不同運(yùn)行模式下烤箱內(nèi)腔溫度場(chǎng)的優(yōu)化研究

張藍(lán)心 劉東 項(xiàng)琳琳

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

不同運(yùn)行模式下烤箱內(nèi)腔溫度場(chǎng)的優(yōu)化研究

張藍(lán)心 劉東 項(xiàng)琳琳

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

用數(shù)值模擬的方法，對(duì)不同運(yùn)行模式下烤箱模型內(nèi)部溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，并將計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。研究結(jié)果表明可以通過改善烤箱風(fēng)扇蓋板結(jié)構(gòu)和風(fēng)扇風(fēng)速對(duì)現(xiàn)有烤箱模型內(nèi)部溫度場(chǎng)均勻性進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)烤箱內(nèi)部溫度場(chǎng)均勻性的最優(yōu)化。

烤箱 溫度場(chǎng) 數(shù)值模擬 不同模式

本文以某一型號(hào)烤箱為研究對(duì)象，該類產(chǎn)品通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)烤箱內(nèi)部存在溫度不均勻現(xiàn)象：內(nèi)腔不同空間點(diǎn)之間的溫差最大達(dá)到10℃左右，導(dǎo)致在加熱食物時(shí)出現(xiàn)冷熱不勻、生熟不均的現(xiàn)象。對(duì)于設(shè)有強(qiáng)制對(duì)流的烤箱，對(duì)流是一個(gè)非常重要的影響因素[1]。為了找出影響烤箱內(nèi)部溫度場(chǎng)不均勻的因素，根據(jù)烤箱的幾何尺寸和運(yùn)行機(jī)理建立了數(shù)學(xué)和物理模型，運(yùn)用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，可以模擬和分析復(fù)雜幾何區(qū)域內(nèi)的流體流動(dòng)與傳熱現(xiàn)象[2]。將模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和驗(yàn)證，找出主要的影響因素，并對(duì)七種不同運(yùn)行模式進(jìn)行對(duì)比，預(yù)測(cè)其改進(jìn)后的效果。

1 現(xiàn)有模型A實(shí)測(cè)研究

1.1 現(xiàn)有烤箱物理模型

研究對(duì)象的物理模型如圖1所示?？鞠湓O(shè)有上、下和背部三根加熱管，熱功率分別為1700W、1100W、1400W，背部設(shè)有排風(fēng)熱風(fēng)扇，熱風(fēng)扇蓋板兩側(cè)設(shè)有矩形進(jìn)風(fēng)口，頂部設(shè)有一出風(fēng)小孔。

圖1 烤箱物理模型A

1.2 七種運(yùn)行模式

在七種不同運(yùn)行模式下對(duì)烤箱內(nèi)腔溫度場(chǎng)進(jìn)行實(shí)測(cè)，如表1所示，對(duì)比所得溫度場(chǎng)的均勻性，進(jìn)而分析各運(yùn)行模式的特點(diǎn)，了解影響溫度場(chǎng)均勻性的因素，改進(jìn)得到最優(yōu)化的模型。

表1 烤箱運(yùn)行的七種模式

1.3 測(cè)試儀器

測(cè)試儀器采用Yokogawa的DR130溫度記錄儀，每2s記錄一次溫度，測(cè)量范圍0～800℃，精度0.1℃。

1.4 實(shí)測(cè)溫度場(chǎng)

在對(duì)烤箱內(nèi)腔溫度場(chǎng)的測(cè)試過程中，取內(nèi)腔上、中、下三個(gè)參考面，每個(gè)參考面上均勻布9個(gè)測(cè)點(diǎn)，共27個(gè)測(cè)點(diǎn)。如圖2所示。

圖2 烤箱內(nèi)腔參考面及測(cè)點(diǎn)分布

2 數(shù)學(xué)模型和網(wǎng)格建立

運(yùn)用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的知識(shí)將烤箱的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化：

1）烤箱內(nèi)腔的氣流為紊態(tài)的三維不可壓縮湍流流動(dòng)[3]；

2）湍流粘性模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[4]；

3）近壁處理選擇增強(qiáng)壁面處理；

4）輻射模型選擇DO模型；

5）網(wǎng)格劃分選擇網(wǎng)格形式為Tet/Hybrid，步長(zhǎng)為3mm，網(wǎng)格總數(shù)429255個(gè)。

材料選擇空氣，采用Boussinesq模型，20℃時(shí)，空氣密度1.205kg/m3，比熱容1.005kJ/(kg·K)，導(dǎo)熱率0.0257W/(m·K)，運(yùn)動(dòng)粘度15.11×10-6m2/s，體積膨脹系數(shù)為0.00343 1/K，算法選擇SIMPLEC二階差分。

