不同运行模式下烤箱内腔温度场的优化研究

张蓝心 刘东 项琳琳

同济大学机械与能源工程学院

不同运行模式下烤箱内腔温度场的优化研究

张蓝心 刘东 项琳琳

同济大学机械与能源工程学院

用数值模拟的方法，对不同运行模式下烤箱模型内部温度场进行模拟，并将计算机数值模拟结果与实测结果进行对比验证。研究结果表明可以通过改善烤箱风扇盖板结构和风扇风速对现有烤箱模型内部温度场均匀性进行改进，实现烤箱内部温度场均匀性的最优化。

烤箱 温度场 数值模拟 不同模式

本文以某一型号烤箱为研究对象，该类产品通过测试发现烤箱内部存在温度不均匀现象：内腔不同空间点之间的温差最大达到10℃左右，导致在加热食物时出现冷热不匀、生熟不均的现象。对于设有强制对流的烤箱，对流是一个非常重要的影响因素[1]。为了找出影响烤箱内部温度场不均匀的因素，根据烤箱的几何尺寸和运行机理建立了数学和物理模型，运用FLUENT软件进行数值模拟，可以模拟和分析复杂几何区域内的流体流动与传热现象[2]。将模拟结果与实测结果进行对比和验证，找出主要的影响因素，并对七种不同运行模式进行对比，预测其改进后的效果。

1 现有模型A实测研究

1.1 现有烤箱物理模型

研究对象的物理模型如图1所示。烤箱设有上、下和背部三根加热管，热功率分别为1700W、1100W、1400W，背部设有排风热风扇，热风扇盖板两侧设有矩形进风口，顶部设有一出风小孔。

图1 烤箱物理模型A

1.2 七种运行模式

在七种不同运行模式下对烤箱内腔温度场进行实测，如表1所示，对比所得温度场的均匀性，进而分析各运行模式的特点，了解影响温度场均匀性的因素，改进得到最优化的模型。

表1 烤箱运行的七种模式

1.3 测试仪器

测试仪器采用Yokogawa的DR130温度记录仪，每2s记录一次温度，测量范围0～800℃，精度0.1℃。

1.4 实测温度场

在对烤箱内腔温度场的测试过程中，取内腔上、中、下三个参考面，每个参考面上均匀布9个测点，共27个测点。如图2所示。

图2 烤箱内腔参考面及测点分布

2 数学模型和网格建立

运用计算机数值模拟的知识将烤箱的数学模型进行简化：

1）烤箱内腔的气流为紊态的三维不可压缩湍流流动[3]；

2）湍流粘性模型选择标准k-ε模型[4]；

3）近壁处理选择增强壁面处理；

4）辐射模型选择DO模型；

5）网格划分选择网格形式为Tet/Hybrid，步长为3mm，网格总数429255个。

材料选择空气，采用Boussinesq模型，20℃时，空气密度1.205kg/m3，比热容1.005kJ/(kg·K)，导热率0.0257W/(m·K)，运动粘度15.11×10-6m2/s，体积膨胀系数为0.00343 1/K，算法选择SIMPLEC二阶差分。

3 模型验证

现以model1为例将烤箱内腔的实测温度场和模拟温度场进行比较：从图3可以看出烤箱模型A下每个测点的实测与模拟温度偏差在3%～10%之间，最小偏差为3.69%，最大偏差为9.82%，偏差平均值为5.71%。温度场测点分布图走势基本一致，可以验证模拟温度场和实测温度场吻合，应用于计算机数值模拟软件的该数学模型和网格较为合理。

图3 现有烤箱的模拟温度场和实测温度场

4 模型A的模拟研究

4.1 模拟数据的分析

分析模拟数据可得，烤箱模型A在七种不同运行模式下的温度场模拟结果的均匀性并不理想。max温度偏差、min温度偏差以及最大最小温差的最大值均出现在mode 1的模拟结果中，即全开模式的模拟温度场均匀性最差。下、中、上层的对应值分别为：max温度偏差——1.56%、1.55%、2.82%；min温度偏差——1.25%、1.63%、1.66%；最大最小温度差——7.5℃、8.5℃、12.0℃。模拟温度场均匀性的最佳情况出现在mode 6中，上、中、下层的对应数据分别为：max温度偏差——0.04%、0.20%、0.36%；min温度偏差——0.04%、0.28%、0.44%；最大最小温度差——0.2℃、1.2℃、2.0℃。

4.2 模拟结果的分析

以mode 1为特征模式进行更进一步的分析，从温度场云图上可看出烤箱内腔温度分布的基本规律，如图4～图6所示。靠近壁面处温度较高，在横向上由烤箱内腔后壁面向烤箱门所在平面，温度呈降低趋势。

