袁 宏 吳大轉(zhuǎn) 秦世杰 鄭 鑫 武 鵬 黃 濱

(1. 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所，浙江 杭州 310027；2. 寧波方太廚具有限公司，浙江 寧波 315336;3. 浙江大學(xué)海洋工程與技術(shù)研究所，浙江 杭州 310027)

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強(qiáng)制對(duì)流烤箱溫度場(chǎng)特性及其優(yōu)化研究

袁 宏1吳大轉(zhuǎn)1秦世杰1鄭 鑫2武 鵬1黃 濱3

(1. 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所，浙江 杭州 310027；2. 寧波方太廚具有限公司，浙江 寧波 315336;3. 浙江大學(xué)海洋工程與技術(shù)研究所，浙江 杭州 310027)

為研究某型強(qiáng)制對(duì)流烤箱內(nèi)溫度分布特性，優(yōu)化烤箱內(nèi)部溫度場(chǎng)均勻性，采用試驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬進(jìn)行研究。通過(guò)3×3分布式電阻測(cè)點(diǎn)(Pt)動(dòng)態(tài)測(cè)量烤箱各層溫度場(chǎng)分布，針對(duì)烤箱溫度均勻性指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)量與分析。采用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)烤箱內(nèi)部溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，綜合考察了熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射效應(yīng)。進(jìn)一步通過(guò)試驗(yàn)的溫度測(cè)量，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性。結(jié)合試驗(yàn)和模擬結(jié)果，揭示并分析了烤箱原有結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)不均勻的原因。通過(guò)添加徑向?qū)~結(jié)構(gòu)、調(diào)整加熱管位置、改進(jìn)加熱管形式和烤箱擋板等措施，有效改善了烤箱內(nèi)部溫度場(chǎng)的均勻性。

烤箱；強(qiáng)制對(duì)流；溫度場(chǎng)分布；流場(chǎng)模擬；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

強(qiáng)制對(duì)流烤箱相比傳統(tǒng)烤箱具有升溫快、熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，然而，由于存在加熱速度快、熱風(fēng)回旋等問(wèn)題，使烤箱內(nèi)部溫度不均勻。而烤箱內(nèi)部溫度場(chǎng)均勻性直接影響著烤制食物的品質(zhì)，因此，烤箱內(nèi)部溫度分布的研究得到充分重視[1]。

目前研究烤箱溫度分布的方法主要包括試驗(yàn)研究和計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)數(shù)值模擬。試驗(yàn)研究測(cè)試結(jié)果可靠，但投資大，時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)受試驗(yàn)條件的限制；而CFD數(shù)值模擬具有速度快、花費(fèi)少，且可以同時(shí)模擬多種工況等優(yōu)勢(shì)。因此，CFD數(shù)值模擬被廣泛用于烤箱內(nèi)部氣流流動(dòng)和傳熱特性的研究，試驗(yàn)研究除了驗(yàn)證烤箱品質(zhì)外，也用于數(shù)值模擬結(jié)果的驗(yàn)證[1-2]。目前烤箱溫度分布均勻性的研究已經(jīng)廣受關(guān)注，國(guó)外對(duì)烤箱已有較多的研究，如Khatir等[3]研究了直接加熱噴管式烤箱，同時(shí)用試驗(yàn)研究結(jié)果對(duì)數(shù)值模擬進(jìn)行了驗(yàn)證；Smolka等[4]結(jié)合了試驗(yàn)研究和CFD數(shù)值模擬的手段對(duì)烤箱溫度均勻性進(jìn)行了優(yōu)化。而中國(guó)研究較少，如王璟等[5]研究了不同工作階段烤箱內(nèi)部的傳熱機(jī)理，便于進(jìn)一步對(duì)烤箱內(nèi)部進(jìn)行優(yōu)化。國(guó)內(nèi)外大部分對(duì)烤箱的改進(jìn)是基于增大加熱管功率、提高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和改變排氣口位置等措施實(shí)現(xiàn)的，而對(duì)于導(dǎo)葉、加熱管位置和形式等影響烤箱溫度場(chǎng)的重要因素并未進(jìn)行深入研究。

本試驗(yàn)擬對(duì)某電加熱強(qiáng)制對(duì)流烤箱進(jìn)行研究，采用了CFD數(shù)值模擬和試驗(yàn)測(cè)試的方法分析其內(nèi)部流場(chǎng)和傳熱特性，以及內(nèi)部流場(chǎng)均勻性對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響。對(duì)導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)、加熱管位置、加熱管形式以及蓋板結(jié)構(gòu)等影響烤箱溫度均勻性的重要因素進(jìn)行了深入的研究，在此基礎(chǔ)上提出了新的改進(jìn)方法，并且從試驗(yàn)和數(shù)值模擬上進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