3 模型驗(yàn)證

現(xiàn)以model1為例將烤箱內(nèi)腔的實(shí)測(cè)溫度場(chǎng)和模擬溫度場(chǎng)進(jìn)行比較：從圖3可以看出烤箱模型A下每個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)與模擬溫度偏差在3%～10%之間，最小偏差為3.69%，最大偏差為9.82%，偏差平均值為5.71%。溫度場(chǎng)測(cè)點(diǎn)分布圖走勢(shì)基本一致，可以驗(yàn)證模擬溫度場(chǎng)和實(shí)測(cè)溫度場(chǎng)吻合，應(yīng)用于計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬軟件的該數(shù)學(xué)模型和網(wǎng)格較為合理。

圖3 現(xiàn)有烤箱的模擬溫度場(chǎng)和實(shí)測(cè)溫度場(chǎng)

4 模型A的模擬研究

4.1 模擬數(shù)據(jù)的分析

分析模擬數(shù)據(jù)可得，烤箱模型A在七種不同運(yùn)行模式下的溫度場(chǎng)模擬結(jié)果的均勻性并不理想。max溫度偏差、min溫度偏差以及最大最小溫差的最大值均出現(xiàn)在mode 1的模擬結(jié)果中，即全開模式的模擬溫度場(chǎng)均勻性最差。下、中、上層的對(duì)應(yīng)值分別為：max溫度偏差——1.56%、1.55%、2.82%；min溫度偏差——1.25%、1.63%、1.66%；最大最小溫度差——7.5℃、8.5℃、12.0℃。模擬溫度場(chǎng)均勻性的最佳情況出現(xiàn)在mode 6中，上、中、下層的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)分別為：max溫度偏差——0.04%、0.20%、0.36%；min溫度偏差——0.04%、0.28%、0.44%；最大最小溫度差——0.2℃、1.2℃、2.0℃。

4.2 模擬結(jié)果的分析

以mode 1為特征模式進(jìn)行更進(jìn)一步的分析，從溫度場(chǎng)云圖上可看出烤箱內(nèi)腔溫度分布的基本規(guī)律，如圖4～圖6所示。靠近壁面處溫度較高，在橫向上由烤箱內(nèi)腔后壁面向烤箱門所在平面，溫度呈降低趨勢(shì)。

圖4 mode1下層參考面溫度場(chǎng)云圖

圖5 mode1中層參考面溫度場(chǎng)云圖

圖6 mode1上層參考面溫度場(chǎng)云圖

mode1為全開模式，即背部加熱管，熱風(fēng)扇，上、下加熱管均為運(yùn)行狀態(tài)。從圖4～圖6中可以看出：①云圖上背部壁面加熱管處等溫線較為密集且溫度較高；②內(nèi)腔等溫線較為曲折，原因可能是由于背部蓋板兩側(cè)為進(jìn)風(fēng)口，氣體流動(dòng)對(duì)烤箱內(nèi)腔溫度場(chǎng)影響較大；③靠近烤箱門側(cè)溫度明顯降低，推測(cè)原因是由于烤箱頂部有一頂部小孔與外界相通，該小孔靠近門側(cè)導(dǎo)致進(jìn)烤箱門側(cè)的熱量向外界散失較內(nèi)部更多，從而溫差明顯。

5 模型B的模擬研究

5.1 優(yōu)化方案

為了實(shí)現(xiàn)烤箱的不同功能，應(yīng)用于不同食材，在烤箱可設(shè)定的七種運(yùn)行模式中，要求每一種運(yùn)行模式都實(shí)現(xiàn)良好的溫度場(chǎng)均勻性。因此，將原有烤箱模型A加以優(yōu)化：

1）熱風(fēng)扇蓋板結(jié)構(gòu)的改變：取消原與熱風(fēng)扇出風(fēng)面垂直的側(cè)板上的進(jìn)風(fēng)口，并將原垂直面改為傾斜面；

2）進(jìn)風(fēng)口位置形狀的改變：將原位于熱風(fēng)扇蓋板兩側(cè)垂直側(cè)面的矩形進(jìn)風(fēng)口改為位于蓋板傾斜面兩側(cè)的細(xì)長(zhǎng)狹縫進(jìn)風(fēng)口；

