空氣炸鍋改進(jìn)結(jié)構(gòu)仿真及實(shí)驗(yàn)研究

陳權(quán)明 隨晶俠 鄭志偉

佛山市順德區(qū)美的洗滌電器制造有限公司 廣東佛山 528311

0 引言

煎炸是中國最常見的傳統(tǒng)烹飪方式之一，煎炸食品口感外酥里嫩，深受大眾喜愛，但其含油量較高，且制作過程會產(chǎn)生大量油煙，對人體健康有害，故亟需一個更健康的烹飪方式來替代。近年來國內(nèi)興起的空氣炸鍋產(chǎn)品就是一種替代選擇，其采用高溫氣體在密閉的炸鍋內(nèi)高速回旋對食物進(jìn)行加熱[1-3]，使用少量食用油或者不用油即可煎炸美食。

空氣炸鍋通常是頂部加熱，通過吹風(fēng)將熱風(fēng)吹至整個腔體。容易讓食物受熱不均勻，烤的時候必須勤翻面，與空氣炸鍋“懶人神器”這一稱號有所背離，“不翻面”成為各大品牌進(jìn)行產(chǎn)品升級的主要方向之一[4]。針對免翻技術(shù)，目前技術(shù)研究發(fā)展趨勢主要是在空氣炸鍋空載的情況下進(jìn)行立體流場均勻性改進(jìn)。例如結(jié)合CFD數(shù)值模擬空氣炸鍋內(nèi)流體情況，揭示空氣炸鍋內(nèi)部的流場運(yùn)動規(guī)律與旋渦結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生和發(fā)展過程[5]。通過雙內(nèi)膽?yīng)毩L(fēng)道及底部擾流結(jié)構(gòu)把上發(fā)熱管的部分熱量導(dǎo)流到腔體底部，對食材下表面進(jìn)行對流加熱，從而達(dá)到上、下面同時受熱的效果。但在實(shí)際使用過程中，由于炸網(wǎng)沾上油污后比較難清洗，用戶通常會在炸網(wǎng)和食材之間鋪一層錫紙或一次性油紙來達(dá)到易清潔的目的，但這種方式會影響底部熱風(fēng)的加熱效果，使得食材上、下面的烹飪效果變差，用戶仍然需要在烹飪過程中人為翻動食材以改善上、下面的受熱均勻性，增加用戶烹飪的復(fù)雜度。故現(xiàn)有的技術(shù)研究未能真正解決用戶復(fù)雜場景下的翻面問題。

本文旨在通過在空氣炸鍋的腔體底部增加下發(fā)熱源，增強(qiáng)底部的傳熱能力，從而實(shí)現(xiàn)在無需人為翻面的情況下，達(dá)到食材上、下面受熱均勻性良好的效果。首先，對傳統(tǒng)型式的發(fā)熱管進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真模擬；然后，基于仿真的溫場分布，對發(fā)熱管形態(tài)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)；最后，對最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行烹飪效果的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 研究對象及控制方程

1.1 研究對象模型處理及基本假設(shè)

隨著計(jì)算機(jī)能力的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）被越來越廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域，例如空氣炸鍋對流換熱、烤箱熱場模擬設(shè)計(jì)等[6-9]。本研究采用CFD方法對空氣炸鍋腔體底部溫場進(jìn)行模擬分析，可以直觀看到腔體底部溫度分布情況，可對底部發(fā)熱管的結(jié)構(gòu)形態(tài)改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考和借鑒，減少金屬發(fā)熱管打樣試錯次數(shù)，縮短設(shè)計(jì)周期，降低研發(fā)成本。

本文主要研究通過在空氣炸鍋的腔體底部增加下發(fā)熱管，來提升腔體底部的熱均勻性，如圖1 a) 空氣炸鍋示意圖所示，核心結(jié)構(gòu)包括以下幾個部分：門體、不銹鋼鍋體、上下不銹鋼發(fā)熱管、腔體及熱風(fēng)組件部分，本研究僅進(jìn)行底部發(fā)熱管單因子對溫場的影響研究，未考慮流場耦合因素，故為減少網(wǎng)格數(shù)量提升仿真效率，可以把頂部發(fā)熱管及熱風(fēng)組件直接去除以簡化結(jié)構(gòu)模型。如圖1 b) 簡化模型所示，其中鍋內(nèi)及腔體區(qū)域設(shè)置為流體域，鍋體及下發(fā)熱管設(shè)置為固體域。實(shí)際過程中其內(nèi)部存在復(fù)雜化的傳熱過程，例如高溫氣體對食材的傳熱過程、高溫氣體與固體壁面?zhèn)鳠徇^程，固體壁面與保溫棉傳熱過程，保溫棉與外部空氣傳熱過程，以及固體壁面、上發(fā)熱管對食材熱傳導(dǎo)和熱輻射等過程?？紤]到文章的研究重點(diǎn)，本文主要針對腔體底部溫度均勻性改進(jìn)進(jìn)行模擬計(jì)算，故進(jìn)行以下說明及假設(shè)：

