基于CFD技术的空气炸锅内腔温度均匀性优化研究.pdf

Articles论文40 家电科技 Vol.5 2023 Issue 424基于CFD技术的空气炸锅内腔温度均匀性优化研究Optimization of temperature uniformity in the inner chamber of air fryers based on CFD technology李家新 张莹 汪春节 贾铌LI Jiaxin ZHANG Ying WANG Chunjie JIA Ni珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070Gree Electric Appliances,Inc.of Zhuhai Zhuhai 519070摘 要：针对高速强制对流循环加热的空气炸锅，其内腔存在温度场不均匀，导致烹饪过程中需要翻面的现象，基于计算流体力学的方法，应用Fluent软件对空气炸锅的温度场和速度流场进行三维数值模拟分析，进一步通过实测温度数据与仿真数据对标，验证了数值模拟方法的准确性；通过改变空气炸锅的电机转速、烤盘以及炸桶结构等方面进行数值模拟研究，以及实验验证对比分析得到：增加电机转速，改善烤盘开孔，并将烤盘结构改为分离式，使得空气炸锅内腔整体立体温差下降11左右，提高了内腔温度均匀性。关键词：空气炸锅；CFD；温度场；均匀性 Abstract:For air fryers heated by high-speed forced convection circulation,there is an uneven temperature fi eld in the inner chamber,which leads to the need to fl ip the surface during cooking.Based on the method of computational fl uid dynamics,the three-dimensional numerical simulation analysis of the temperature field and velocity flow field of the air fryer was carried out by using Fluent software.Further,the accuracy of the numerical simulation method was verifi ed by comparing the measured temperature data with the simulation data.By changing the motor speed,baking plate,and barrel structure of the air fryer,numerical simulation research was conducted,and the experimental verifi cation and comparative analysis show that the motor speed is increased,the opening of the baking tray is improved,and the structure of the baking tray is changed to a separate type,so that the overall three-dimensional temperature difference of the inner cavity of the air fryer decreases by about 11,and the temperature uniformity of the inner cavity is improved.Keywords:Air fryer;CFD;Temperature fi eld;Uniformity中图分类号：TM925.59 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.05.0060 引言主张“健康”烹饪成为越来越多消费者追求的品质，实现“健康”烹饪不仅在于食材，还包括烹饪的工具1。最高可降低80%油脂使用量的空气炸锅是不二之选2。