强制对流烤箱预热阶段的流场和温度场特性研究

李云龙

广东美的厨房电器制造有限公司 广东佛山 528311

1 引言

烤箱是一种常用的厨房加热电器，满足了人们对肉类烧烤和蛋糕烘焙的需求。围绕烤箱的加热特性，已有研究人员开展了一些研究。丁力等分析了烤箱均匀加热的影响因素，包括顶部出风孔的数量及其分布、风机的转速变化和出风盖板的结构等，并指出对上述三个因素进行优化后，烤箱内的温度场均匀性显著改善[1]。王璟等探究了食材在烤箱内的加热过程，并基于实验测试和数值仿真的方法得出了加热各阶段的主要传热方式[2]。邓洋等通过优化发热管的反射罩结构，提升了烧烤性能，减小了加热温差[3]。袁宏等研究了对流烤箱内的温度场和流场的分布特点，并从抑制流场内的大尺度涡流的角度，改善烤箱内的气流流动特性，以起到均匀加热的作用[4]。熊明洲等研究了烘烤时间和温度对蛋糕的烹饪效果的影响[5]。陶敏等分析了家用烤箱的温度场研究相关的进展，总结了最新的烤箱加热均匀性的改善策略[6]。

目前围绕对流式烤箱的研究中，用于产生热风对流的风扇及发热管通常设置在烤箱的后部。但一些烤箱的风扇设置在烤箱的顶部，且缺乏风扇的位置对烤箱内的温度场和流场特性影响的研究。考虑到烤箱预热是烘焙食材的必要步骤，且均匀预热是食材受热均匀的重要前提。因此本文通过数值仿真方法，对比了风扇分别位于烤箱的后部和顶部的预热阶段的温度场和流场的特性，为对流式烤箱的风扇位置的选择提供了参考。

2 数值模拟方法

2.1 几何模型

如图1所示为风扇位于烤箱后部的结构示意图，该类型烤箱简称为后置式风扇烤箱。图2为风扇位于烤箱顶部的结构示意图，该类型烤箱简称为顶置式风扇烤箱。烤箱的腔体为不锈钢材料，烤箱的玻璃门体设置在烤箱的前部。图1中的发热管设置在烤箱的后部，图2中的发热管设置在烤箱的顶部。上述两种对流式烤箱仅风扇和发热管的位置不同，其余结构均相同。

图1 风扇位于后部的烤箱模型

图2 风扇位于顶部的烤箱模型

在图1中，风扇高速旋转产生的加热气流从烤箱的腔体后部吹向烤箱的门体，该气流再经设置在腔体后部的吸风口重新被风扇吸入，实现烤箱内部气流循环。在图2中，风扇高速旋转产生的加热气流从烤箱的腔体顶部吹向烤箱的底部，该气流再经设置在腔体顶部的吸风口重新被风扇吸入，实现烤箱内部气流循环。

风扇叶的外径为130 mm，内径为70 mm，叶片径向长度30 mm，叶片高度为20 mm，叶片数为8，叶片厚度为0.5 mm，采用径向直金属叶片。

2.2 网格划分

对烤箱进行数值模型网格划分，示意图如图3所示。由于烤箱的腔体结构简单，故采用六面体结构化网格，如图3a)所示。而风扇和发热管的部分结构复杂，故采用四面体非结构化网格，且在狭小的壁面位置加密了网格数，如图3b)和图3c)所示。选取后置式风扇烤箱的数值模型进行网格无关性验证，如图4所示。随网格数的增加，烤箱内中间层放置烤架位置的9个测点的温度变化趋于一致。综合考虑计算精度和计算量，最终确定最佳网格数量为500万。

图3 烤箱数值模型网格划分示意图

图4 网格无关性验证图

2.3 边界条件及物性参数

表1为烤箱的数值模拟边界条件的设置[7]，腔体的内壁以及门体的隔热玻璃视为不透明的固体，热吸收系数设为10000，空气的热吸收系数设为0.75。

表1 边界条件的设置

2.4 求解设置方法

本文的数值模拟基于Ansys Fluent软件，采用三维不可压缩定常流动模型。湍流模型选用Standardk-ε模型，Enhanced Wall Function壁面函数模型。烤箱内的传热过程考虑热传导、对流以及辐射，且辐射模型选用DO模型[8]。压力和速度耦合算法选用SIMPLEC算法，3个坐标方向的速度方程和k-ε方程的对流项离散采用二阶迎风差分格式，扩散项的离散采用二阶中心差分格式[7]。