圖1 模型簡化處理

（1）固體壁面僅作為壁面，在計(jì)算過程中無任何物理特性變化；

（2）模型去除保溫棉，通過實(shí)測鍋底與仿真的溫度偏差來調(diào)節(jié)設(shè)置腔體壁面導(dǎo)熱系數(shù)；

（3）不考慮食材實(shí)際烹飪中相變換熱過程。

1.2 CFD基本控制方案

在數(shù)值模擬中，對于對流換熱可以運(yùn)用動量守恒定律、質(zhì)量守恒定律以及能量守恒定律進(jìn)行描述。然后借助數(shù)學(xué)方程對具體的定律進(jìn)行表述，生成相應(yīng)的動量方程、連續(xù)性方程以及相應(yīng)的能量方程[10-11]。

（1）動量守恒方程

給定物體邊界的流動概況，其微分表達(dá)式為：

（2）連續(xù)性方程

連續(xù)性方程也被稱為質(zhì)量守恒方程，表述為特定環(huán)境下，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的流體微元質(zhì)量流入和流出趨于恒定。其表達(dá)式為：

（3）能量守恒方程

對流換熱過程中發(fā)生熱量的傳遞與交換，根據(jù)溫度變化獲取能量守恒方程，其表達(dá)式為：

上述表達(dá)式中，ρ為單位時間密閉空間的密度；t為單位時間密閉空間的具體時間；為速度矢量；p為特定環(huán)境中相應(yīng)的流體微體壓力；τxx、τyx、τzx為粘性應(yīng)力；Fx、Fy、Fz為微元體所受的體積力在三個坐標(biāo)軸方向的投影；k為導(dǎo)熱系數(shù)；cp為比熱容；T為溫度；ST為內(nèi)熱源。使用CFD對空氣炸鍋溫場計(jì)算到達(dá)穩(wěn)態(tài)時進(jìn)行分析，故上述方程中?t=0。

2 網(wǎng)格劃分及計(jì)算模型

2.1 空氣炸鍋網(wǎng)格劃分

采用Meshing對計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2 a) 空氣炸鍋計(jì)算域中的整體網(wǎng)格剖視圖所示，由于存在腔體的薄壁以及下發(fā)熱管的曲面，故需通過proximity and curvature進(jìn)行定義。如圖2 b) 腔體及下發(fā)熱管局部放大圖中所示，當(dāng)腔體網(wǎng)格最小尺寸為0.6 mm，薄壁狹縫層數(shù)為1，下發(fā)熱管曲率控制36°，漸變率為1.2時，能滿足對腔體及下發(fā)熱管固體域進(jìn)行局部加密處理，提高仿真精度，同時盡可能減少計(jì)算量，縮短仿真時長。

圖2 空氣炸鍋計(jì)算域網(wǎng)格圖

2.2 計(jì)算模型確認(rèn)

綜合考慮腔體內(nèi)傳熱機(jī)理、計(jì)算精度和效率等各方面因素，選擇k-ε模型?？諝庹ㄥ佭\(yùn)行時，相應(yīng)的壁溫和浮升力會受空氣溫度影響，在此基礎(chǔ)上需要選擇enhanced wall treatment和full buoyancy effects完成相關(guān)的模擬分析。輻射換熱的模型包括P-1模型、Rosseland模型、DTRM模型以及DO模型等等。由于DO模型適用范圍廣，計(jì)算量適中，故選取DO模型進(jìn)行本次研究的數(shù)值模擬；邊界條件的設(shè)置如表2所示。

