作者：田英
烤箱在食品加工领域应用广泛，一般为自然、强制对流电加热烤箱。蒸汽烤箱由于蒸汽的加入可有效抑制食物水分的散失保证其口感，其较高的比热可强化传热过程减少加热时间，而且几种典型烤箱的对比研究表明蒸汽辅助烤箱产生的丙烯酰胺浓度最低具有更高的安全性。因此将蒸汽加热与先进烤箱技术结合成为一个重要的发展方向。烤箱内的热力状态对
加工的食品质量、营养、口感等起决定作用。箱内温度的大小直接影响食物的加热时间，温度分布的均匀性和加工的食品质量密切相关，但一般烤箱内的温度差值最大可达三四十度。很多文献用试验、仿真等方法研究了箱内的温度分布、传热特性等，并建立了一系列的CFD仿真模型。由于蒸汽的喷人，其流动与分布使得箱内温度分布更为复杂。课题首先通过试验研究得到了箱内温度及其均匀性在整个工作过程中的变化，然后建立了CFD仿真模型并进行了验证，最后通过仿真试验得到了箱内蒸汽的行为特性、箱内温度分布及与蒸汽参数的关系。研究结果有助于进一步了解蒸汽辅助烤箱内热力学状态及特性，对烤箱的优化设计具有指导意义。
1试验方案
试验研究采用LG公司的LGMA821型蒸汽烤箱，其结构如图1 (a)所示。不同于传统烤箱在上下各配置加热器，此烤箱电加热器布置在后壁面和上壁面。后加热器通过带风口的隔板与箱内主空间隔离形成后加热区，后加热区中心配有风扇，通过隔板中心风口吸入主空间气流，经后加热器加热后再经四周的4个出风口吹入主空间，形成强制对流。内置管式蒸汽发生器配置在后面板，以后加热器作为热源，蒸汽额定流量2.1 g/11 s。蒸汽由左侧箱壁上紧邻的三个矩形喷口进入箱内空间。烤箱设定温度分为160℃．180℃和230℃。运行时烤箱首先进入预热阶段待温度升高到最高值时蒸汽开始喷入箱内，烤箱进入稳定加热段，为维持箱内温度加热器温度周期变化。
箱内测点温度由直径0.5 mm的K型热电偶采集后送入数据记录仪，然后由电脑读取数据进行进一步处理。试验分为2个阶段，为减少附加物的干扰第一阶段进行箱内中心位置的单点温度测量，用细丝吊放热电偶在箱内中心，分别采用不同的温度设置，烤箱加热运行20 min测得箱内中心温度随时间的变化情况。第二阶段多点测量以研究温度的空间分布。因箱内不同位置温度分布差异较大，仅选择主要工作区域即箱内中央区域布置测点。为固定测点位置，试验使用了不锈钢细铁架如图1(h)所示。铁架长宽高比例基本与箱内空间一致具体尺寸见图1 (c)。铁架上共布置9个温度测点由1—9编号，各测点位置见图1 (c)。另外每个加热器上布置4个测点以平均值作为加热器的温度曲线用于仿真模型。
2 CFD仿真模型
基于ANSYS-Fluent14.5建立了烤箱的三维瞬态CFD仿真模型。网格利用Gambit划分，为便于网格划分提高网格质量，整个烤箱分成了4个部分：后加热区，上加热区、中心流体区、外箱壁区如图2 (a)所示。其中加热区采用四面体网格，流体区和箱壁区采用六面体网格。
2.1模型
仿真涉及空气、水蒸气和水，属多相流问题。Fluent提供了VOF、Eulerian和Mixture三种多相流模型，经比较选用Mixture模型。湍流模型为Standard K-a模型，空气设为不可压理想气体。对于辐射模型在常规对流烤箱中S2S，DTRM，DO模型均有很好的精度，但水蒸气不同于空气，具有很高的散射系数对辐射传热的影响较大。S2S模型只计算面与面之间的辐射传热，DO模型则不仅计算面之间的传热还考虑中间介质对传热的影响。因为箱内喷人了浓度分布并不均匀的水蒸气，故选择DO模型来考虑其对传热的影响。
2.2边界条件
蒸汽入口设为速度人口，预加热阶段无蒸汽喷人速度为0，加热阶段由蒸汽的质量流量计算喷入速度，标准状况为2.147 91 m/s。烤箱通风口设为压力出口，压力为环境大气压。所有箱壁设为无滑移、对流传热边界，厚度0.5 mm，Cp为873 J／(kg．K)。传热系数依据试验数据并且经过仿真试验的参数优化确定以提高模型精度。加热器Cp 2 000 J／(kg．K)，边界类型为温度边界，温度一时间曲线来自试验数据。为了模拟风扇，在5个风口区域设置固定速度，具体数值见图2(b)，规定进入后加热区速度为正进入主空间为负。初始状态：温度全场为室温，速度为零。时间步长1S，仿真时间1200 s。
