通过仿真找到烧烤架中最佳的炭排列方式

你有没有想过花点时间来考虑如何提升你的烧烤技能？在这篇博客中，我们将向您展示如何使用 COMSOL Multiphysics® 软件来找到烧烤架中煤块或木炭的最佳排布方式，以获得均匀的热量，从而避免出现过热点。例如，烤披萨的时候就需要均匀的热量。

烧烤中的传热现象

使用烧烤架加热食物时，热量主要是通过热辐射传递给食物的。也就是说在普通的锅式碳烤架中，热量是通过锅下方的直接热辐射和锅壁的反射传递给食物的。在烤制不同的食物时，需要不同的热量分布。

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炭堆积在烧烤架的一侧。你可以先在热的一侧将牛排表面烤焦，然后在温度较低的另一侧将牛排烤熟。如果将盖子盖上，这个烧烤架更像是一个适合烤较大的肉块和整只禽类的对流烤箱。这种慢烹饪方式通常称作烧烤而不是炙烤。

又比如烤披萨时，则需要炙热且分布均匀的热量，以免产生过热点而烧焦食物。你可能认为分布均匀的单层煤炭产生的火是获得均匀热量的最好方法，但实验测试和仿真分析结果表明，还有一种更好的煤炭分布方式。

火环

就像美国Cook’s Illustrated最近报道的一篇文章中所说的，均匀炙烤食物的最佳方式是将煤炭摆成一个环形，使烧烤架的中心留空。尽管这听起来有点不可思议，但是煤炭均匀分布在烤架时的火并不能在提供均匀的热量。这是因为食物不仅会受到来自下方的热量，弯曲的锅壁也会向内反射热量，在烧烤架的中心产生过热点。

煤炭排成环形（左）和均匀分布（右）时烧烤架产生的热量。

让我们用 COMSOL Multiphysics 来深入分析这个问题。我们可以比较不同的煤炭排列方式及其在烧烤架内的加热效果，来确定煤炭的最佳排列方式。

模拟烧烤架内的表面对表面辐射

在 COMSOL Multiphysics 中，我们可以使用传热模块中的表面对表面辐射传热接口测试不同的炭排列方式对烤架温度的影响，包括：

• 炭在中心
• 炭在周边排成环形
• 炭铺满烧烤架

仿真的目标是查看这3种炭排列方式的平均温度，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。我们使用了一个二维轴对称几何结构。为了对3种炭排列方式进行说明，我们增加了以下参数：到炭到中心的距离、炭的数量和炭的间距。然后进行了参数化扫描，以在单个研究得到3种情况下的仿真结果。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。

我们在模拟时使用了3种材料属性：

1. 空气，锅内炭周围的较大的域
2. 钢，锅壁和炉栅的材料
3. 炭的热导率、密度和热容量数据取自 A.Bejan 编著的Heat Transfer（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）。

其中，将空气域看作流体，将钢域和炭看作固体。此外，将每一个炭都作为热源，热耗率定义为 3 kW 。

在边界条件方面，将各个方向辐射强度的漫反射表面作为边界。将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。

为了提高使用表面对表面辐射模型的精度，在炭边界上添加了边界层网格划分。

为了求解上述3种情况的稳态研究，我们建立了参数化扫描节点来对三种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，在标准的计算机上仅需1、2 分钟就可完成。

为了对轴对称仿真结果进行结果与可视化，我们使用了旋转二维数据集，它将轴对称解数据集作为输入并旋转为三维解。下图显示了炭排成环形的情况下仿真的旋转解。

炭排列成环形的情况下，锅内的温度。轴对称解旋转为 225°。

哪种炭排列方式能提供最均匀的热量？

为了得到仿真提供的定量结果数值，我们使用了全局计算节点来计算烧烤架上解的温度差和平均温度。我们使用了最大值、最小值和平均值运算符，它们都只定义在上边界（烤架）上。温度计算结果如下所示（对数值进行了四舍五入，单位为 K）：

炭排列方式	温度差	平均温度
炭在中心	166	501
炭排成环形	92	502
炭铺满烧烤架	122	499

尽管这3种情况的平均温度几乎相同，但炭排成环形时的温度变化最小。因此，仿真结果与实验结果一致：在传统的锅式烧烤架中，将炭排成环形时的热量最均匀。

在下面的绘图中，使用选择子节点的解数据集说明了 3 种情况下烤架的温度：

炭在中心（左）、铺满烤架（中）和排成环形（右）时的烤架上的温度绘图。

在这篇博客中，我们通过一个很容易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 中模拟表面对表面辐射，可以清楚地看到在将炭沿烤架周围排成环形能获得最均匀的热量。现在，让我们做好准备迎接烧烤季的到来吧！

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