表2 邊界條件的設(shè)置

3 網(wǎng)格無關(guān)性與仿真分析

3.1 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果如表3所示。對網(wǎng)格劃分應(yīng)用了五種方案，網(wǎng)格數(shù)量分別是226萬網(wǎng)格、303萬網(wǎng)格、491萬網(wǎng)格、573萬網(wǎng)格和735萬網(wǎng)格。參考腔體整體平均溫度分析得知，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量為226萬時，腔體整體平均溫度為135.6℃；當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量為303萬時，平均溫度為141.6℃，前兩種方案溫度偏差為6℃，偏差較大。隨著網(wǎng)格數(shù)量的提升，較303萬網(wǎng)格方案溫度偏差皆≤1.1℃，腔體溫度逐漸趨于一個穩(wěn)定值，說明溫度不再隨網(wǎng)格數(shù)量的增加而發(fā)生大的偏差，網(wǎng)格滿足無關(guān)性要求。綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算量，最終確定進(jìn)行數(shù)值模擬的最佳網(wǎng)格數(shù)量為303萬。

表3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

3.2 仿真精度確認(rèn)

圖3所示為仿真與實(shí)測腔體9點(diǎn)溫度對比圖，通過采用HIOKI日置LR8450數(shù)據(jù)采集儀實(shí)測采集鍋底9點(diǎn)溫度，并將CFD結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明：CFD結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，誤差小于5%。在實(shí)際產(chǎn)品中由于空氣炸鍋保溫棉填充密度以及包裹松緊偏差等因素，會導(dǎo)致數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果存在一定的偏差，故該模型精度符合要求。

圖3 仿真與實(shí)測腔體9點(diǎn)溫度對比圖

3.3 傳統(tǒng)方案問題分析

圖4a) 所示為傳統(tǒng)型式發(fā)熱管方案的腔體溫度分布云圖，圖4 b)為傳統(tǒng)型式的蚊香型發(fā)熱管，發(fā)熱管均勻盤旋。如圖4 a) 腔體溫度云圖所示，把該類型發(fā)熱管直接作為下發(fā)熱管，由于腔體四周與外界環(huán)境進(jìn)行熱交換，腔體四周與發(fā)熱管外圍溫差較大，導(dǎo)致發(fā)熱管外圍散熱速度要比發(fā)熱管中心散熱速度要快，所以出現(xiàn)中心溫度比兩側(cè)高現(xiàn)象。而發(fā)熱管靠門一側(cè)由于保溫棉無法完全包裹，導(dǎo)致靠門一側(cè)散熱較快，腔體前部比后部溫度低。仿真的鍋底9點(diǎn)溫度最大溫差為69.5℃，腔體底部溫度均勻性較差，故需減少中心區(qū)域及加大靠門一側(cè)的發(fā)熱管密度來進(jìn)行改進(jìn)下發(fā)熱管結(jié)構(gòu)形態(tài)。

圖4 傳統(tǒng)型式發(fā)熱管方案溫度分布圖

3.4 仿真改進(jìn)

通過傳統(tǒng)型式發(fā)熱管仿真分析得知，需減少中心區(qū)域及增加靠門一側(cè)的發(fā)熱管密度，故提出了三種發(fā)熱管結(jié)構(gòu)形態(tài)，下發(fā)熱管改進(jìn)方案結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 下發(fā)熱管改進(jìn)方案結(jié)構(gòu)圖

圖6～圖8為三種改進(jìn)方案的腔體底部及下發(fā)熱管溫度分布云圖，降低中心區(qū)域及增加靠門一側(cè)的發(fā)熱管密度有利于改善腔體底部溫度均勻性。其中方案1和方案2腔體底部溫度靠門一側(cè)仍然出現(xiàn)溫度偏低情況，方案1最大溫差為43.9℃，方案2最大溫差為33.7℃。改進(jìn)方案3的最大溫差為27.8℃，較傳統(tǒng)方案69.5℃的均勻性改善提升60%，具體數(shù)值如表4所示。

表4 傳統(tǒng)型式方案與改進(jìn)方案腔體底部溫度

圖6 改進(jìn)方案1：腔體底部及下發(fā)熱管溫度分布圖

圖7 改進(jìn)方案2：腔體底部及下發(fā)熱管溫度分布圖

圖8 改進(jìn)方案3：腔體底部及下發(fā)熱管溫度分布圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 腔體底部均勻性改進(jìn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

表5給出了改進(jìn)前、后腔體底部溫度的實(shí)測數(shù)值，經(jīng)過上述方案3改進(jìn)，原腔體中心位置5的溫度由225.7℃下降至196.1℃，鍋底9點(diǎn)的最大溫度差由57.3℃下降至27.5℃，腔體底部溫度均勻改善提升了52%，與數(shù)值模擬結(jié)果符合性較好。