3 结果与讨论

3.1 数值模拟结果的验证

对后置式风扇烤箱的温度场进行实验测量，取烤箱内中间层放置烤架的位置的9个测试点的温度数据，并与数值模拟结果进行对比，如图5所示。结果显示，数值模拟结果与实验测试的温度数据的吻合度较好，9个测试点的数值模拟温度值与实验测试的温度偏差在±5℃左右，满足工程应用精度要求。

从温度场分布规律角度分析，数值模拟与实验测试的温度最低值均出现在中层烤架的左上角，温度最高值均出现在烤架的第一行的中间位置附近，且烤架的右下角温度均高于9个测试点温度的平均值，说明数值模拟结果捕捉到了该测试平面的高温区和低温区。因此本文的流动模型可满足要求。

图5 中层烤架位置的模拟温度和实验测试数据的对比

3.2 风扇的放置位置对烤箱内的流场和温度场分布特性的影响

首先选取烤箱内中间层放置烤架的位置进行流场和温度场特性分析，所选取分析平面如图6所示。

图6 腔体中间层放置烤架的位置示意图

后置式风扇烤箱的温度云图和流线图如图7所示。后置式烤箱的高温区大致呈对称分布，原因在于烤箱的热源面，即发热管与风扇的放置平面，与烤箱的受热面，即烤架的放置平面，两者之间相互垂直。在这种情况下，风扇的出风口与吸风口关于受热面的竖直中轴线对称。图7中的风扇吸风气流将烤箱的受热面强制分成两部分，且吸风气流会挤压出风气流的流动空间，导致较多的高温出风气流会首先到达腔体的两侧壁面处，进而使得腔体的两侧壁面附近位置分别出现了高温聚集区。且上述两个高温区的成因也略有差异。腔体左侧壁面的高温区与其附近的气流旋涡直接相关，气流旋涡占据了较大面积的流场空间，进一步压缩了该处的出风气流的流动空间，使得较多的出风气流只能沿腔体的左侧壁面流动，导致左侧壁面区域产生了高温区。腔体右侧壁面的高温区也与其附近的气流旋涡直接相关。腔体右侧壁面处存在一个显著的气流旋涡，该旋涡会将风扇右侧出风口的高温气流直接卷吸至内部，进而导致旋涡区的热量迅速聚集，从而产生了一个与涡流尺度相当的高温区域。同时可注意到受热面的中部也存在一个高温区域，该高温区是由于左右两股高温高速气流的汇集、碰撞，气流的一部分动能耗散成热能产生的。

图7 后置式风扇烤箱的中部水平面温度云图和流线图

后置式烤箱的流线图左右两侧附近的出风口平均风速的水平分量有明显差异，这种差异是由于风扇的旋转方向导致的，进而造成出风气流的风向不同。左侧出风气流的水平风速为4.1 m/s，而右侧出风气流的水平风速为2.6 m/s。左右两侧出风气流的风速差异造成了水平面的涡流尺度不对称。左侧出风的水平风速高，导致涡流位置靠近腔体的前侧，其影响半径约为腔体宽度的1/3。同理，右侧出风的水平风速相对低，导致涡流位置靠近腔体的中部，其影响半径仅约为腔体宽度的1/4。顶置式风扇烤箱的温度云图和流线图如图8所示。顶置式烤箱的温度场大致呈现出气流温度由受热面的中部向边壁面处逐渐升高的特点。出现这种现象的原因在于烤箱的热源面与受热面之间互相平行。在这种情况下，由于风扇的出风气流存在较大的周向速度，且风扇的吸风口的投影位置刚好处于受热面的中部，导致受热面的中部存在一个大尺度的旋涡。该旋涡占据了较大面积的流场空间，从而使得风扇的高温出风气流只能沿旋涡的外围流动。由于出风气流具有较强的周向速度，故较多的出风气流以中部旋涡为中心，进行旋转流动。风扇的高温出风气流会首先到达腔体的边壁面附近位置，导致边壁面附近产生了高温区。出风气流在边壁面附近流域放热后，气流温度下降，在中部旋涡区的作用下，逐渐被卷吸至涡流内部。在此过程中气流不断放热，气流温度不断下降。当气流到达涡流中心，即风扇的吸风口在受热面的投影位置附近时，气流温度已经较低了，此时气流被风扇的吸风口吸入，自此完成了一次热风循环过程。由此可知，顶置式烤箱的受热面的温度场易形成中间低、四周高的特征。

