《Case Studies in Thermal Engineering》：Research on gas replacement scheme for household steamers
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本研究针对家用蒸箱在烹饪过程中营养物氧化损失问题，通过理论分析与数值模拟，设计了新型进气装置实现活塞式气体置换，使腔体中心氧含量从18%降至1%的时间缩短至54秒，较传统方案提升效率78.2，并显著降低能耗与水耗15%以上，为蒸汽烹饪设备的低氧环境控制提供了创新解决方案。
在追求健康饮食的当下，家用蒸箱因能保留食材营养而备受青睐。然而，传统蒸箱在烹饪过程中，腔体内的氧气会加速食物营养成分的氧化损失，影响菜肴的口感和营养价值。如何快速排出蒸箱内的氧气，创造一个低氧烹饪环境，成为行业亟待突破的技术难题。现有的气体置换技术如真空置换或加压置换因成本高、结构复杂难以在家用蒸箱中应用，而混合气体置换效率低下，无法满足快速排氧的需求。
针对这一挑战，西安交通大学能源与动力工程学院的研究团队在《Case Studies in Thermal Engineering》上发表了一项创新研究，通过理论分析、数值模拟和实验验证，系统探讨了家用蒸箱的气体置换方案。研究人员聚焦于活塞式气体置换这一高效置换模式，设计了新型进气装置，成功实现了蒸箱内氧含量的快速降低，为家用蒸箱的低氧烹饪技术提供了重要理论支撑和实践方案。
本研究主要采用了理论建模、计算流体力学(CFD)模拟和实验验证相结合的方法。首先通过宏观理论分析对比了混合置换与活塞式置换的性能差异；接着利用CFD软件建立了蒸箱内气体流动与传质的数值模型，采用瞬态Mixture模型和RNG k-ε湍流模型进行仿真计算；最后搭建实验系统，通过氧含量分析仪和热电偶测量蒸箱内氧气浓度和温度变化，验证数值模型的准确性并测试新结构的实际性能。
气体置换模型的理论分析
通过建立理想气体置换模型，研究人员发现活塞式置换的排氧时间仅需27.3秒，远优于混合置换的97.6秒。进一步考虑水蒸气冷凝的影响后，推导出了实现活塞式置换的蒸汽入口速度范围公式，为后续结构设计提供了理论指导。
不同方案的气体置换性能比较
研究团队设计了四种进气结构方案：(a)圆形孔入口、(b)分流管结构、(c)渐扩导流装置和(d)扰流圆柱阵列结构。数值模拟结果显示，方案(c)和(d)的排氧性能最佳，腔体中心氧含量从18%降至1%仅需22.5秒和22.1秒，且表现出明显的蒸汽-空气分层现象，符合活塞式置换特征。
水蒸气流量对置换效果的影响
研究发现存在最佳质量流量0.7克/秒，此时排氧时间最短。当流量低于此值时，排氧速率与蒸汽流量正相关；超过此值后，高速蒸汽会导致壁面附着现象，破坏活塞式置换效果。
实验验证与性能测试
实验结果表明，方案(d)在实际运行中仅需54秒即可将氧含量从18%降至1%，比传统结构提升效率78.2%。长期运行测试证实了新结构的稳定性，能耗和水耗均降低15%以上，展现出显著的节能优势。
该研究通过理论创新和结构优化，成功实现了家用蒸箱的高效气体置换。新型进气装置不仅大幅提升了排氧效率，还降低了能耗和水耗，为健康烹饪设备的开发提供了重要技术支撑。研究提出的设计准则可推广至不同规格的蒸箱设备，对促进食品加工领域的节能技术创新具有积极意义。活塞式气体置换技术的成功应用，标志着家用蒸箱在低氧烹饪技术方面取得了重要突破，为未来智能厨电的发展指明了方向。