空气炸锅是一种利用空气代替热油，通过电机带动叶片的高速旋转，使发热管产生的热量在锅内形成循环的热流，将食物表面的水分带走，使食物达到近似油炸效果的烹饪用具。目前存在空气炸锅顶部热风强劲，底部受热不均，炸桶内烤盘下的热空气受食物和烤盘的阻挡，食物上下两面受热不均，导致出现过焦或局部不熟，口感过干过柴等现象，需要在烹饪中途对食物翻面，操作繁琐。作者简介：李家新，硕士学位。研究方向：生活电器传热学研究。地址：广东珠海市香洲区金鸡路789号。E-mail：。由于实验研究测试投资大，时间周期长，而CFD数值模拟可以短时间内进行多工况模拟，且投资小；目前CFD已经广泛应用在烤箱内部流体以及传热研究。项琳琳等人3利用数值模拟的方法，从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、发热管位置移动、热风扇挡板结构变化等方面提高了内腔温度均匀性；陈华方等人4应用Fluent软件对某款空气炸锅内部流场进行三维数值模拟获得了炸锅内部速度、湍流动能和涡量分布的详细信息；金恩来等人5基于计算流体力学（CFD）的方法研究提升发热管功率、增添挡风罩结构、增加热风扇转速对蒸烤箱内腔温度均匀性的影响。袁宏等人6采用CFD对某强制对流烤箱内温度分布特性，优化烤箱内部温度场Articles论文 41家电科技 Vol.5 2023 Issue 424均匀性。李云龙7采用数值模拟方法对比研究了不同风扇位置的强制对流烤箱预热阶段的流场和温度场分布特性。但目前采用CFD数值模拟对空气炸锅的研究较少，针对空气炸锅内腔温度均匀性的研究更少；且目前行业上普遍存在空气炸锅烹饪时，食物上下表面受热不均、需要翻面、操作繁琐等问题，故研究空气炸锅内腔的温度分布并提升内腔的温度均匀性对食物的烹饪非常重要。本文主要通过CFD数值模拟研究的方法，优化设计烤盘以及炸桶等结构来提高炸桶内腔温度场均匀性，达到食物上下两面温度均匀，色泽一致，避免食物出现上焦下生的现象。1 数值模拟1.1 仿真几何模型介绍空气炸锅工作时，高转速的电机带动循环叶片，使发热管产生的热量在内腔形成循环热流，散热风扇主要起到冷却电机以及各零部件的散热作用，将部分热空气排出腔外进行降温。本文主要研究空气炸锅炸桶内部温度场均匀性，其与内部气流场息息相关，为保证准确性，对空气炸锅整机进行建模。根据空气炸锅的实际模型，在不改变气流流动及传热传质特性情况下，对空气炸锅整体（包括外壳、电机、散热和循环风扇、散热风道、发热管、内胆、隔热钣金、隔热板等结构）进行简化处理，烤盘以及炸桶厚度较薄，为了提高网格质量以及减少网格数量，将其简化为面，如图1所示为空气炸锅简化后的物理截面模型。1.2 网格划分本文采用ICEM软件对空气炸锅模型整体进行网格划分，由于空气炸锅的内部存在散热风道、循环和散热风扇等一系列不规则复杂几何尺寸，网格类型采用非结构网格。其中炸桶与烤盘结构的网格示意图如图2所示。图2 炸桶及烤盘结构网格示意图对划分的非结构网格进行了网格无关性验证，在炸桶内部中心水平面均匀设置9个温度监测点，当仿真收敛后取9个监测点数据并求平均值，其结果如表1所示，可知随着网格数量的增加，监测点的平均温度趋于一致，说明网格满足空间无关性和时间无关性，综合考虑计算精度和计算量，最终选取网格数量776万。表1 网格无关性验证网格数量（万）9点温度平均值（）615237.09776231.05850232.701.3 物理模型及边界条件空气炸锅流体传热仿真计算中，自然对流不可忽略，因此需开启重力。湍流模型采用k-Standard湍流模型，勾选全浮升力影响；内腔中存在的主要传热方式有发热管的热辐射、空气和发热管、壁面间的强制对流换热等8。发热管辐射模型选为DO（Discrete Ordinates）模型9，并开启能量方程，来观察其对流换热和热传导结果。入口设为压力入口（Pressure-Inlet），出口设为压力出口（Pressure-Outlet），入口压力为0 Pa，出口压力为0 Pa。空气炸锅外壳与空气接触，其属于自然对流换热，内部发生辐射换热以及强制对流换热，因此外壳选用Mixed模式；电机工作自身产生热量，对其进行热量补偿，故选用Heat Flux模式，空气炸锅外壳整体与空气之间为自然对流换热，其系数在110之间，顶部和底部表面传热系数h为2.9 w/(m2K)，上下壳体表面传热系数为5.42 w/(m2K)。