3结果与分析
3.1试验结果及模型验证
由于烤箱外形结构、箱壁厚度材质等并不完全一致，加上建模过程中对外部箱壁均匀性假设，所以外边界换热系数直接采用试验数值并不会得到最佳结果。故对其进行了参数分析以得到最佳的换热系数( HTC)，减少模型误差。图3给出了烤箱设定温度230℃时，箱内中心温度试验值与不同换热系数下仿真值随时间变化曲线。从图中可看出，0—395 s时箱内处于预加热阶段中心温度迅速升高并达到了最大值，之后蒸汽开始喷入，进入稳定加热段中心温度受加热器温度的波动影响进入周期变化。传热系数设为3 W／(m2．K)和5 W/( m2．K)时均产生了明显的整体偏差，4 W／( m2．K)时中心温度在整个加热过程中均与试验吻合最好，包括预加热段在内的全工况误差均小于5%，模型精度高于文献[9]。
对于箱内温度的空间分布特征，图4给出了设定温度为160℃时箱内9个测点温度和仿真结果的对比。从中可以看出各点温差范围在15℃以内，测点温度大体表现出距离加热器近则温度偏高的规律，仿真结果与试验相符较好，模型很好的捕捉到了温度空间分布。
以温度标准差作为温度分布均匀性的度量，图5给出了整个加热过程中的各测点间的温度标准差。温度标准差的变化与整个箱内温度场及加热器温度变化情况紧密相关。对于0～300 s的预加热阶段温度标准差测量值上升较高且与仿真值差距较大。这可能是因为预加热阶段箱壁等周围附属物体的升温吸收了大量热量加剧了箱内温度的空间差异，以及测点铁架等因素的影响；而仿真模型仅用传热系数表征了箱壁的保温效果。300 s后的稳定加热阶段，箱内温度场在加热器温度的周期变化下进行小范围的周期波动，使得各点温度差值回落到3℃~6℃范围，模型很好的捕捉到了温度标准差的变化规律。结果表明，仿真模型在时间和空间上对烤箱具有很好的模拟效果。
3.2蒸汽的行为特性
3.2.1 蒸汽流动轨迹
由于箱内是风扇驱动的强制对流，蒸汽本身流量较小，其运动轨迹很容易受内部流场的影响。CFD计算结果也显示蒸汽和空气的速度矢量在蒸汽进入后加热器后已区别很小。空气速度在箱内的体分布如图6(a)所示。从图中可以看出左侧两风口风力强劲高速气流基本到达了前壁面。中心吸口有很大的影响范围，右侧风口则较弱。图7给出了箱内中心和两侧X截面的速度矢量图。左侧截面上、下部在吹风口作用下向前流动，中间是往回的返流。中间剖面由于中心吸口的作用主要是往后加热区的回流。右侧剖面上下部分因右侧风力较小向前流动到一半时就已停止，其他区域皆为往回的返流。
在分析了箱内的空气流动规律基础上，可分析蒸汽进入箱内后的行进轨迹。图6(b)给出了不同时刻蒸汽自人口处的3D流线图。蒸汽喷入后在其自身+X方向喷射速度和左侧中间区域往后壁回流的气流影响下首先向后壁中部吸口方向前进。在接近后壁左侧高速吹风口处受气流卷吸作用跟随气流向前壁面流去。进而随气流一起进入中间回流区，进入后加热区，然后再经四个出风口分布到整个箱体空间。
3.2.2蒸汽分布及扩散
这里选择蒸汽的体积分数( VF)来研究蒸汽浓度分布。由于VF在各时刻的空间分布规律基本一致，这里仅给出1 150 s时箱内蒸汽体积分数体分布的Z向和y向视图如图8所示。从图中可以发现，蒸汽体积分数是沿着前文分析的蒸汽行进路径不断降低，同样也佐证了前文分析。蒸汽在进入后加热区前由于还未充分分散所以体积分数在较高水平，加上左侧风口的风速较大，进入后加热器大部分的蒸汽又由此吹出，造成了左侧空间蒸汽浓度整体高于右侧的情况。但在中间高度的XY平面区域蒸汽密度很好的扩散到了大部分烤箱空间。
图9给出了在XYZ中心轴线上蒸汽VF随时间的变化情况。随着时间的推移，蒸汽不断喷人，X YZ轴线上的蒸汽体积分数均不断提高且在约900 s后趋于稳定。整个空间蒸汽VF在8%—20%。(a)图中因x轴线在蒸汽入口下方，受蒸汽在喷口附近的锥形扩散影响VF在
距左侧壁面一定距离后达到一个高峰，并很快降。最右侧部分由于接近壁面气体流动性下降蒸汽较少VF出现快速下降。对于y向中心轴线+Y方向是由前壁指向后壁，VF值在接近中心吸口时开始下降。这是由于x截面前上区域为高VF区而后下部分为低VF区，Y线后部正好进入了低浓度区，使得VF由最高约20%降至约10%。图9 (c)显示的Z向轴线的蒸汽VF分布就像图8(a)中看到的那样，中间处出现驼峰，且上部VF值要高于下部，分别约为13%和8%。
