理模型

研究對象的物理模型如圖1所示。烤箱設有上、下和背部三根加熱管，熱功率分別為1700W、1100W、1400W，背部設有排風熱風扇，熱風扇蓋板兩側設有矩形進風口，頂部設有一出風小孔。

圖1 烤箱物理模型A

1.2 七種運行模式

在七種不同運行模式下對烤箱內腔溫度場進行實測，如表1所示，對比所得溫度場的均勻性，進而分析各運行模式的特點，了解影響溫度場均勻性的因素，改進得到最優化的模型。

表1 烤箱運行的七種模式

1.3 測試儀器

測試儀器采用Yokogawa的DR130溫度記錄儀，每2s記錄一次溫度，測量范圍0～800℃，精度0.1℃。

1.4 實測溫度場

在對烤箱內腔溫度場的測試過程中，取內腔上、中、下三個參考面，每個參考面上均勻布9個測點，共27個測點。如圖2所示。

圖2 烤箱內腔參考面及測點分布

2 數學模型和網格建立

運用計算機數值模擬的知識將烤箱的數學模型進行簡化：

1）烤箱內腔的氣流為紊態的三維不可壓縮湍流流動[3]；

2）湍流粘性模型選擇標準k-ε模型[4]；

3）近壁處理選擇增強壁面處理；

4）輻射模型選擇DO模型；

5）網格劃分選擇網格形式為Tet/Hybrid，步長為3mm，網格總數429255個。

材料選擇空氣，采用Boussinesq模型，20℃時，空氣密度1.205kg/m3，比熱容1.005kJ/(kg·K)，導熱率0.0257W/(m·K)，運動粘度15.11×10-6m2/s，體積膨脹系數為0.00343 1/K，算法選擇SIMPLEC二階差分。

3 模型驗證

現以model1為例將烤箱內腔的實測溫度場和模擬溫度場進行比較：從圖3可以看出烤箱模型A下每個測點的實測與模擬溫度偏差在3%～10%之間，最小偏差為3.69%，最大偏差為9.82%，偏差平均值為5.71%。溫度場測點分布圖走勢基本一致，可以驗證模擬溫度場和實測溫度場吻合，應用于計算機數值模擬軟件的該數學模型和網格較為合理。

圖3 現有烤箱的模擬溫度場和實測溫度場

4 模型A的模擬研究

4.1 模擬數據的分析

分析模擬數據可得，烤箱模型A在七種不同運行模式下的溫度場模擬結果的均勻性并不理想。max溫度偏差、min溫度偏差以及最大最小溫差的最大值均出現在mode 1的模擬結果中，即全開模式的模擬溫度場均勻性最差。下、中、上層的對應值分別為：max溫度偏差——1.56%、1.55%、2.82%；min溫度偏差——1.25%、1.63%、1.66%；最大最小溫度差——7.5℃、8.5℃、12.0℃。模擬溫度場均勻性的最佳情況出現在mode 6中，上、中、下層的對應數據分別為：max溫度偏差——0.04%、0.20%、0.36%；min溫度偏差——0.04%、0.28%、0.44%；最大最小溫度差——0.2℃、1.2℃、2.0℃。

4.2 模擬結果的分析

以mode 1為特征模式進行更進一步的分析，從溫度場云圖上可看出烤箱內腔溫度分布的基本規律，如圖4～圖6所示。靠近壁面處溫度較高，在橫向上由烤箱內腔后壁面向烤箱門所在平面，溫度呈降低趨勢。

圖4 mode1下層參考面溫度場云圖

圖5 mode1中層參考面溫度場云圖

圖6 mode1上層參考面溫度場云圖

mode1為全開模式，即背部加熱管，熱風扇，上、下加熱管均為運行狀態。從圖4～圖6中可以看出：①云圖上背部壁面加熱管處等溫線較為密集且溫度較高；②內腔等溫線較為曲折，原因可能是由于背部蓋板兩側為進風口，氣體流動對烤箱內腔溫度場影響較大；③靠近烤箱門側溫度明顯降低，推測原因是由于烤箱頂部有一頂部小孔與外界相通，該小孔靠近門側導致進烤箱門側的熱量向外界散失較內部更多，從而溫差明顯。

