《Applied Food Research》：Experimental and numerical research of heating process and the vapor transportation in a forced-convection oven
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本研究针对多功能烤箱在烘焙过程中温度与水蒸气分布不均的问题，通过实验测量与数值模拟相结合的方法，系统分析了烤箱内部流场特性。研究建立了耦合湍流、传热与组分输运的数值模型，验证了其准确性，并基于流场分析优化了背板通风结构与顶部辅助通风系统。优化后烤箱腔内特征点最大温度波动降低50.3%，褐变偏差减少33.3%，平均蒸汽质量分数下降31.9%，显著提升了烘焙均匀性。该研究为多功能烤箱的设计优化提供了重要理论依据和技术支撑。
（以下为论文解读文章）
随着现代厨房需求的快速发展，传统烤箱已改进为兼具蒸烤功能的多功能设备。烤箱内部的温度和水蒸气分布对实现理想的食物烘焙效果至关重要，在设计中常采用结构优化来改善参数分布。然而，复杂的传热和组分输运过程使得难以实现理想的温度和蒸汽均匀分布，这对烘焙和蒸制过程非常重要。尽管已有大量研究关注烤箱内的温度分布，但针对蒸汽分布特性及其与热传递耦合效应的分析仍较为缺乏。蒸汽的分布和含量直接影响烘焙食品的质地和色泽，因此多功能烤箱的优化不能仅依赖于温度分布，还需要考虑蒸汽组分的特性。
为解决上述问题，研究人员对具有不同结构优化的烤箱进行了实验和数值测试。通过热电偶和蒸汽探头测量了温度和蒸汽分布，评估并分析了参数特性。研究提出了一个耦合传热、湍流流动和组分输运的数值模型，并通过实验测量验证了该模型，从而能够准确描述数值模拟中的流场特性。通过研究受热传导、对流和辐射影响的温度和组分分布，突出了不同内部结构的影响。基于实验和数值结果，揭示并分析了导致蒸汽组分和流动温度分布不均的因素，并对烤箱内部结构和辅助通风系统进行了优化验证。
研究采用的主要关键技术方法包括：利用热电偶和高温湿度计进行烤箱腔内多点温度和蒸汽质量分数的实验测量；建立基于Navier-Stokes方程、包含连续性方程、动量方程和能量方程的数值计算模型，采用SST k-ω湍流模型和离散坐标辐射模型；通过有限体积法对计算域进行离散化处理，进行网格无关性验证；对背板通风结构和顶部辅助通风系统进行参数化优化设计。
2. 实验测试
研究人员选择了不同水分含量的食物作为测试对象，面包片（低水分含量）用于获取烘焙温度分布，而高水分含量的食物（牛肉）用于测试蒸汽输运特性。在烤箱底部和烘焙托盘上分别布置了10个温度探头，在腔体内布置了3个蒸汽检测点。测试过程中，底部加热器功率为1000W，上部为1200W，后部通风系统为800W，通风风扇转速为1250rpm。
3. 数值模型
数值模拟采用了耦合湍流流动、传热和组分输运的物理模型。控制方程包括连续性方程、动量方程和能量方程，蒸汽组分输运通过物种输运方程描述。采用SST k-ω湍流模型来模拟湍流特性，离散坐标模型用于计算辐射传热。计算域总网格数为4860000个单元，在保证计算精度的同时兼顾了计算经济性。
4.1. 模型验证
温度分布验证结果显示，实验与数值模拟结果吻合良好，最大偏差为6.3°C。蒸汽质量分数的验证中，最大绝对误差小于15%，虽然误差较温度验证略大，但整体趋势与实验结果一致，表明数值模型能够较好地捕捉蒸汽输运特性。
4.2. 流场特性
流场分析表明，原始设计中背板通风结构仅位于上下两侧，导致腔体内流动不均匀。在XY平面（切片G）上，后部离心风扇在中心区域通风，导致该区域温度相对较低，而侧向区域温度较高。速度分布和流线显示，中心流动由后部离心风扇的低压形成，在XY平面上不同位置产生涡流，导致气流和温度分布不均。蒸汽质量分数分布主要受对流流动影响，从食物表面蒸发的蒸汽被吹向烤箱腔体的前部，同时离心风扇形成的负压诱导蒸汽从背板中间的通风结构排出。
4.3. 优化
基于流场分析，研究人员对背板通风结构和顶部辅助通风系统进行了优化。背板优化增加了侧向和角落的通风结构，改善了腔体内的流动均匀性。顶部辅助通风优化将进气角度调整为60度，基于引射效应提高了蒸汽排出效率。优化后，特征采样线上的温度波动明显减小，最大温差从22.5°C降至8.4°C。蒸汽质量分数的峰值区域变得平坦，数值也有所降低。
烘焙测试结果表明，优化后面包的烘焙均匀性显著提高，有效防止了局部过度烘焙和不良褐变区域的形成。特征点测量显示，最大温度波动降低50.3%，褐变偏差减少33.3%，平均蒸汽质量分数下降31.9%。对高水分含量食品（如蛋挞）的测试也验证了优化的实际应用效果。
本研究通过实验和数值研究深入探讨了强制对流烤箱腔体内的流场演变和参数分布特性。通过引入组分输运模型研究蒸汽流动特性是本研究的核心创新点。不仅优化了烤箱腔体内的结构，还对顶部辅助通风系统进行了改进。数值模型和优化方案可用于改善烤箱的运行性能，为多功能烤箱的设计提供了重要基准。研究结果表明，通过合理的结构优化，可以显著提高烤箱内部的温度和蒸汽分布均匀性，从而提升烘焙食品的质量和一致性。这项工作为食品加工设备的优化设计提供了有价值的见解和方法论支持。