a)空气炸锅截面示意图b)炸桶及烤盘结构示意图图1 空气炸锅示意图Articles论文42 家电科技 Vol.5 2023 Issue 424依据以下公式得出：（1）（2）（3）式中：Gr为格拉晓夫数，g为重力加速度，为体积膨胀系数，t为壁面温度与远离换热区域的流体温度之差，l为特征长度，为动力粘度，Nu为努塞尔数，Pr为普朗特数，为流体的导热系数，h为对流换热表面传热系数，C、n为常数，实验确定。电机表面热流密度依据对标实测空气炸锅空载且未开发热管的状态下的电机表面温度，设为826.42 W/m2；发热管是840不锈钢，表面发黑处理，发射率为0.9，其采用面热流密度模式，依据对标实测空气炸锅的炉心温度，设置表面热流密度为13376.65 W/m2；其他选取Coupled模式。风扇设置移动壁面（Moving Wall），旋转域类型选为Internal。1.4 原有方案实测与仿真验证本文仿真模拟选取4个截面对空气炸锅内腔的温度场均匀性进行分析，每个截面均匀选取9个监测点，具体截面图以及监测点位置如图3所示。实测采用热电偶布点的离散型数据测点方式对CFD仿真计算结果进行验证，由于实验测试局限性，选取空气炸锅靠近烤架的上下两层（图3中的截面3、截面4）进行热电偶布点测温，仿真建立的监测点与实测布点尽量保持一致；数据如表2所示。原有方案实测数据与仿真数据对比图如图4所示。表2 仿真与实测数据表测点编号实测数据（）仿真数据（）温差（）温度偏差（%）1216.64 234.08 17.44 8.05 2210.04 230.43 20.39 9.71 3213.25 234.57 21.32 10.00 4216.02 229.84 13.81 6.39 5205.41 224.83 19.42 9.45 6209.92 230.69 20.77 9.89 7213.80 232.25 18.45 8.63 8207.95 232.28 24.34 11.70 9215.32 236.29 20.97 9.74 10202.33 220.14 17.81 8.80 11203.33 222.66 19.33 9.50 12209.97 227.68 17.71 8.44 13208.02 217.35 9.33 4.48 14201.24 215.64 14.40 7.16 15208.41 229.69 21.28 10.21 16207.25 221.62 14.37 6.93 17211.20 220.02 8.82 4.17 18210.31 219.26 8.95 4.26 平均209.47 226.63 17.16 8.20 图4 仿真与实测温度数据对比折线图由表2可知，烤盘上下两层的仿真温度高于实测温度，仿真平均温度为226.63，实测平均温度为209.47，整体仿真数据与实测数据的温度平均偏差为8.20%，在10%以内，且由图4可知，18个点的温度分布高低趋势基本一致，故认为仿真模型具有可靠性。2 结果与分析2.1 优化前空气炸锅温度场分布特征由图5所示的原空气炸锅炸桶内部四层水平截面的温度场云图可知，空气炸锅内腔中间区域温度明显低于周围温度，每层温度由上到下呈递减趋势，且烤盘下层温差较大。原因为发热体在炸桶的上方，a)截面位置示意图b)截面监测点位置示意图图3 截面与监测点位置示意图Articles论文 43家电科技 Vol.5 2023 Issue 424且由于烤盘的阻挡，导致热气流对烤盘下侧的空间传热效果较差，上层最高温度较最下层最低温度高约30，造成整体内腔温度均匀性差。2.2 优化方案为了达到空气炸锅炸桶内部温度场均匀性好的目标，即每层以及立体温差越小越好，本研究提出如下4类改善炸桶内部热气流流动均匀的优化方案：（1）风机转速；（2）烤盘结构；（3）双炸桶；（4）炸桶侧面开孔；模拟结果统计如表3所示。由表3以及图6、图7可知，方案2.3的立体温差最小，温度均匀性效果最佳；与原有空气炸锅模型相比，方案2.3将烤盘分成4份，炸桶与烤盘结构如图6所示：呈阶梯式分布在中心固定杆上，且高度分布均匀，其中烤盘在原有烤盘的外环以及内环的开孔进行调整，在烤盘外环孔增加直径为10 mm的外环圆孔1，内环孔调整为长25 mm、宽15 mm的中心椭圆孔3和直径为15 mm的中心圆孔2组成。方案2.3结构打破了传统的一整个平面烤盘结构，避免了整个平面烤盘阻挡热气流流入烤盘下侧空间的情况，使每层烤盘上的食物上下表面受热均匀；通过增加烤盘外围的开孔以及改善烤盘中心的开孔，更有利于热气流流经烤盘下侧空间，增加了下部空间的热空气流量；同时使热空气在烤盘的中心处可分流进入烤架下部空间，提升了下部空间的温度；降低了立体温差，温度均匀性效果最佳。