表5 改進(jìn)前、后腔體底部溫度的實(shí)測數(shù)值

由于蛋餅液能較好地與鍋體貼合，且烹飪結(jié)束后可直觀通過蛋餅底部上色情況來判斷空氣炸鍋腔體底部的加熱均勻性。故以煎蛋餅對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)效果：使用打蛋器把雞蛋液50 g攪拌均勻后，加入100 g清水繼續(xù)攪拌均勻，最后加入過篩后的100 g中筋面粉攪拌成無顆粒蛋餅液狀態(tài)。鍋底中心控溫230℃，預(yù)熱完成后把蛋餅液倒入鍋體中，加熱15 min，記錄蛋餅底部上色情況。

圖9所示為煎蛋餅實(shí)測對比圖，傳統(tǒng)型式發(fā)熱管的蛋餅中心已經(jīng)出現(xiàn)焦糊色，而蛋餅四周上色較淺。經(jīng)過方案3下發(fā)熱管形態(tài)改進(jìn)，蛋餅底部上色均勻性有明顯改善。與上述仿真及溫度實(shí)測分析結(jié)果符合性較好。

圖9 煎蛋餅實(shí)測對比圖

4.2 上下管功率匹配

圖10所示為上、下管功率匹配圖，通過分別調(diào)節(jié)上下管的功率大小，使得實(shí)測腔體底部與爐心溫度偏差≤5℃，擬合上下管功率關(guān)系公式，避免腔體底部溫度過低或過高而導(dǎo)致煎炸食物底面不上色或上色過深。上下管功率數(shù)值擬合關(guān)系式如下：

圖10 上、下管功率匹配圖

式中，y為下發(fā)熱管功率，x為上發(fā)熱管功率。該公式擬合度R2=0.9967，擬合度較好。

4.3 烹飪效果對比

在某廚房App的空氣炸鍋常用高頻前十菜譜調(diào)研得知，其中干鍋雞翅占比39%位居第一，故通過以空氣炸雞翅來對比百元級普通款、千元級高端款以及改進(jìn)方案的空氣炸烹飪效果，對比兩款不同價位段的空氣炸鍋均為單上發(fā)熱管加風(fēng)機(jī)組合。

炸雞翅對比實(shí)驗(yàn)：按10 g生抽、2 g老抽、4 g耗油、4 g料酒、3 g白糖及6 g玉米油配比成腌料，把清洗好的6個雞翅放入腌料腌制1小時。在空氣炸鍋腔內(nèi)放置一次性油紙，并把6個雞翅均勻排布在油紙上，在雞翅中心內(nèi)部插入一根熱電偶檢測溫度，空氣炸鍋設(shè)置200℃，檢測所有雞翅熱電偶溫度到達(dá)95℃后停止實(shí)驗(yàn)，記錄雞翅上、下表面上色情況。

如圖11所示，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，圖11 a) 普通款空氣炸鍋與圖11 b)高端款空氣炸鍋在使用一次性油紙后，雞翅的背面比頂面上色淺，需要用戶中途翻面。圖11 c) 改進(jìn)方案在增加底部熱源后，即使用戶使用油紙，雞翅底面依然能夠上色，達(dá)到上空氣炸、下煎的免翻面效果。

圖11 改進(jìn)方案烹飪效果對比

5 結(jié)論

本文主要研究通過在空氣炸鍋底部增加下發(fā)熱管來解決空氣炸鍋使用一次性油紙時需要中途翻面的痛點(diǎn)，采用CFD軟件對腔體底部溫場均勻性分析來指導(dǎo)下發(fā)熱管結(jié)構(gòu)形態(tài)設(shè)計(jì)，并結(jié)合實(shí)際烹飪效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。主要結(jié)論如下：

（1）傳統(tǒng)型式的蚊香型發(fā)熱管均勻盤旋，由于中部熱量散熱較慢導(dǎo)致腔體底面中心溫度比兩側(cè)高，門體保溫性能比腔體四周要差，故需減少中心區(qū)域的發(fā)熱管密度，增加靠門一側(cè)發(fā)熱管密度來改善腔體底部均勻性。

（2）現(xiàn)有空氣炸鍋的熱場均勻性研究主要在空腔下進(jìn)行改進(jìn)，脫離了用戶的實(shí)際烹飪場景。用戶為了便于清潔使用一次性油紙或錫紙時，減弱底面對流換熱能力，導(dǎo)致烹飪食材上下面上色不均勻，需要用戶烹飪中途進(jìn)行翻面處理。通過增加下發(fā)熱管，有利于提升底部供熱能力，達(dá)到中途免翻面效果。