圖1為烤箱外觀和內(nèi)腔結(jié)構(gòu)示意圖。箱體為雙層不銹鋼材料，中間充填絕熱材料；門(mén)體為3層耐高溫透明玻璃，便于觀察內(nèi)部食品的烤制情況；烤箱內(nèi)膽的底部、頂部和背部各布置有一個(gè)加熱管，加熱管采用金屬管式結(jié)構(gòu)，外表面涂敷紅外輻射材料提高熱輻射效率；背部擋板外設(shè)有熱風(fēng)機(jī)，通過(guò)熱風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)作用，內(nèi)部空氣經(jīng)過(guò)中間加熱管加熱，從蓋板結(jié)構(gòu)的出風(fēng)口吹出后到達(dá)烤箱門(mén)體，在烤箱主流域內(nèi)形成循環(huán)后從中間入風(fēng)口進(jìn)入蓋板結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)烤箱內(nèi)部氣流循環(huán)。

1. 上加熱管 2. 中加熱管 3. 下加熱管 4. 蓋板 5. 熱風(fēng)扇 6. 出風(fēng)口 7. 門(mén)

1.2 試驗(yàn)方法

為研究烤箱內(nèi)腔實(shí)際溫度分布情況，對(duì)烤箱的各層烤架進(jìn)行了溫度測(cè)試。取內(nèi)腔上、中、下層烤架對(duì)應(yīng)的3個(gè)參考面，每個(gè)面上分別均勻布置9個(gè)測(cè)點(diǎn)[6]，見(jiàn)圖2。測(cè)試儀器采用橫河電機(jī)(中國(guó))有限公司的GP20溫度記錄儀，每1 s記錄一次，測(cè)量范圍0～800 ℃，精度0.1 ℃。

2 數(shù)值模擬

2.1 網(wǎng)格劃分

對(duì)烤箱進(jìn)行幾何建模，并使用ICEM軟件劃分網(wǎng)格，見(jiàn)圖3。同時(shí)對(duì)烤箱進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，見(jiàn)表1，隨網(wǎng)格數(shù)的增加，實(shí)例2和實(shí)例3的溫度變化趨勢(shì)一致，且各測(cè)點(diǎn)的溫度變化偏差均小于1%，滿(mǎn)足計(jì)算精度的要求。綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算量，最終確定最佳網(wǎng)格數(shù)量約為152萬(wàn)。

圖2 烤箱測(cè)點(diǎn)分布圖

圖3 烤箱網(wǎng)格劃分及無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

實(shí)例單元格數(shù)面單元數(shù)節(jié)點(diǎn)數(shù)實(shí)例1(較差)31656實(shí)例215226820實(shí)例3(較好)34469861

2.2 邊界條件及物性參數(shù)

表2為烤箱邊界條件的設(shè)置，烤箱門(mén)體與空氣接觸，產(chǎn)生對(duì)流換熱，且和內(nèi)部發(fā)生輻射換熱，因此門(mén)壁面選用Mixed模式；烤箱底部和地面接觸，對(duì)流換熱量極少，因此只考慮輻射換熱，選用Radiation模式；而烤箱頂部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對(duì)其簡(jiǎn)化后進(jìn)行溫度補(bǔ)償，因此選用Heat Flux模式；中加熱管則采用熱流密度模式進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算?？諝狻⒉讳P鋼和隔熱玻璃的熱物理輻射性質(zhì)參考傳熱傳質(zhì)原理[7]。烤箱內(nèi)部的不銹鋼、隔熱玻璃看作不透明固體，熱吸收系數(shù)設(shè)為10 000，空氣熱吸收系數(shù)設(shè)為0.75[8]。

2.3 數(shù)值模型及求解設(shè)置方法

本試驗(yàn)的烤箱溫度場(chǎng)分析基于三維不可壓縮定常流動(dòng)和傳熱模擬，采用Fluent軟件實(shí)現(xiàn)。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，同時(shí)選擇增強(qiáng)壁面函數(shù)?？鞠鋬?nèi)部熱量主要通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射進(jìn)行傳遞，輻射模型選擇DO模型[9-10]。計(jì)算時(shí)利用SIMPLEC耦合算法，3個(gè)坐標(biāo)方向的速度方程和k方程的對(duì)流項(xiàng)離散采用二階迎風(fēng)差分格式，擴(kuò)散項(xiàng)的離散采用二階中心差分格式[1]。