原有空气炸锅模型与最优空气炸锅模型的温度场数据比较如表4所示，最优空气炸锅模型炸桶内腔每层温差以及立体温差均有显著 c)截面3温度云图 d)截面4温度云图图5 原空气炸锅模型四层截面温度场结果 a)截面1温度云图 b)截面2温度云图表3 不同优化方案炸桶内部温度场温差统计优化方案编号说明温差（）立体温差（）上层截面1中层截面2烤盘上层截面3烤盘下层截面4原模型0转速：1700 r/min12.0816.7614.6120.82 30.53 风机转速1.1转速：1950 r/min11.378.3512.10 13.57 25.13 1.2转速：2200 r/min11.688.4212.44 15.58 24.61 1.3转速：2450 r/min8.288.8311.46 14.05 21.45 烤盘（2450 r/min）2.1原烤盘外环开直径为10 mm的孔8.638.0910.76 12.01 19.80 2.2烤盘开直径为5 mm、孔间距为5 mm的小圆孔，均匀分布7.889.199.21 12.75 23.05 2.3将方案2.1烤盘分成4份，呈阶梯式的分布在中心固定杆上，高度分布均匀8.4010.369.71 11.06 16.46 双炸桶（2450 r/min）3.1内炸桶底部为原烤盘开孔形式，与外炸桶的距离为5 mm11.37 11.29 13.79 10.47 30.30 3.2内炸桶底部为原烤盘开孔形式，与外炸桶的距离为7.5 mm7.40 12.22 18.66 12.94 36.48 3.3内炸桶底部为原烤盘开孔形式，与外炸桶的距离为10 mm9.89 14.78 17.83 17.96 43.73 3.4内炸桶底部为方案2.1烤盘开孔形式，与外炸桶的距离为5 mm10.97 11.13 17.59 9.94 19.33 3.5内炸桶底部为方案2.1烤盘开孔形式，与外炸桶的距离为7.5 mm11.97 12.78 15.27 13.91 27.56 3.6内炸桶底部为方案2.1烤盘开孔形式，与外炸桶的距离为10 mm8.15 11.42 12.22 13.87 21.74 3.7内炸桶底部为方案2.2烤盘开孔形式，与外炸桶的距离为10 mm11.11 10.55 12.75 29.91 39.04 3.8内炸桶底部为方案2.2烤盘开孔形式，外炸桶底部为方案3的压型18.04 16.34 13.69 10.46 31.08 百叶窗（2450 r/min）4.1炸桶三侧开百叶窗，搭配原烤盘6.52 3.94 6.96 10.89 20.38 4.2炸桶三侧开百叶窗，搭配2.1方案烤盘5.11 5.43 10.45 10.13 17.10 图6 方案2.3烤盘结构示意图Articles论文44 家电科技 Vol.5 2023 Issue 424的降低，即内腔温度场均匀性明显提高，整体立体温差由原模型的30.53降低至16.46，降低了14左右；腔体标准差减少2以上，优化改造效果较佳。其中标准差S公式如下所示：（4）图7为最优空气炸锅模型的内腔温度分布云图。表4 原有空气炸锅与最优空气炸锅模型温度场比较位置原有空气炸锅最优空气炸锅（方案2.3）平均温度（）温差（）标准差平均温度（）温差（）标准差上层231.96 12.08 4.51 230.45 8.40 2.46 中层229.42 16.76 4.05 230.18 10.36 3.05 烤盘上层229.64 14.61 4.42 227.44 9.71 3.07 烤盘下层220.58 20.82 6.30 222.69 11.06 3.56 腔体227.90 30.53 6.54 227.69 16.46 4.36 a)截面1温度云图 b)截面2温度云图 c)截面3温度云图 d)截面4温度云图图7 最优空气炸锅模型四层温度场结果2.3 优化方案实测与仿真验证实验采用热电偶布点测试温度：以烤架为支点，分别将点布在4层烤盘上，每层布置9个测试点，均匀分配，4层共36个测试点；连续记录空气炸锅温度稳定后（60 min的后20 min）各测点的温度，并找出其20 min内各点的最大温差数据，作为实验数据。最优方案的实测数据与仿真数据对比以及折线图如表5、图8所示。由表5可知，仿真温度高于实测温度，仿真平均温度为227.54，实测平均温度为219.21，整体仿真数据与实测数据的温度平均偏差为3.82%，在10%以内，且由图8可知，36个点的温度分布高低趋势基本一致。