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 1同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院2寧波方太廚具有限公司

摘  要：本文通過實(shí)測和CFD數(shù)值模擬的方法，研究了某嵌入式烤箱內(nèi)腔溫度場分布現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)溫度分布不夠均勻，影響食物烘烤效果。本課題組通過烤箱頂部小孔位置移動(dòng)、小孔大小和數(shù)量改變、熱風(fēng)扇風(fēng)速變化、加熱管位置移動(dòng)、熱風(fēng)扇擋板結(jié)構(gòu)變化等方面的數(shù)值模擬研究，對(duì)比分析得到了相對(duì)最優(yōu)的改造方案，使得烤箱溫度場均勻性明顯提高。

關(guān)鍵詞：烤箱溫度場均勻性實(shí)測數(shù)值模擬

0  引言

 本文的研究對(duì)象是某嵌入式電烤箱。該電烤箱試驗(yàn)過程中，內(nèi)腔溫度分布不夠均勻，空間上不同位置的溫度最高值和最低值之差最大可達(dá)1 0℃，導(dǎo)致食物烘烤時(shí)各部位出現(xiàn)冷熱不均，生熟不勻的現(xiàn)象。因此，為了改善電烤箱實(shí)際使用過程中的性能，我課題組通過實(shí)驗(yàn)測試和數(shù)值模擬的研究方式，來優(yōu)化烤箱內(nèi)腔的溫度分布，使其更均勻，從而達(dá)到國際一流烤箱的水平。

1  物理數(shù)學(xué)模型及邊界條件

1.1物理模型

 根據(jù)該烤箱的實(shí)際模型，建立圖1所示的物理模型�？鞠鋬�(nèi)腔各部位尺寸如圖2所示。在利用Gambit軟件建模過程中，作了如下的簡化：

 1)圓管形的加熱管形狀有所簡化：根據(jù)上、下加熱管投影形狀，將其簡化為由四面組成的平管，其中有一面貼住對(duì)應(yīng)烤箱內(nèi)腔壁面；背加熱管的散熱面簡化為熱風(fēng)扇擋板側(cè)面以及正壁面最外圈6.5 mm寬的圓環(huán)面之和；根據(jù)各加熱管的電功率和對(duì)應(yīng)的散熱面，即可計(jì)算出相應(yīng)的熱流密度；

 2)熱風(fēng)扇網(wǎng)格面未畫出，簡化為直徑為179.2 mm的圓面；

 3)熱風(fēng)扇擋板后部側(cè)面的進(jìn)風(fēng)口，每側(cè)2個(gè)小口簡化為1個(gè)大口；

 4)烤箱各壁面和門由多層材料組成，在此簡化為面，每面的傳熱系數(shù)根據(jù)各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)及材料厚度計(jì)算得到；

 5)為體現(xiàn)門密封性能的局限性和門縫空氣的泄露，本模型畫出了3 mm寬的門縫，即為烤箱內(nèi)外氣流交換的通道之一。

1.2數(shù)學(xué)模型

 烤箱內(nèi)腔的氣流為穩(wěn)態(tài)三維不可壓縮湍流流動(dòng)，在Fluent流體計(jì)算軟件中，湍流黏性模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon模型，近壁處理(near-wall-treatment)選擇增強(qiáng)壁面處理( enhanced wall treatment)。輻射模型選擇DO模型。材料選擇空氣，采用Boussinesq模型，20℃時(shí)，空氣密度1.205 kg/m3，比熱容1.005 kj/(kg．K)，導(dǎo)熱率0.0257 W/(m - K)，運(yùn)動(dòng)粘度15.llxl0-6，體積膨脹系數(shù)為0.003431/K。算法選擇SIMPLEC二階差分。

1.3網(wǎng)格劃分

 網(wǎng)格形式為Tet/Hybrid(即以四面體為主，在適當(dāng)位置包涵六面體，楔形、錐形網(wǎng)格），步長為3 mm，網(wǎng)格總數(shù)429255個(gè)。