图4 mode1下层参考面温度场云图

图5 mode1中层参考面温度场云图

图6 mode1上层参考面温度场云图

mode1为全开模式，即背部加热管，热风扇，上、下加热管均为运行状态。从图4～图6中可以看出：①云图上背部壁面加热管处等温线较为密集且温度较高；②内腔等温线较为曲折，原因可能是由于背部盖板两侧为进风口，气体流动对烤箱内腔温度场影响较大；③靠近烤箱门侧温度明显降低，推测原因是由于烤箱顶部有一顶部小孔与外界相通，该小孔靠近门侧导致进烤箱门侧的热量向外界散失较内部更多，从而温差明显。

5 模型B的模拟研究

5.1 优化方案

为了实现烤箱的不同功能，应用于不同食材，在烤箱可设定的七种运行模式中，要求每一种运行模式都实现良好的温度场均匀性。因此，将原有烤箱模型A加以优化：

1）热风扇盖板结构的改变：取消原与热风扇出风面垂直的侧板上的进风口，并将原垂直面改为倾斜面；

2）进风口位置形状的改变：将原位于热风扇盖板两侧垂直侧面的矩形进风口改为位于盖板倾斜面两侧的细长狭缝进风口；

3）烤箱顶部出风小孔位置的改变：将原小孔向内平移50mm；

4）热风扇风速的改变[5]：热风扇的风速由原来的1.5m/s改变为2m/s。

由此得到改进后的模型B。

5.2 模拟数据及分析

据表2的数据分析可得，改进后的烤箱模型B在七种运行模式下的温度场均匀性均有所改善，且mode1至mode5的改善程度尤为明显。以七种运行模式的中层水平面为例，对比七种模式在模型改进前后的模拟分析数据，如表3所示，可以看出温度偏差的绝对值大部分控制在1.0%以内，最大最小温度差都控制在3.5℃以下，且86%的情况下控制在3℃以下。基本可以认为模型B在七种运行模式下温度场达到了均匀性的要求。

表2 各层模拟数据

表3 中层水平面模拟数据对比

5.3 模拟结果的分析

以运行模式mode1为例，通过mode1上、中、下三层的温度场云图，可以看出相对模型A模拟的温度场云图在等温线的分布上有明显的均匀性的改善，如图7～图9所示。进一步分析其温度分布规律：靠近壁面处温度较高，烤箱门所在平面温度降低，内腔整体温度分布相对均匀，且在热风开启的模式中门缝隙处温度有明显的下降。

图7 mode1下层参考面温度场云图

图8 mode1中层参考面温度场云图

图9 mode1上层参考面温度场云图

分析对烤箱原有模型的结构和边界条件的改变：①进风口位于热风扇盖板两侧呈直角的侧板改变为倾斜侧板，在烤箱热风扇运行的模式中，对进风气流起到较好的导流作用；②原矩形进风口改为位于盖板倾斜面两侧的细长狭缝进风口，使得进风气流更为均匀；③烤箱顶部出风小孔向内移动，有利于保留低温区域热量，同时散发高温区域热量；④热风扇速度增大使得烤箱内腔对流换热作用加强，使温度场趋于均匀。

6 结论

通过对七种不同运行模式下两种烤箱模型的温度场模拟，对比分析可以发现：

1）背部盖板的倾斜侧板可以削弱气体扰流作用，背部进风口设置为狭长细缝可以使进风气流更为均匀，顶部出风小孔向内移动可以更加合理地分配内腔热量的散失，热风扇出口风速的改变有利于空间内的对流换热，以此增强空间内温度场的均匀性。

2）综合以上改进措施的烤箱模型B，经计算机数值模拟所得到的温度场均匀性明显优于模型A的模拟结果，基本符合要求，建议采用。

3）在七种不同运行模式的模拟结果中，烤箱模型B的温度场都基本上达到要求，因此，在烤箱的实际使用中七种不同的模式均可使用。

4）对于需要进行改造的工程，可以将实验和计算机CFD模拟相结合，在对初始方案进行验证、分析和改进的基础上研究更加优化的方案，在不断探索的过程中得到定性的指导。

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[2]温正,石良辰,任毅如.FLUENT流体计算应用教程[M].北京:清华大学出版社,2009

[3]刘俊,刘东,杭寅.烘箱内部热环境的数值模拟研究[J].建筑热能通风空调,2006,25(4):78-85

[4]田松涛,高振江.基于Fluent的气体射流冲击烤箱气流分配室改进设计[J].现代食品科技,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

张蓝心（1991～），女，硕士研究生；上海市杨浦区四平路1239号同济大学济阳楼306室（200092）；E-mail:lanxin62@126.com