2.4 結(jié)果與討論

2.4.1 數(shù)值模擬檢驗(yàn)與驗(yàn)證 針對(duì)初始烤箱結(jié)構(gòu)，對(duì)內(nèi)腔溫度進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。由圖4可知，數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)際測(cè)量溫度分布趨勢(shì)基本一致。

圖4 中層烤架模擬溫度和實(shí)測(cè)溫度對(duì)比

進(jìn)一步采用平均絕對(duì)誤差來(lái)評(píng)估預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，其定義式為：

(1)

式中：

eabs——平均絕對(duì)誤差，%；

n——測(cè)量范圍內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)的數(shù)目；

Te——試驗(yàn)中測(cè)試的溫度值，℃；

Tp——數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的溫度值，℃。

烤箱內(nèi)腔模擬平均溫度195.4 ℃，試測(cè)溫度197.7 ℃，模擬值低于實(shí)測(cè)值2.2 ℃,數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)所得平均絕對(duì)百分誤差為4.50%，最大偏差為8.14%<10%，在可接受范圍內(nèi)，故數(shù)值模擬結(jié)果較為可靠。

2.4.2 烤箱溫度分布特性 由圖4可知，烤箱內(nèi)腔靠近壁面處溫度較高，靠近烤箱門(mén)體處溫度較低，從烤箱內(nèi)腔后壁面到烤箱門(mén)體處的內(nèi)腔溫度呈逐漸降低的趨勢(shì)。模擬和實(shí)測(cè)結(jié)果均表明烤箱內(nèi)部溫度場(chǎng)存在顯著不均勻的現(xiàn)象，溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到了4.63。其主要原因包括中心漩渦的存在、左右側(cè)強(qiáng)制熱風(fēng)溫差和局部不均勻性等。

(1) 中心漩渦：數(shù)值模擬結(jié)果表明烤箱內(nèi)部存在大尺度漩渦，見(jiàn)圖5、6。由于漩渦中心處于流動(dòng)死區(qū)，在實(shí)際加熱過(guò)程中，對(duì)流換熱效果差，因此該區(qū)域溫度明顯低于周?chē)鷧^(qū)域?？鞠渲行匿鰷u是由風(fēng)扇出口較大的周向速度分量引起的，故消除漩渦需要減少風(fēng)扇出口的周向速度分量。

(2) 左右側(cè)強(qiáng)制熱風(fēng)溫度差：由于初始烤箱的加熱管位于風(fēng)扇入口外圍，實(shí)際工作中只有外圍入口空氣得到加熱，而大部分中間入口空氣并未直接流過(guò)加熱管，導(dǎo)致烤箱內(nèi)部加熱時(shí)間長(zhǎng)，加熱效果不佳，且原加熱管左右側(cè)出風(fēng)位置不對(duì)稱(chēng)，引起左右側(cè)出風(fēng)量不等，產(chǎn)生強(qiáng)制熱風(fēng)溫差。

圖5 烤箱流線(xiàn)圖

圖6 烤箱XZ平面及擋板入口速度云圖

(3) 局部不均勻性：原烤箱熱風(fēng)出口動(dòng)量損失較為嚴(yán)重，引起熱風(fēng)進(jìn)入主流場(chǎng)區(qū)域風(fēng)速降低，降低了熱風(fēng)機(jī)的加熱效果。由圖7可知，主要原因是原蓋板左右側(cè)出風(fēng)口離壁面很近，且開(kāi)口較小，而上下側(cè)出風(fēng)離壁面較遠(yuǎn)，且開(kāi)口較大，導(dǎo)致經(jīng)過(guò)風(fēng)扇加速后的熱風(fēng)直接碰撞箱體壁面，造成較大的熱風(fēng)動(dòng)量損失，因此通過(guò)改進(jìn)擋板出風(fēng)口結(jié)構(gòu)可改善烤箱內(nèi)部的局部不均勻性。

3 烤箱結(jié)構(gòu)改進(jìn)與溫度場(chǎng)優(yōu)化

針對(duì)上述溫度場(chǎng)存在的問(wèn)題，本研究提出以下3種方案：① 添加徑向?qū)~結(jié)構(gòu)；② 改進(jìn)加熱管位置和加熱管形式；③ 改進(jìn)烤箱擋板。

