簡介

傳統烤箱主要通過來自加熱裝置的輻射來加熱食物元素。對流烤箱除了輻射外還使用強制對流，以加熱食物。在這個案例中，我們不對輻射進行建模，而是關注關于比較由于自然對流而發生的熱傳遞（在傳統烤箱）和強制對流（在對流烤箱中）。

目標

• 比較兩個烤箱將餅干加熱到溫度200℃時所需要的時間；

• 比較餅干在兩種設置的烤箱中，餅干中的溫度分布的均勻性。

步驟

1. 打開Ansys Workbench，創建一個瞬態熱分析項目：Transient Thermal；
   

2.設置單位為公制：Metric（Kg,m,℃）；（為了方便材料屬性的定義）

3.定義餅干的材料屬性：密度：5kg/m-3；導熱率：0.3W/(m*℃)；比熱容：2000J/(kg*℃)；

4.再把單位制切換到Metric（Kg,mm,℃）；

5.導入幾何模型：

6.給餅干分配材料屬性；

7.分別創建上下表面集：Name Selection：Top surface，Bottom surface；

其中Top surface創建如下：

Y坐標-1.6的設置如下：

需要找到餅干上表面Y坐標的大致數值：

在選擇模式下，選擇“點”選擇模式：Vertex selection；

在上表面下大致位置，選擇一點，然后選擇Home菜單欄的：Selection Information；就可以顯示出該點的坐標信息，如圖：得知該點的Y坐標為-1.3556；

同樣的操作方式，可以創建Bottom surface的Name selection，參數如下：

8.網格劃分：采用軟件默認網格劃分方式，對餅干模型進行網格劃分；

9.仿真初始條件設置：

我們假設烤箱在220秒內達到250℃。在詳細信息中分析設置，將 Step End Time 設置為200s。將定義方式設置為Substeps，并設置Initial Substeps、Minimum Substeps和Maximum子步數為20，如圖所示：

仿真邊界條件設置：

初始環境溫度均勻，設置為22℃。對于邊界條件下，我們假設cookie 的底面通過來自烤盤的熱傳導。頂部表面通過對流被加熱。在底面上應用傳導邊界條件，然后讓溫度從0到200秒從22℃升高到250℃（同烤箱加熱的時間）。

將對流邊界條件應用于頂面。首先，我們將模擬傳統烤箱。采用表格數據來設置對流系數和環境溫度。在t=0s，（環境）溫度為22℃，薄系數為2e-5??/????℃，在t=200s，（環境）溫度達到250℃，成膜系數仍為2e-5W/????℃。

薄膜系數是量化傳熱能力的參數通過對流，膜系數越大，傳熱越快通過對流。

仿真得到餅干的瞬態溫度場及隨時間變化的溫度曲線和數據表，如圖所示：

從表中可以看出，在170s時，餅干的最低溫度可以超過200℃；

復制上面的仿真結果：把薄系數改為2e-3??/????℃，在t=200s，（環境）溫度達到250℃，成膜系數仍為2e-3W/????℃。其他邊界條件不變：

仿真得到溫度場及瞬態溫度-時間數據如下：

可以看到，在160s時，餅干的最低溫度就已經超過200℃。

結論

這個例子比較了曲奇餅干的溫度分布，在傳統烤箱和對流烤箱中烘烤時。我們發現與傳統烤箱相比，對流烤箱更快更均勻地加熱餅干。這就是為什么對流烤箱比傳統烤箱成本更高的原因。

餅干幾何模型下載地址：Workbench 2021 R2版本