FLUENT汤碗瞬态温度计算

    有下厨经验的读者一定体会过汤从锅里盛到碗里之后，要端到餐桌上时，碗通常很烫，此时可考虑用块抹布隔热一下。实际上，汤碗的设计有一定的巧妙之处，可以在不用抹布的情况下也能端到餐桌上，但是速度要快。今天咱们来做一个这样的案例。

    本次案例来自于笔者真实经历，请先看下面的图片，当然了这只是笔者的厨艺成品罢了（O(∩_∩)O）。

    咱们看看汤碗的底部结构，四周有一定的凸出，因此在端碗的时候手指可以不用直接接触于汤碗弧面上。

    实际的端碗姿势可以如下，用这个姿势就可以在短时间内快速将汤碗端到餐桌上了。

    为了简化计算，我们建立如下二维轴对称汤碗模型，尺寸模型读者可以自行在家拿个汤碗测量一下，网格尺寸1mm。其中红色部分为盛汤位置，壁面温度初始100℃（煮沸的汤）。其余壁面为对流换热边界，外部流体温度设置为房间温度27℃，传热系数8W/m2℃（自然对流传热系数大致范围）。汤碗的材料为陶瓷，不负责任的物性参数如下：密度2700kg/m³，比热840J/kg℃，导热系数1.5W/m℃。PS：由于FLUENT的旋转对称模型需要以X轴为旋转轴，因此建模的时候需要将汤碗翻过来。

图1模型描述

    选择瞬态求解器，时间步长0.1s，能量方程收敛标准10-7，整个计算域初始温度27℃，用patch功能将盛汤部分设置为100℃。仅求解固体能量方程，其余求解设置均采用默认即可。

    汤碗底部温度变化趋势如下图。

    汤碗顶部温度变化趋势如下图。

    汤碗边缘温度变化趋势如下图。

    可以看出汤碗边缘温度上升最快，不到30s迅速达到50℃（实际情况比这个时间还短，不到10s，这与边界条件特别是材料物性有很大关系）。底部和顶部的温度上升较慢，特别是顶部，耗时1000s才到50℃，底部耗时130s达到50℃。因此，我们端碗的时候手指位置位于这两个区域则可以短时间内不被烫伤。

    我们读取初期（上图）和稳态时（下图）通过汤碗底部、顶部和边缘的热流密度，也可以看出热量主要从底部和边缘散发至外部环境，在初期时间段内，底部和顶部的散热量相当小，这也就是端碗最佳时刻。

    稳态时刻汤碗的温度分布如下图，这和我们实际体验是一致的。祝君用餐愉快。