使用模擬分析改進燒烤技術

02-09

儘管燒烤季還沒開始，但我們還是要花些時間來研究一下如何改進燒烤技術。在本篇博客文章中，我們將展示如何使用 COMSOL Multiphysics? 軟體來確定燒烤架中煤或木炭的最佳排布方式，以獲得均勻的熱量，避免出現過熱點。例如，烤披薩的時候就要求均勻的熱量。

燒烤中的傳熱現象

當使用燒烤架時，熱量主要通過熱輻射傳遞給食物。這意味著，在普通的炭鍋烤架中，熱量通過下方火焰的直接輻射和鍋壁的反射傳遞給食物。在燒烤不同的食物時，您可能會期望熱量具有不同的分布方式。

燒烤架上的披薩。

比如，烤牛排時你可能想使用所謂的二級火，即將大部分或全部的煤炭堆積在燒烤架的一側。先在熱的一側將牛排烤焦，再烤不太熱的另一側，便大功告成了。如果給燒烤架蓋上蓋子，更像是對流型烤箱，很適合烤大肉塊和整隻禽類。這種慢速的烹飪通常稱作烤肉而不是燒烤。

對於烤披薩而言，則需要強烈而分布均勻的熱量，以免產生過熱點而燒焦食物。您可能認為均勻的單層火可能是得到均勻熱量的最好方法，但實驗測量和模擬分析表明還更好的的煤炭排布方式。

正如烹飪畫報 最近的一篇文章所報道的，均勻烘烤食物的最佳方式是將煤炭擺成一個環，燒烤架的中心留空。儘管聽起來有點不可思議，煤炭布滿燒烤架時的火不能在燒烤架爐柵提供均勻的熱量。這是因為食物不僅受到來自下方的熱量。此外，彎曲的鍋壁向內反射熱量，在燒烤架的中心產生過熱點。

煤炭排成環形（左）和均勻分布（右）的燒烤架產生的熱量。

讓我們用 COMSOL Multiphysics 深入分析一下這一問題。我們可以比較不同的煤炭排列方式和它們在燒烤架內的加熱效果，並以此來確定煤炭的最佳排列方式。

在 COMSOL Multiphysics中，我們可以「傳熱模塊」中的表面對錶面輻射傳熱 介面來測試不同的煤炭布置方式對燒烤架溫度的影響，其中包括：

模擬的目的是查看這三種排布方式的平均溫度，以及最高溫度和最低溫度之間的溫差。溫差越小，熱量分布就越均勻，這正是我們想要得到的最佳結果。

在 COMSOL? 模型中，我們利用傳統鍋式燒烤架的對稱性，對模型進行了簡化。為了對三種煤炭排列方式進行說明，我們增加了以下參數：到中心的距離、煤炭數量和煤炭間距。然後我們進行了參數化掃描，以便在單個研究得到三種情況的模擬結果。由於傳熱以輻射為主，所以我們忽略了自然對流的傳熱方式。

模擬利用了三種材料的特性：

對於這些域來說，空氣被視為流體，鋼域和煤炭被視為固體。此外，每個煤炭作為熱源，其熱耗率用 3 kW 的功率進行定義。

在邊界條件方面，所有邊界被看作是反應各個方向輻射強度的漫反射表面。初始溫度和環境溫度設為 293.15 K（20°C）。對稱邊界是一個例外，它使用了預先定義的軸對稱條件。

為了提高使用面-面輻射模型中的精度，我們為煤炭邊界增加了邊界層剖分網格。

為了對上述三種情況的穩態研究進行計算，我們建立了參數化掃描 節點來對三種煤炭排列對應的參數值的特定組合進行掃描。用於計算燒烤架內溫度的完整參數掃描，在標準的工作站上僅需一、兩分鐘便可完成。

為了對軸對稱模擬結果進行後處理，我們可以使用旋轉二維數據集，它將軸對稱解數據集作為輸入並將它旋轉入三維解中。下圖顯示了煤炭排成環情況下模擬的旋轉解。

煤炭排成環情況下的鍋內溫度。軸對稱解旋轉為 225度。

為了得到這些模擬提供的定量結果的數值，我們使用了全局計算 節點來計算燒烤架爐柵處解的溫度差和平均溫度。為了計算，我們使用最大值、最小值和平均值運算符，它們都只在上邊界（爐柵）上定義。溫度值計算結果如下（圓整值，單位為 K）：

儘管三種情況的平均溫度幾乎相同，但煤炭排成環時的溫度變化更小。因此，模擬與實驗結果相符：在傳統的鍋式燒烤架中，將煤炭排成環時的熱量最均勻。

下面的繪圖通過爐柵處選擇子節點的解數據集說明了三種情況下爐柵處的溫度：

煤炭在中心（左）、布滿燒烤架（中）和排成環（右）時的爐柵溫度繪圖。

在本篇博客文章中，我們通過一個易於理解的例子說明了如何在設計過程中，甚至是在日常生活中藉助模擬做出合理的決策。通過在COMSOL Multiphysics中模擬面-面輻射，我們可以清楚地看到在燒烤架邊緣將煤炭排成環能得到最均勻的熱量。現在，讓我們做好準備迎接燒烤季的到來吧！