寻找烧烤架中最佳的煤炭排布方式以获取均匀的热量

Magnus Ringh 2017年 1月 25日

尽管在北半球很多地区的烧烤季还没开始,但我们还是要花些时间来研究一下如何改进烧烤技术。在本篇博客文章中,我们将展示如何使用 COMSOL Multiphysics® 软件来确定烧烤架中煤或木炭的最佳排布方式,以获得均匀的热量,避免出现过热点。例如,烤披萨的时候就要求均匀的热量。

烧烤中的传热现象

当使用烧烤架时,热量主要通过热辐射传递给食物。这意味着,在普通的炭锅烤架中,热量通过下方火焰的直接辐射和锅壁的反射传递给食物。在烧烤不同的食物时,您可能会期望热量具有不同的分布方式。

grilling pizza over charcoal 寻找烧烤架中最佳的煤炭排布方式以获取均匀的热量
烧烤架上的披萨。

比如,烤牛排时你可能想使用所谓的二级火,即将大部分或全部的煤炭堆积在烧烤架的一侧。先在热的一侧将牛排烤焦,再烤不太热的另一侧,便大功告成了。如果给烧烤架盖上盖子,更像是对流型烤箱,很适合烤大肉块和整只禽类。这种慢速的烹饪通常称作烤肉而不是烧烤。

对于烤披萨而言,则需要强烈而分布均匀的热量,以免产生过热点而烧焦食物。您可能认为均匀的单层火可能是得到均匀热量的最好方法,但实验测量和仿真分析表明还更好的的煤炭排布方式。

火环

正如烹饪画报 最近的一篇文章所报道的,均匀烘烤食物的最佳方式是将煤炭摆成一个环,烧烤架的中心留空。尽管听起来有点不可思议,煤炭布满烧烤架时的火不能在烧烤架炉栅提供均匀的热量。这是因为食物不仅受到来自下方的热量。此外,弯曲的锅壁向内反射热量,在烧烤架的中心产生过热点。

Coal arrangement for even grilling 寻找烧烤架中最佳的煤炭排布方式以获取均匀的热量
煤炭排成环形(左)和均匀分布(右)的烧烤架产生的热量。

让我们用 COMSOL Multiphysics 深入分析一下这一问题。我们可以比较不同的煤炭排列方式和它们在烧烤架内的加热效果,并以此来确定煤炭的最佳排列方式。

模拟烧烤架内的面-面辐射

在 COMSOL Multiphysics中,我们可以“传热模块”中的表面对表面辐射传热 接口来测试不同的煤炭布置方式对烧烤架温度的影响,其中包括:

  • 煤炭在中心
  • 煤炭在周边排成环
  • 煤炭布满烧烤架

仿真的目的是查看这三种排布方式的平均温度,以及最高温度和最低温度之间的温差。温差越小,热量分布就越均匀,这正是我们想要得到的最佳结果。

在 COMSOL® 模型中,我们利用传统锅式烧烤架的对称性,对模型进行了简化。为了对三种煤炭排列方式进行说明,我们增加了以下参数:到中心的距离、煤炭数量和煤炭间距。然后我们进行了参数化扫描,以便在单个研究得到三种情况的仿真结果。由于传热以辐射为主,所以我们忽略了自然对流的传热方式。

仿真利用了三种材料的特性:

  1. 空气是锅内煤炭周围的大面积域
  2. 锅壁和炉栅的材料是钢
  3. 煤炭的热导率、密度和热容量数据取自 A.Bejan 著录的传热(Wiley);这些值都是近似值(对于没有对流的稳态研究,不需要热容量和密度)。

对于这些域来说,空气被视为流体,钢域和煤炭被视为固体。此外,每个煤炭作为热源,其热耗率用 3 kW 的功率进行定义。

在边界条件方面,所有边界被看作是反应各个方向辐射强度的漫反射表面。初始温度和环境温度设为 293.15 K(20°C)。对称边界是一个例外,它使用了预先定义的轴对称条件。

为了提高使用面-面辐射模型中的精度,我们为煤炭边界增加了边界层剖分网格。

为了对上述三种情况的稳态研究进行计算,我们建立了参数化扫描 节点来对三种煤炭排列对应的参数值的特定组合进行扫描。用于计算烧烤架内温度的完整参数扫描,在标准的工作站上仅需一、两分钟便可完成。

为了对轴对称仿真结果进行后处理,我们可以使用旋转 二维数据集,它将轴对称 数据集作为输入并将它旋转入三维解中。下图显示了煤炭排成环情况下仿真的旋转解。

grilled pizza 3D temp 寻找烧烤架中最佳的煤炭排布方式以获取均匀的热量
煤炭排成环情况下的锅内温度。轴对称解旋转为 225度。

哪种煤炭排布方式能提供最均匀的热量?

为了得到这些仿真提供的定量结果的数值,我们使用了全局计算 节点来计算烧烤架炉栅处解的温度差和平均温度。为了计算,我们使用最大值、最小值和平均值运算符,它们都只在上边界(炉栅)上定义。温度值计算结果如下(圆整值,单位为 K):

煤炭排布方式 温度差 平均温度
煤炭在中心 166 501
煤炭排成环 92 502
煤炭布满烧烤架 122 499

尽管三种情况的平均温度几乎相同,但煤炭排成环时的温度变化更小。因此,仿真与实验结果相符:在传统的锅式烧烤架中,将煤炭排成环时的热量最均匀。

下面的绘图通过炉栅处选择 子节点的 数据集说明了三种情况下炉栅处的温度:

grilled pizza grate coals center 寻找烧烤架中最佳的煤炭排布方式以获取均匀的热量
grilled pizza grate coals everywhere 寻找烧烤架中最佳的煤炭排布方式以获取均匀的热量
grilled pizza grate coals ring 寻找烧烤架中最佳的煤炭排布方式以获取均匀的热量

煤炭在中心(左)、布满烧烤架(中)和排成环(右)时的炉栅温度绘图。

在本篇博客文章中,我们通过一个易于理解的例子说明了如何在设计过程中,甚至是在日常生活中借助仿真做出合理的决策。通过在COMSOL Multiphysics中模拟面-面辐射,我们可以清楚地看到在烧烤架边缘将煤炭排成环能得到最均匀的热量。现在,让我们做好准备迎接烧烤季的到来吧!

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