某烤箱内腔温度场均匀性的优化研究

2016-05-16 11:11:16 安装信息网

项琳琳1刘东1任悦1郭真斌2吴孟飞2

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摘要：本文通过实测和CFD数值模拟的方法，研究了某嵌入式烤箱内腔温度场分布现状，发现温度分布不够均匀，影响食物烘烤效果。本课题组通过烤箱顶部小孔位置移动、小孔大小和数量改变、热风扇风速变化、加热管位置移动、热风扇挡板结构变化等方面的数值模拟研究，对比分析得到了相对最优的改造方案，使得烤箱温度场均匀性明显提高。

关键词：烤箱温度场均匀性实测数值模拟

0 引言

本文的研究对象是某嵌入式电烤箱。该电烤箱试验过程中，内腔温度分布不够均匀，空间上不同位置的温度最高值和最低值之差最大可达1 0℃，导致食物烘烤时各部位出现冷热不均，生熟不匀的现象。因此，为了改善电烤箱实际使用过程中的性能，我课题组通过实验测试和数值模拟的研究方式，来优化烤箱内腔的温度分布，使其更均匀，从而达到国际一流烤箱的水平。

1 物理数学模型及边界条件

1.1物理模型

根据该烤箱的实际模型，建立图1所示的物理模型。烤箱内腔各部位尺寸如图2所示。在利用Gambit软件建模过程中，作了如下的简化：

1)圆管形的加热管形状有所简化：根据上、下加热管投影形状，将其简化为由四面组成的平管，其中有一面贴住对应烤箱内腔壁面；背加热管的散热面简化为热风扇挡板侧面以及正壁面最外圈6.5 mm宽的圆环面之和；根据各加热管的电功率和对应的散热面，即可计算出相应的热流密度；

2)热风扇网格面未画出，简化为直径为179.2 mm的圆面；

3)热风扇挡板后部侧面的进风口，每侧2个小口简化为1个大口；

4)烤箱各壁面和门由多层材料组成，在此简化为面，每面的传热系数根据各层材料的导热系数及材料厚度计算得到；

5)为体现门密封性能的局限性和门缝空气的泄露，本模型画出了3 mm宽的门缝，即为烤箱内外气流交换的通道之一。

1.2数学模型

烤箱内腔的气流为稳态三维不可压缩湍流流动，在Fluent流体计算软件中，湍流黏性模型选择标准k-epsilon模型，近壁处理(near-wall-treatment)选择增强壁面处理( enhanced wall treatment)。辐射模型选择DO模型。材料选择空气，采用Boussinesq模型，20℃时，空气密度1.205 kg/m3，比热容1.005 kj/(kg．K)，导热率0.0257 W/(m - K)，运动粘度15.llxl0-6，体积膨胀系数为0.003431/K。算法选择SIMPLEC二阶差分。

1.3网格划分

网格形式为Tet/Hybrid(即以四面体为主，在适当位置包涵六面体，楔形、锥形网格），步长为3 mm，网格总数429255个。

1.4边界条件

边界条件见表1。

2 实测及模型验证

为了对该烤箱内腔的温度场分布情况有具体的了解，本研究首先对该烤箱的各层烤架位置的温度进行实测，测试烤架分为下、中、上三层，每层测九个点，测点位置及编号如图3所示。温度测试采用日本横河Yokogawa DR130混合记录仪，每2s记录一次温度，测量范围：0～800℃，精度0.1℃。

由表2可知，三层烤架模拟温度高于实测温度，模拟平均温度为267.43℃，实测平均温度为253.06℃；最大偏差为9.82%，最小偏差为3.69%，平均偏差为5.71%<10%；且由图5可见，模拟27个测点的温度分布趋势与实测接近，说明模型及边界条件的设置与实际情况相符。因此，模拟结果可以用作烤箱内腔温度场均匀性分析和优化的依据。

3 不同优化方案的数值模拟研究

根据对现有烤箱内腔温度场的实测和模拟数据发现，从横向来看，烤箱内腔从门至里，温度升高，平均温差约为8℃，且顶部小孔所在的位置对应下方各层都存在一个局部温度较高点；从纵向来看，上层温度稍高于下层，温差约为5 ℃。为了达到烤箱内腔空间整体温度均匀性的目标，即各点温差越小越好，本研究组提出如下五类改造方案：1）顶部小孔位置改变；2）顶部小孔大小和数量改变；3）热风扇风速改变；4）上、下加热管位置改变；5）热风扇挡板结构改变。模拟结果统计如表3所示：