基于CFD的家用多功能蒸烤箱温度分布均匀性的改进措施

金恩来，王超，金浩哲

基于CFD的家用多功能蒸烤箱温度分布均匀性的改进措施

金恩来1，王超2，金浩哲2

（1.杭州九阳小家电有限公司技术研发部，浙江 杭州 310018；2.浙江理工大学 机械与自动控制学院，浙江 杭州 310018）

针对强制对流蒸烤箱内腔存在的温度分布不均匀的现象，基于计算流体力学（CFD）的方法对蒸烤箱内腔的速度场和温度场进行数值模拟。分别对比分析了提升加热管功率、增添挡风罩结构、增加热风扇转速后的蒸烤箱内腔的平均温度和温度标准差。研究结果表明，增大加热管功率能够提升内腔的整体温度，但也会加重温度分布不均匀的现象；增添挡风罩结构和能够有效均匀内腔温度，但会降低内腔的平均温度；增加热风扇转速不影响内腔的平均温度且能够促进温度的均匀分布。最终选择增添挡风罩并增加热风扇转速作为蒸烤箱改善温度分布不均匀现象的最佳措施。

蒸烤箱；加热管功率；挡风罩；热风扇转速

1 引言

随着人们生活品质的提高以及宅人消费时代的到来，便捷、健康的烹饪方式越来越被现代人所追捧。烤箱作为一种快速加热的家电厨具，一直深受消费者的青睐。传统的烤箱在加热过程中易造成菜品水分的大量流失，不仅影响菜品的鲜美，过多食用还会危害人体的健康[1]。本文所研究的蒸烤箱同时具备蒸和烤两种功能，烤是通过箱侧的加热管对食物进行烘烤，蒸则是通过箱底发热盘将水加热成蒸汽以维持烘烤环境的湿度，从而达到烤制食物目标的同时，还能够有效保持食物中的水分含量。但蒸烤箱内腔普遍存在着温度分布不均匀的现象，温度分布的均匀性将会直接影响到烤制食物的美味程度，也是衡量蒸烤箱性能的重要指标。如何采取有效的措施改进蒸烤箱内腔的温度分布不均匀现象是本文研究的主要目标。

许多专家、学者和工作人员已经通过数值模拟和实验的方法对烤箱内部传热情况和优化方案作出了分析总结，为本文研究奠定了理论基础。张蓝心等[2]通过分析改进烤箱盖板结构和提高风扇转速后的温度场和速度场，研究了烤箱内部的加热情况。MICAEL等[3]瞬时模拟了速度场的变化情况，分析风扇转速是影响对流传热强弱的主要因素。刘俊等[4]通过增设挡板有效抑制了中心漩涡导致的热堆积现象，提高了腔体内热流分布的均匀性。袁宏[5]对强制对流烤箱提出了增添径向导叶、栅格型挡风板、新型格栅等三种优化方案。CHHANWAL等[6]对比分析了DTRM、S2S和DO三种热辐射模型计算结果，并通过实验验证了在烤箱的数值模拟中DO模型更加准确。

本文在上述理论的基础上对兼具蒸、烤的新型烤箱进行CFD数值模拟，对比分析不同加热管功率、添加挡风罩、不同热风扇转速三种改善措施下的速度场、温度场，以速度梯度和温度分布均匀度为标准去判断改进措施的优良，从而改善蒸烤箱温度分布不均匀的现象。

2 蒸烤箱数值模拟过程

2.1 蒸烤箱的工作原理

蒸烤箱可以分成内腔区，外腔区，冷、热风扇旋转区四个区域，内腔区是包含内胆、载物盘、加热管等，是烤制食物被加热的区域，也是本文研究的主要区域。当蒸烤箱开始工作时，电机带动冷风扇从外界通过抽风口进行抽风，一部分空气被送至外腔进行降温，另一部分空气经过热风扇进入内腔在加热管热辐射和对流换热的加热作用下进入内腔进行热传递，热风的循环加速了由发热盘蒸发的水蒸汽的扩散，从而保证内腔的温度和湿度。

2.2 模型简化及网格划分

根据蒸烤箱的工作原理简化建立蒸烤箱模型并使用ICEM对其进行网格划分，由于蒸烤箱内部存在镂空载物网盘和冷、热风扇等一系列不规则复杂几何尺寸，因此，采用非结构网格进行划分，通过增加网格数量增加计算精度，划分后的网格数量为248万。

2.3 数值模型及边界条件

速度场、温度场是本文研究的重点，采用准确的湍流模型、换热模型和边界条件是必要的，热风扇加剧了内腔中空气的湍流流动且形成漩涡，采用注重旋流RNG k-ε湍流模型最为合适[7]。内腔中存在传热方式有加热管的热辐射、空气和加热管壁面间的强制对流换热和空气间的热传导。加热管辐射模型选为DO（Discrete Ordinates）模型，并开启能量方程，来观察其对流换热和热传导结果。边界条件按照工作原理进行设置，其中风扇采用动网格中的多重参考系（MRF）模型，外腔出风口设置为Outflow[8-9]。