顶置式烤箱的流线图上下两侧附近的出风口平均风速的水平分量差异较小。流线图上侧附近出风口平均风速的水平分量为3.6 m/s，下侧附近出风口平均风速的水平分量为4.2 m/s。较高风速区域易在腔体内形成旋涡区，因此旋涡区的位置靠近流线图的下侧。

从图7、图8的温度云图可知，在水平烤架放置食材的中间区域，后置式烤箱的温差为15.4℃（即烤架中间区域的最高值-最低值）。而顶置式烤箱的温差为11.9℃。因此，对平面温差要求高的食材更适合在顶置式烤箱中烘焙，例如曲奇饼干。

图8 顶置式风扇烤箱的中部水平面温度云图和流线图

选取烤箱中部竖直平面位置进行流场和温度场特性分析，所选取分析平面如图9所示。后置式和顶置式风扇烤箱的温度云图和流线图分别如图10、图11所示。后置式烤箱的流场图左右两侧出风口平均风速的竖直分量差异较小。流线图左侧附近出风口平均风速的竖直分量约为3.6 m/s，右侧附近出风口平均风速的竖直分量约为4.2 m/s。因此流场中出现了两个尺度类似的涡流，且由于右侧平均风速较高，右侧涡流尺度稍大。上述两个涡流的中心区域与温场不均匀区域重叠，即两个涡流的出现破坏了温度场的均匀性，可见涡流与温度场均匀性密切相关。

图9 烤箱中部竖直平面位置示意图

图10 后置式风扇烤箱的中部竖直面温度云图和流线图

图11 顶置式风扇烤箱的中部竖直面温度云图和流线图

顶置式烤箱的流场图左右两侧出风口平均风速的竖直分量差异较大。左侧出风气流的竖直风速约为2.6 m/s，而右侧出风气流的竖直风速约为4.1 m/s。左右两侧出风气流的风速差异造成了竖直面的两个涡流的尺度不对称。由于右侧风速较高，右侧涡流尺度稍大。且上述两个涡流的中心区域也与温场不均匀区域重叠。

从图10、图11的温度云图可知，在烤箱中部竖直平面的放置食材的中间区域内，后置式烤箱的温差为10℃。而顶置式烤箱的温差为16℃。因此，对竖直方向温差要求高的食材更适合在后置式烤箱中烘焙，例如戚风蛋糕。

结合上述两个不同平面的温度场和流场分析，可知后置式烤箱的后续改进方向为减少两侧出风口的平均风速的水平分量差异，而顶置式烤箱的后续改进方向为减少两侧出风口的平均风速的竖直分量的差异，从而削弱涡流的不对称性，提高温度场均匀性。

4 结论

本文首先建立了一套研究烤箱温度场和流场的数值模拟方法，并通过实验测试数据验证了数值模拟结果的可靠性。在此基础上，对比分析了顶置式对流烤箱和后置式对流烤箱的预热阶段温度场和流场的分布特性，为对流式烤箱的风扇位置选择及预热阶段温度场均匀性的改善提供了有益参考。本文的主要结论如下：

（1）后置式对流烤箱的加热面与受热面之间互相垂直，导致受热面的流场分布呈现出关于风扇的中轴线对称的特性。由于风扇的吸气气流对出风气流起到了流动空间挤压的作用，导致出风气流会首先到达腔体壁面附近，使得壁面处易出现与涡流尺度相当的高温区域。

（2）顶置式对流烤箱的加热面与受热面之间互相平行，且出风气流存在较强的周向速度，导致受热面的流场中易形成中部气流旋涡。由于中部大尺度的气流旋涡起到了对出风气流的流动空间挤压的作用，导致出风气流绕中部旋涡流动，且首先到达腔体壁面附近。从而使得温度场易形成中间低、四周高的特点。

（3）后置式烤箱的竖直面温差更小，适合对竖直温差要求苛刻的食材，例如戚风蛋糕。顶置式烤箱的水平面温差更小，适合对水平温差要求苛刻的食材，例如曲奇饼干。

（4）后置式烤箱的后续改进方向为减少两侧出风口的平均风速的水平分量差异，而顶置式烤箱的后续改进方向为减少两侧出风口的平均风速的竖直分量的差异，从而削弱涡流的不对称性，提高温度场均匀性。

（5）由于食物的形状、尺寸大小以及放置附件（烤盘或者烤架）对强制对流加热式烤箱内的流场和温度场的影响很大，故后续将研究烤箱不同使用场景下的流场和温度场特性。