最优方案的实测内腔立体温差为19.63，温度均匀性提升11左右，效果显著。表5 最优方案实验测试与仿真数据表测点编号实测数据（）仿真数据（）温差（）温度偏差（%）1224.27 230.50 6.24 2.78 2225.04 233.02 7.97 3.54 3226.03 229.38 3.35 1.48 4225.95 234.30 8.36 3.70 5219.68 225.90 6.22 2.83 6225.27 231.05 5.78 2.56 7226.14 229.96 3.81 1.69 8223.31 231.38 8.07 3.61 9222.47 228.57 6.10 2.74 10224.04 231.75 7.71 3.44 11217.39 223.12 5.74 2.64 12223.82 232.85 9.03 4.03 13222.99 230.31 7.33 3.29 14216.10 222.49 6.38 2.95 15225.02 231.37 6.35 2.82 16223.22 231.22 8.00 3.58 17224.53 230.78 6.24 2.78 18223.47 231.76 8.29 3.71 19220.11 231.06 10.94 4.97 20215.04 225.30 10.26 4.77 21221.02 228.64 7.62 3.45 22218.32 229.21 10.88 4.98 23211.60 221.35 9.75 4.61 24218.28 223.89 5.61 2.57 25221.53 230.97 9.44 4.26 26221.68 227.93 6.26 2.82 27220.81 228.58 7.78 3.52 28208.15 219.50 11.35 5.45 29213.84 227.90 14.06 6.58 30210.52 220.32 9.80 4.66 31211.50 221.24 9.74 4.60 32206.51 217.84 11.33 5.49 33212.99 224.96 11.97 5.62 34212.50 220.34 7.84 3.69 35209.65 223.72 14.07 6.71 36218.69 228.90 10.21 4.67 平均219.21 227.54 8.333.82 立体温差（）19.6316.46/图8 最优方案实测与仿真温度数据对比折线图Articles论文 45家电科技 Vol.5 2023 Issue 4243 结论本文针对某空气炸锅进行了整机的传热和流场数值模拟以及实验测试，分析了出现炸桶内部温度分布不均匀现象的原因，以提高炸桶内部温度场均匀性为出发点，提出对炸桶以及烤盘结构进行改进优化，并进行优化后的数值模拟，主要结论如下：（1）增加风机转速有利于提高炸桶内部气流流速，改善了炸桶内部气流场，增强换热，提高温度场均匀性。（2）分离式烤盘，分布在炸桶的不同高度，改善传统的烤盘将炸桶分成上下部分而导致烤盘与炸桶底部之间的空间温度低、热风量小以及温度分布不均匀的情况，使食物受热更加均匀，但空间利用率较低。（3）通过改善烤盘，增加烤盘的开孔，提升热空气进入烤盘与炸桶底部之间空间的风量，从而增加食物下表面的受热。（4）通过进行实验测试验证，分离式烤盘结构使空气炸锅内腔温度均匀性提升11左右。（5）综合以上优化方案，将烤盘平分，呈阶梯式分布在中心固定杆上，且高度分布均匀，可有效提高烤盘下部空间的温升，明显降低各层以及立体温差，炸桶内腔温度场均匀性，效果最优。参考文献1 左婷婷.品质新食尚，无油烹饪美味更健康J.家用电器,2017(05):88.2 吴鹤鸣.浅谈家用空气炸锅的设计J.机电产品开发与创新,2019,32(06):27-29.3 项琳琳.某烤箱内腔温度场均匀性的优化研究J.建筑热能通风空调,2016,35(02):45-48.4 陈华方,王洪涛,冯龙标.空气炸锅内流场的CFD模拟方法和分析J.家电科技,2022(01):96-100.5 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正措施J.科技与创新,2021(01):3-5.6 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