蒸烤箱内部流动介质为空气，加热管材料、内胆和载物盘的材料为不锈钢，外壳材料为PBT塑胶，材料性质如表1所示[10]。

表1 传热介质性质参数

介质密度/（kg·m-3）粘度/（J·kg-1·K-1）热导率 /（W·m-1·K-1） 空气1.1651 0060.024 不锈钢8 03050217 PBT塑胶1.31 3400.27

3 计算结果及分析

对优化前、不同加热管功率、添加挡风罩和不同热风扇转速下的蒸烤箱进行数值模拟，并分析速度云图和温度云图的变化规律。对载物网盘的6个位置进行温度监测，计算温度平均值，并通过式（1）计算温度标准差，通过平均温度和标准差总结改善措施的优良：

3.1 优化前蒸烤箱性能

优化前蒸烤箱温度、速度云图如图1所示。

图1 优化前蒸烤箱温度、速度云图

图1为1 500 W加热管功率3 000 r/min热风扇转速下的速度、温度云图，风扇正下方和镂空载物盘底部两侧存在低速区，高速区温度明显高于低速区温度，由于镂空载物盘的阻力，上部温度高于下部温度。

优化前蒸烤箱内腔不能够满足理想的蒸汽的扩散和温度的均匀分布，因此，分别采取增大加热管功率、增加热风扇的转速、添加挡风罩等措施进行改进，模拟结果如下。

3.2 增大加热管功率

原烤箱加热管功率为1 500 W，现对1 555 W、1 600 W、1 689 W、1 778 W加热管功率进行数值模拟。不同功率下的监测点平均温度和标准差如图2所示，随加热管功率的升高，内腔平均温度逐渐升高，但同时温度分布不均现象也愈加明显。因此，不建议通过增加加热管功率来改善蒸烤箱内温度分布。

3.3 添加挡风罩

在热风扇下方添加挡风罩将会直接改变空气在内腔中流动方向，挡风罩的添加位置如图3所示。添加挡风罩后的速度、温度云图如图4所示，根据图4可知，其内腔平均温度较优化前整体温度下降了4 ℃，温度标准差较之前下降了1.44 ℃。内腔平均温度虽比优化前的平均温度整体要低，但对温度分布不均有所改善，镂空载物盘上部和下部温度分布也更加平均。热风扇下方依旧产生了低速区，但其产生的原理和优化前的并不相同。添加挡风罩形成的低速区是因为挡风罩改变了空气的流动方向，侧面的空气因为风扇动力不足无法到达中部区域，而优化前仅仅是因为热风扇下方存在低速区。

图2 不同加热管功率的温度折线图

图3 挡风罩位置示意图

图4 添加挡风罩后的速度、温度云图

3.4 增加热风扇转速

增加热风扇转速会增加内腔空气运动的湍动能，利于空气间的热传导。优化前蒸烤箱热风扇转速为3 000 r/min，现对3 250 r/min、3 500 r/min、3 750 r/min、4 000 r/min进行数值模拟。不同热风扇转速下的平均温度和标准差如图5所示，随着热风扇转速的增加，温度标准差逐渐减少，内腔平均温度并未改变。因此，增加热风扇转速是改善温度均匀分布的有效措施。

3.5 添加挡风罩并增加风扇转速结合优化

根据上述研究内容，添加挡风罩能有效平均温度的分布，但同时也会降低内腔的平均温度。增加风扇转速也能够有效平均温度的分布，还能够保持平均温度不变。因此，结合两种方案进行优化。在添加挡风罩的情况下，数值模拟分析了3 000 r/min、3 250 r/min、3 500 r/min、3 750 r/min、4 000 r/min的平均温度和温度标准差如图6所示，平均温度基本保持不变，且随着转速增加，温度标准差逐渐降低，且比仅增加风扇转速时的标准差更低，是改善温度分布不均的最优改进方案。

图5 不同热风扇转速下的温度折线图

图6 添加挡风罩后不同热风扇转速的温度折线图

4 结论

本文对蒸烤箱采取增加加热管的功率、添加挡风罩、增加风扇转速三种改进措施进行数值模拟，结合速度、温度云图分析三种措施对平均温度和温度标准差的影响。选择添加挡风罩并增加风扇转速作为蒸烤箱最终改进措施。得到以下结论：①提升加热管功率，能够升高内腔的平均温度，但会加剧温度的分布不均；②添加挡风罩，能够有效促进温度的均匀分布，但会造成内腔平均温度的下降；③增加热风扇转速，在保持内腔平均温度不变的同时，还能够有效促进温度的均匀分布；④添加挡风罩并增加热风扇转速不仅能够保持内腔平均温度不变，还能够最有效地平衡温度的分布，是改善温度分布不均的最优改进方案。

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TB472

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.01.002

2095－6835（2021）01－0003－03

金恩来（1985—），男，本科，工程师中级，主要从事厨房电器的研究和开发。

〔编辑：张思楠〕