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FLUENT汤碗瞬态温度计算

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正文共:901字 10图  预计阅读时间:3分钟

1 前言 

    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。


2 模型描述

    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


3 求解设置

    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。


4 计算结果

    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。

来源:仿真与工程
材料
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首次发布时间:2023-07-05
最近编辑:1年前
余花生
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