圖7 烤箱XZ平面速度矢量圖和速度云圖

3.1 添加徑向?qū)~結(jié)構(gòu)

由于風(fēng)扇出口存在較大的周向速度分量，烤箱的中心漩渦非常明顯。因此添加合理的徑向?qū)~結(jié)構(gòu)可以消除風(fēng)扇出口的速度環(huán)量，從而抑制烤箱腔內(nèi)漩渦的產(chǎn)生。本研究針對(duì)烤箱提出了3種導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)(直導(dǎo)葉、徑向?qū)~1、徑向?qū)~2)，見(jiàn)圖8。并基于以上3種結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)流場(chǎng)均勻性的改善進(jìn)行了比較，結(jié)果見(jiàn)圖9。

對(duì)比圖8和圖9可知，徑向?qū)~結(jié)構(gòu)對(duì)烤箱內(nèi)部中心漩渦有一定的抑制作用。其中直導(dǎo)葉造成的速度損失較大，流線(xiàn)方向的改變較為有限，且烤箱內(nèi)部的漩渦結(jié)構(gòu)仍然較為明顯；徑向?qū)~1入口段雖然有較好的引導(dǎo)流線(xiàn)，但由于熱風(fēng)機(jī)擋板徑向?qū)~長(zhǎng)度有限，因此后半段導(dǎo)葉改變效果不太好；而徑向?qū)~2在前兩種導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上形成，可以較好地引導(dǎo)流線(xiàn)，改變流線(xiàn)的速度方向，各方向均勻出風(fēng)，且無(wú)漩渦存在。為定量分析3種導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)消除周向速度分量的效果，本研究取導(dǎo)葉出口的徑向速度分量和周向速度分量之比來(lái)評(píng)判其合理性。其中徑向分量/周向分量比值越大，說(shuō)明引起中心漩渦的周向速度分量所占比例越小，有利于抑制烤箱內(nèi)部中心漩渦，改善內(nèi)部流場(chǎng)均勻性。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得直導(dǎo)葉、徑向?qū)~1和徑向?qū)~2的徑向分量/周向分量分別為1.05，1.41，2.89。因此，徑向?qū)~2對(duì)消除風(fēng)扇出口周向速度分量效果良好，能有效抑制中心漩渦的產(chǎn)生。

圖8 3種不同導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)

圖9 3種不同導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)的背部流線(xiàn)圖和溫度云圖

3.2 調(diào)整加熱管位置和改進(jìn)加熱管形式

為了提高烤箱內(nèi)部的加熱效率，將加熱管的位置進(jìn)行調(diào)整，即加熱管往風(fēng)扇尾部移動(dòng)，使加熱管與風(fēng)扇出風(fēng)處直接相對(duì)；同時(shí)對(duì)加熱管形式進(jìn)行改進(jìn)，縮小螺旋結(jié)構(gòu)間距，示意圖見(jiàn)圖10、11，模擬結(jié)果見(jiàn)圖12。

由圖10～12可知，加熱管位置和加熱管形式影響著烤箱內(nèi)部流線(xiàn)的分布，烤箱內(nèi)部流線(xiàn)從上下出風(fēng)變成了四周出風(fēng)。改進(jìn)前的風(fēng)扇外圍只有較少的空氣被加熱，加熱管效率低，而改進(jìn)后的加熱管放置在風(fēng)扇外圍，以出風(fēng)加熱方式代替原有的入風(fēng)加熱方式，不僅改善了左右側(cè)出風(fēng)量不均勻的問(wèn)題，同時(shí)還改善了烤箱內(nèi)部的溫度均勻性。

3.3 改進(jìn)烤箱擋板

由于原蓋板出風(fēng)口設(shè)置不合理，熱風(fēng)在開(kāi)口附近的動(dòng)能損失較大。故對(duì)蓋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化。將蓋板四周均勻開(kāi)口保證其均勻出風(fēng)，同時(shí)將四邊設(shè)置成角度較小的斜坡，以改善蓋板附近氣流分布，減少渦流和死角，結(jié)構(gòu)示意圖和模擬結(jié)果見(jiàn)圖13、14。

由圖14可知，改進(jìn)后的緩斜坡蓋板四周開(kāi)口均勻，利于熱風(fēng)更好地經(jīng)過(guò)蓋板，減少了熱風(fēng)出口的動(dòng)量損失，且烤箱內(nèi)部流場(chǎng)均勻性和溫度均勻性均得到了改善。