5 模型B的模擬研究

5.1 優化方案

為了實現烤箱的不同功能，應用于不同食材，在烤箱可設定的七種運行模式中，要求每一種運行模式都實現良好的溫度場均勻性。因此，將原有烤箱模型A加以優化：

1）熱風扇蓋板結構的改變：取消原與熱風扇出風面垂直的側板上的進風口，并將原垂直面改為傾斜面；

2）進風口位置形狀的改變：將原位于熱風扇蓋板兩側垂直側面的矩形進風口改為位于蓋板傾斜面兩側的細長狹縫進風口；

3）烤箱頂部出風小孔位置的改變：將原小孔向內平移50mm；

4）熱風扇風速的改變[5]：熱風扇的風速由原來的1.5m/s改變為2m/s。

由此得到改進后的模型B。

5.2 模擬數據及分析

據表2的數據分析可得，改進后的烤箱模型B在七種運行模式下的溫度場均勻性均有所改善，且mode1至mode5的改善程度尤為明顯。以七種運行模式的中層水平面為例，對比七種模式在模型改進前后的模擬分析數據，如表3所示，可以看出溫度偏差的絕對值大部分控制在1.0%以內，最大最小溫度差都控制在3.5℃以下，且86%的情況下控制在3℃以下。基本可以認為模型B在七種運行模式下溫度場達到了均勻性的要求。

表2 各層模擬數據

表3 中層水平面模擬數據對比

5.3 模擬結果的分析

以運行模式mode1為例，通過mode1上、中、下三層的溫度場云圖，可以看出相對模型A模擬的溫度場云圖在等溫線的分布上有明顯的均勻性的改善，如圖7～圖9所示。進一步分析其溫度分布規律：靠近壁面處溫度較高，烤箱門所在平面溫度降低，內腔整體溫度分布相對均勻，且在熱風開啟的模式中門縫隙處溫度有明顯的下降。

圖7 mode1下層參考面溫度場云圖

圖8 mode1中層參考面溫度場云圖

圖9 mode1上層參考面溫度場云圖

分析對烤箱原有模型的結構和邊界條件的改變：①進風口位于熱風扇蓋板兩側呈直角的側板改變為傾斜側板，在烤箱熱風扇運行的模式中，對進風氣流起到較好的導流作用；②原矩形進風口改為位于蓋板傾斜面兩側的細長狹縫進風口，使得進風氣流更為均勻；③烤箱頂部出風小孔向內移動，有利于保留低溫區域熱量，同時散發高溫區域熱量；④熱風扇速度增大使得烤箱內腔對流換熱作用加強，使溫度場趨于均勻。

6 結論

通過對七種不同運行模式下兩種烤箱模型的溫度場模擬，對比分析可以發現：

1）背部蓋板的傾斜側板可以削弱氣體擾流作用，背部進風口設置為狹長細縫可以使進風氣流更為均勻，頂部出風小孔向內移動可以更加合理地分配內腔熱量的散失，熱風扇出口風速的改變有利于空間內的對流換熱，以此增強空間內溫度場的均勻性。

2）綜合以上改進措施的烤箱模型B，經計算機數值模擬所得到的溫度場均勻性明顯優于模型A的模擬結果，基本符合要求，建議采用。

3）在七種不同運行模式的模擬結果中，烤箱模型B的溫度場都基本上達到要求，因此，在烤箱的實際使用中七種不同的模式均可使用。

4）對于需要進行改造的工程，可以將實驗和計算機CFD模擬相結合，在對初始方案進行驗證、分析和改進的基礎上研究更加優化的方案，在不斷探索的過程中得到定性的指導。

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[2]溫正,石良辰,任毅如.FLUENT流體計算應用教程[M].北京:清華大學出版社,2009

[3]劉俊,劉東,杭寅.烘箱內部熱環境的數值模擬研究[J].建筑熱能通風空調,2006,25(4):78-85

[4]田松濤,高振江.基于Fluent的氣體射流沖擊烤箱氣流分配室改進設計[J].現代食品科技,2009,25(6):612-616

[5]Jacek Smolka,Andrzej J Nowak,Dawid Rybarz.Improved 3-D temperature uniformity in a laboratory drying oven based on expe -rimentally validated CFD computations[J].Journal of Food Eng -ineering,2010,97(3):373-383

Optim iza tion Re s e a rc h in Ove n Te m pe ra ture Fie ld unde r Diffe re nt Ope ra tion Mode s

ZHANG Lan-xin,LIU Dong,XIANG Lin-lin
School of Mechanical Engineering,Tongji University

By using numerical simulation method to realize internal temperature field simulation of an oven mode under different operating modes.The results show that the temperature field uniformity of the existing oven mode has certain insufficiency.A combination of improving the structure of the oven fan cover plate and fan speed was taken to achieve the oven temperature field uniformity to the optimal level.

oven,temperature field,numerical simulation,different operating modes

1003-0344（2015）03-033-4

2014-3-28

張藍心（1991～），女，碩士研究生；上海市楊浦區四平路1239號同濟大學濟陽樓306室（200092）；E-mail:lanxin62@126.com