1.4邊界條件

  邊界條件見表1。

2  實(shí)測及模型驗(yàn)證

 為了對(duì)該烤箱內(nèi)腔的溫度場分布情況有具體的了解，本研究首先對(duì)該烤箱的各層烤架位置的溫度進(jìn)行實(shí)測，測試烤架分為下、中、上三層，每層測九個(gè)點(diǎn)，測點(diǎn)位置及編號(hào)如圖3所示。溫度測試采用日本橫河Yokogawa DR130混合記錄儀，每2s記錄一次溫度，測量范圍：0～800℃，精度0.1℃。

 由表2可知，三層烤架模擬溫度高于實(shí)測溫度，模擬平均溫度為267.43℃，實(shí)測平均溫度為253.06℃；最大偏差為9.82%，最小偏差為3.69%，平均偏差為5.71%<10%；且由圖5可見，模擬27個(gè)測點(diǎn)的溫度分布趨勢與實(shí)測接近，說明模型及邊界條件的設(shè)置與實(shí)際情況相符。因此，模擬結(jié)果可以用作烤箱內(nèi)腔溫度場均勻性分析和優(yōu)化的依據(jù)。

3  不同優(yōu)化方案的數(shù)值模擬研究

  根據(jù)對(duì)現(xiàn)有烤箱內(nèi)腔溫度場的實(shí)測和模擬數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，從橫向來看，烤箱內(nèi)腔從門至里，溫度升高，平均溫差約為8℃，且頂部小孔所在的位置對(duì)應(yīng)下方各層都存在一個(gè)局部溫度較高點(diǎn)；從縱向來看，上層溫度稍高于下層，溫差約為5 ℃。為了達(dá)到烤箱內(nèi)腔空間整體溫度均勻性的目標(biāo)，即各點(diǎn)溫差越小越好，本研究組提出如下五類改造方案：1）頂部小孔位置改變；2）頂部小孔大小和數(shù)量改變；3）熱風(fēng)扇風(fēng)速改變；4）上、下加熱管位置改變；5）熱風(fēng)扇擋板結(jié)構(gòu)改變。模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表3所示：

 由表4可見，方案6.5得到的結(jié)果最優(yōu)，將作為重點(diǎn)改造方案提供給甲方，方案6.5的物理模型如圖6所示，其熱風(fēng)扇擋板的結(jié)構(gòu)和尺寸如圖7所示。

4  最優(yōu)模型模擬結(jié)果分析

  最優(yōu)模型烤箱（方案6.5）內(nèi)腔溫度分布情況如圖8所示。

與現(xiàn)有烤箱相比，溫度場均勻性統(tǒng)計(jì)如表5。

 由表5可見，與現(xiàn)有烤箱相比，最優(yōu)模型烤箱的內(nèi)腔溫度場均勻性明顯提高，整體溫差4℃、方差只為1左右，優(yōu)化改造效果良好。

5  結(jié)論

 1)某嵌入式烤箱內(nèi)腔的溫度場均勻性較差，影響食物烘烤效果。橫向上，從門至里，溫度升高，平均溫差約為8℃，且頂部小孔下方存在局部高溫；縱向上，上層溫度稍高于下層，溫差約為5℃。

 2)通過多方面多個(gè)改造方案的數(shù)值模擬研究，得到相對(duì)最優(yōu)的改造方案：即將熱風(fēng)扇擋板結(jié)構(gòu)作適當(dāng)調(diào)整，頂部小孔位置向內(nèi)移動(dòng)50 mm，熱風(fēng)扇回風(fēng)風(fēng)速改為原來的1.5倍，即將風(fēng)扇轉(zhuǎn)速從原來的1200r/min改為1800 r/min。

 3)最優(yōu)改造方案的數(shù)值模擬結(jié)果顯示，烤箱內(nèi)腔整體溫差及各層溫差均不大于4℃，方差僅為1左右，效果良好，建議采用。