圖10 加熱管與風(fēng)扇的相對(duì)位置

圖11 原加熱管形式與改進(jìn)后加熱管形式

圖12 烤箱背部流線(xiàn)圖及溫度云圖

圖13 烤箱背部蓋板結(jié)構(gòu)

3.4 最終優(yōu)化結(jié)果分析

由圖15可知，對(duì)改進(jìn)后的烤箱進(jìn)行數(shù)值模擬和試驗(yàn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)烤箱整體溫度均勻性較好，內(nèi)腔模擬最高溫度207.3 ℃，最低溫度201.3 ℃，平均溫度204.3 ℃，而實(shí)測(cè)最高溫度208.3 ℃，最低溫度201.8 ℃，平均溫度205.2 ℃，溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差從原來(lái)的4.63降低到了2.05，溫度均勻性比原烤箱有較大的提高。

圖14 烤箱背部蓋板速度云圖及溫度云圖

4 結(jié)論

本試驗(yàn)針對(duì)某電加熱強(qiáng)制對(duì)流烤箱進(jìn)行了內(nèi)部流場(chǎng)和傳熱的數(shù)值模擬，分析帶風(fēng)扇的強(qiáng)制對(duì)流烤箱內(nèi)部溫度場(chǎng)分布不均勻的現(xiàn)象及其原因，并以改善烤箱內(nèi)部溫度分布均勻性為目標(biāo)，提出了幾種烤箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化的措施，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值模擬和試驗(yàn)。主要結(jié)論如下：

(1) 建立了可靠的數(shù)值模擬方法，對(duì)原烤箱進(jìn)行數(shù)值模擬和試驗(yàn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)所得平均絕對(duì)百分誤差為4.50%，在可接受范圍內(nèi)，故數(shù)值模擬結(jié)果較為可靠。

(2) 分析和揭示了烤箱內(nèi)部溫度分布特性，烤箱內(nèi)腔靠近壁面處溫度較高，靠近烤箱門(mén)體處溫度較低，從烤箱內(nèi)腔后壁面到烤箱門(mén)體處的內(nèi)腔溫度呈逐漸降低的趨勢(shì)，烤箱內(nèi)部溫度場(chǎng)存在顯著的不均勻性。

(3) 添加合理的徑向?qū)~結(jié)構(gòu)可減少風(fēng)扇出口環(huán)量，進(jìn)而消除烤箱內(nèi)部大尺度漩渦；調(diào)整加熱管位置和改進(jìn)加熱管形式可減少烤箱左右側(cè)強(qiáng)制熱風(fēng)溫差；改進(jìn)背部蓋板結(jié)構(gòu)可改善蓋板附近流場(chǎng)分布，減少局部漩渦和流動(dòng)死角區(qū)域，從而顯著改善烤箱內(nèi)部溫度場(chǎng)的均勻性，溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差從4.63降到了2.05。

圖15 中層烤架模擬溫度和實(shí)測(cè)溫度對(duì)比

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Study and optimization on characteristics of temperature field in forced convection oven

YUAN Hong1WU Da-zhuan1QIN Shi-jie1>ZHENG Xin2WU Peng1HUANG Bin3

(1. Institute of Process Equipment, Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang 310027, China;2. Fotile Ningbo, Ningbo, Zhejiang 315336, China; 3. Institute of Marine Engineering Science and Technology, Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang 310027, China)

In order to study the characteristics of temperature distribution in a forced convection oven, and to optimize the uniformity of the temperature field inside the oven, the experimental and numerical simulation was carried out. The temperature distribution of each layer was measured by 3×3 distributed resistance points (Pt), and the temperature uniformity was measured and analyzed. The Computational Fluid Dynamics (CFD) method is used to simulate the temperature field inside the oven, considering the heat conduction, convection and radiation. The accuracy of the numerical simulation method is verified by the experimental results. Based on the experimental and simulation results, the reasons for the non-uniform temperature field of the original structure of the oven are revealed and analyzed. The uniformity of the temperature field in the oven is improved by adding the guide vane structure, adjusting the position of the heating tube, improving the heating tube and improving the baffle.

oven; forced convection; temperature field; flow field si-mulation; structure optimization

袁宏，女，浙江大學(xué)在讀碩士研究生。

吳大轉(zhuǎn)(1977—)，男，浙江大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。 E-mail：wudazhuan@zju.edu.cn

2017—04—18

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.06.015