3）烤箱頂部出風(fēng)小孔位置的改變：將原小孔向內(nèi)平移50mm；

4）熱風(fēng)扇風(fēng)速的改變[5]：熱風(fēng)扇的風(fēng)速由原來的1.5m/s改變?yōu)?m/s。

由此得到改進(jìn)后的模型B。

5.2 模擬數(shù)據(jù)及分析

據(jù)表2的數(shù)據(jù)分析可得，改進(jìn)后的烤箱模型B在七種運(yùn)行模式下的溫度場(chǎng)均勻性均有所改善，且mode1至mode5的改善程度尤為明顯。以七種運(yùn)行模式的中層水平面為例，對(duì)比七種模式在模型改進(jìn)前后的模擬分析數(shù)據(jù)，如表3所示，可以看出溫度偏差的絕對(duì)值大部分控制在1.0%以內(nèi)，最大最小溫度差都控制在3.5℃以下，且86%的情況下控制在3℃以下?；究梢哉J(rèn)為模型B在七種運(yùn)行模式下溫度場(chǎng)達(dá)到了均勻性的要求。

表2 各層模擬數(shù)據(jù)

表3 中層水平面模擬數(shù)據(jù)對(duì)比

5.3 模擬結(jié)果的分析

以運(yùn)行模式mode1為例，通過mode1上、中、下三層的溫度場(chǎng)云圖，可以看出相對(duì)模型A模擬的溫度場(chǎng)云圖在等溫線的分布上有明顯的均勻性的改善，如圖7～圖9所示。進(jìn)一步分析其溫度分布規(guī)律：靠近壁面處溫度較高，烤箱門所在平面溫度降低，內(nèi)腔整體溫度分布相對(duì)均勻，且在熱風(fēng)開啟的模式中門縫隙處溫度有明顯的下降。

圖7 mode1下層參考面溫度場(chǎng)云圖

圖8 mode1中層參考面溫度場(chǎng)云圖

圖9 mode1上層參考面溫度場(chǎng)云圖

分析對(duì)烤箱原有模型的結(jié)構(gòu)和邊界條件的改變：①進(jìn)風(fēng)口位于熱風(fēng)扇蓋板兩側(cè)呈直角的側(cè)板改變?yōu)閮A斜側(cè)板，在烤箱熱風(fēng)扇運(yùn)行的模式中，對(duì)進(jìn)風(fēng)氣流起到較好的導(dǎo)流作用；②原矩形進(jìn)風(fēng)口改為位于蓋板傾斜面兩側(cè)的細(xì)長(zhǎng)狹縫進(jìn)風(fēng)口，使得進(jìn)風(fēng)氣流更為均勻；③烤箱頂部出風(fēng)小孔向內(nèi)移動(dòng)，有利于保留低溫區(qū)域熱量，同時(shí)散發(fā)高溫區(qū)域熱量；④熱風(fēng)扇速度增大使得烤箱內(nèi)腔對(duì)流換熱作用加強(qiáng)，使溫度場(chǎng)趨于均勻。

6 結(jié)論

通過對(duì)七種不同運(yùn)行模式下兩種烤箱模型的溫度場(chǎng)模擬，對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)：

1）背部蓋板的傾斜側(cè)板可以削弱氣體擾流作用，背部進(jìn)風(fēng)口設(shè)置為狹長(zhǎng)細(xì)縫可以使進(jìn)風(fēng)氣流更為均勻，頂部出風(fēng)小孔向內(nèi)移動(dòng)可以更加合理地分配內(nèi)腔熱量的散失，熱風(fēng)扇出口風(fēng)速的改變有利于空間內(nèi)的對(duì)流換熱，以此增強(qiáng)空間內(nèi)溫度場(chǎng)的均勻性。

2）綜合以上改進(jìn)措施的烤箱模型B，經(jīng)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬所得到的溫度場(chǎng)均勻性明顯優(yōu)于模型A的模擬結(jié)果，基本符合要求，建議采用。

3）在七種不同運(yùn)行模式的模擬結(jié)果中，烤箱模型B的溫度場(chǎng)都基本上達(dá)到要求，因此，在烤箱的實(shí)際使用中七種不同的模式均可使用。

4）對(duì)于需要進(jìn)行改造的工程，可以將實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)CFD模擬相結(jié)合，在對(duì)初始方案進(jìn)行驗(yàn)證、分析和改進(jìn)的基礎(chǔ)上研究更加優(yōu)化的方案，在不斷探索的過程中得到定性的指導(dǎo)。

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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

張藍(lán)心（1991～），女，碩士研究生；上海市楊浦區(qū)四平路1239號(hào)同濟(jì)大學(xué)濟(jì)陽樓306室（200092）；E-mail:lanxin62@126.com