当增加蒸汽喷入的质量流量到150%时．由图8(b)可以看出蒸汽VF在整个箱内区域得到了显著提升。从y向视图中可以看出，蒸汽分布在Z向出现了分层，这是由于左侧两吹风口在蒸汽喷入量增加情况下分别形成了高VF区。且高VF核心区域在X方向上有明显延伸，这是因为伴随蒸汽流量增加喷人速度也同时增加，蒸汽气流穿透能力增强。
由图9(d~f)可以看出增加蒸汽流量后的蒸汽VF沿X轴线的分布规律与原来基本一致但VF值显著提高，达到20%～25%的水平。在Y轴方向上VF整体也提高了5%，大部分在15%—25%的水平，且保持了原有分布规律。Z轴上VF分布规律则由驼峰型变成了台阶型。这主要是上层形成了高VF区造成的使得上1/4区域VF值提高约10%，其他区域提高约5%。
3.3温度分布
3.3.1基本工况
图10给出了不同时刻箱内XYZ中心截面的温度分布图。从图中可以看出在不同时刻虽然箱内温度范围不同，旦X YZ截面温度的相对大小分布规律是一致的。箱内温度场的分布主要受到了上加热器，后加热器、吹风口以及喷人蒸汽的影响。从Y戋面可明显的看出受上加热器的影响，温度由上到下逐渐降低，高温层在中心地带向下突出则是由于叠加了后加热器的影响。在x，Z截面中可以看到在后加热器的影响下，温度由后向前、由中间向两侧及下部降低。其中从X剖面中可以看出在下风口影响下形成了底部高温区。另外受喷入的蒸汽影响y截面左侧以及z截面的左上区域形成了低温区，但范围很小并未引起中部温度场的畸变。这是因为箱内左后部是刚喷人的100℃蒸汽的高浓度区域，随着蒸汽在箱内的流动，蒸汽温度不断升高并且浓度减小使得其与周围空气温差迅速减小。
3.3.2蒸汽参数变化时
为了研究蒸汽参数对箱内温度场的影响，以设定温度230℃，蒸汽流量2.1 g/11s、温度100℃作为基本工况，分别选择无蒸汽、100%，1500/0蒸汽喷射量( Flow)，以及100%．150%蒸汽温度(T)的参数组合共5种工况进行仿真试验。表1给出了五种工况XYZ中心截面平均温度及其标准差。分析区域为喷射去( Fluid zone)，排除了箱壁、加热器附近温度梯度大且一般在工作区域之外的区域。从表中可以看出同一工况下的XYZ截面的平均温度相差不多基本在5℃以内。在有蒸汽时X截面标准差最低，YZ依次升高。没有蒸汽喷人时三个截面的平均温度均约下降50 0C，XYZ截面标准差则依次降低与有蒸汽时相反且均比标准工况要高。说明蒸汽的加入不仅提高了温度还改变了温度分布的均匀性。而提高蒸汽温度150%，提高蒸汽喷射量150%，同时提高二者到150%时，各截面的平均温度均分别提高7.5℃．20℃和28℃。因此提高蒸汽喷射量和蒸汽温度均可提高箱内温度且前者更有效。但提高蒸汽温度可以降低标准差，而提高蒸汽流量则会提高标准差。
4结论
对蒸汽辅助强制对流烤箱的蒸汽行为特性、蒸汽参数对箱内温度时空分布，温度均匀性等进行了试验和仿真研究得到以下结论。
1)在考虑多相流、辐射传热基础上建立了蒸汽辅助烤箱3D瞬态CFD仿真模型，并试验验证了其有效性。
2)得到了蒸汽行进轨迹、浓度分布及变化。蒸汽浓度总体上左侧高于右侧，中部高于上下部分。因此为了蒸汽分布更均匀可以左右箱壁均设蒸汽喷口。
3)蒸汽不仅可提高箱内温度还影响温度分布均匀性，提高蒸汽温度和蒸汽喷射量均可提升箱内温度，且后者的增幅更大，同时提高二者对箱内温度的提高有叠加效果，但增加蒸汽温度可提高温度均匀性，增加流量则会使温度均匀性下降。故小幅提高烤箱温度时提高蒸汽温度比增加蒸汽流量更适合，大幅提升蒸汽流量时也应同时提高蒸汽温度来减轻温度均匀性的降低程度。
5摘要
烤箱内温度分布、传热特性等对烤箱性能有重要影响。利用试验加仿真的手段在时间和空间上研究了蒸汽行为及其对烤箱特性的影响。首先试验研究了箱内温度在工作过程中的瞬态变化，建立了烤箱的3D瞬态流体仿真模型并验证了模型的准确性。仿真研究了箱内流场情况，得到了蒸汽的流动路线、浓度分布以及随时间的变化。最后研究了不同蒸汽参数对箱内温度分布及其均匀性的影响。研究结果有助于进一步了解蒸汽烤箱内的热力学特性，对蒸汽烤箱的优化设计有一定的指导意义。
