隨著主食廚房革命逐漸深化，烘焙文化流行，烘焙及烘焙食品得以普及化、大眾化，這一趨勢帶動了家用烤箱品類 市場呈現強勁漲勢。據相關資料顯示，2017年嵌入式烤箱市 場規模已達到20.7億元。

一款受歡迎的家用烤箱產品，不僅僅要有創新的造型和舒適的用戶交互，更重要的是能夠輕松地烘焙出色香味俱全的食物，帶來良好的烹飪體驗。這其中關鍵的影響因素之一是烤箱內部的溫度均勻性?？鞠鋬炔繙囟炔痪鶆?，烤制的食物會出現冷熱不均、生熟不均的現象，影響食物的感官特性，甚至會因食品衛生的問題而影響人體健康。換句話說，烤箱內部溫度分布特性直接影響著烤制食物的品質。基于此，相關研究得以開展并不斷深入。

烤箱作為一個熱容系統，具有大慣性和大滯后的特點，而且它所加工的食物種類及物性也千差萬別。不同烤箱內部溫度分布特性相差較大，溫度分布不均勻的成因也相當復雜。本文旨在梳理近年來國內外烤箱內部溫度分布的研究進展，對比分析各自的研究思路和研究內容，從而挖掘出提升烤箱內部溫度分布均勻性的策略及發展趨勢，以期為改善烤箱溫度均勻性提供新的方向，為高品質烤箱產品的開發提供設計參考。

1家用烤箱組成與加熱模式

實際上，烤箱是熱處理生產中應用最廣的加熱設備，電流通過電熱元件產生熱量，借助輻射和對流的傳遞方式，將熱量傳遞給所要加熱的物品，使其加熱到所要求的溫度。普通家用電烤箱自2013年開始迅速發展，產品包括臺面式小 烤箱和嵌入式烤箱，主要由箱體、箱門、電熱元件、控制系 統、電器件和烹飪附件等組成，如圖 1示例（1-控制面板；2風扇；3-后部加熱元件；4-箱門；5-底部加熱元件；6-頂部加 熱元件）?，F代家用電烤箱通過溫度傳感器控制爐腔溫度，可以設置高低溫，還可以控制焦酥程度及通過食物探針測量食物溫度控制爐腔運行。

烤箱內部溫度測試點分布圖

烤箱電熱元件多采用金屬加熱管，具有機械強度高、壽命長、絕緣性能高、表面溫度分布不均勻度低等特點?？鞠浼訜峁茉O置通常包括頂部加熱管、底部加熱管，可實現燒烤加熱模式和自然對流加熱模式。通過在后部加熱管處增加風扇及電機組件，實現強制對流加熱模式。通過設置多個后部加 熱管或側部加熱管實現分區加熱模式。表1列舉了幾種烤箱典 型的加熱模式。傳統的自然對流加熱模式依賴于流體密度的變化，由流體自身溫度場不均勻引起的流動來實現；熱風對流模式及強制對流模式，主要是利用循環風扇的旋轉作用來帶動烤箱內部空氣流動，從而實現烤箱內部空氣循環。

2烤箱溫度分布研究方法

目前，烤箱溫度場分布的研究方法主要包括試驗研究 和計算流體力學（CFD）數值模擬兩種。 

2.1 試驗研究

試驗研究通常根據烤架位置選擇上、中、下三層為參考 面，每一測試層采用 3×3分布式布置9個測點，動態測量烤 箱各層溫度的分布，如圖 2所示。該方法易受試驗條件和測 試過程影響，測試時間較長。該方法一方面用于驗證烤箱品質，另一方面則用于驗證數值模擬的結果。

2.2 數值模擬研究

CFD數值模擬作為一種仿真工具，具有速度快、花費 少、可多工況模擬的特點，被廣泛用于研究烤箱內部流體力學特性和傳熱特性，與烘焙系統優化緊密相聯。其計算方法豐富，包括有限差分法、有限體積法、有限元法、基于粒 子的算法（BGK）及無網格算法等等，其中以有限元法和有 限體積法應用較多?？蛇x的商用計算軟件包括FLUENT、CFX、STAR-CD /CCM+、PHOENICS、XFlow等。 

數值模擬研究的前提是建立與實際相吻合的仿真模型。實際建模過程中，所要選擇的子模型和各種條件參數對模型的可靠性和能否模擬真實情況至關重要。只有強魯棒性的模型才可以為溫度分布的研究提供有力的證據支持。

烤箱溫度分布特性研究的模型建立需要考慮設置合適的網絡分格、邊界條件和求解控制，選擇合適的湍流模型、輻射模型、多相流模型等。隨著研究深入，采用三維仿真模 型進行分析相比二維模型更多。Verboven[1,2]等建立包含連 續性方程、動量方程、能量方程和標準k-ε模型在內的CFD 模型，模擬空氣強制對流烤箱中的溫度分布，實際測得的腔內溫度結果與 模擬平均溫度基本吻合，最大誤差為4.6℃。隨后，其還引入 風機模型和湍流模型模擬腔內氣流流場，并通過實際測得數據進行驗證，分析發現風壓、風機漩流和烤箱的幾何尺寸對模擬結果影響很大，但由于湍流模型的局限性和網格劃 分的問題，模擬與實測數據存在22%的平均誤差。Mistry[3]等開發了一個三維時間相關的數值模型，用于模擬非穩態自然對流烤箱的熱傳遞過程。將加熱元件的邊界條件設置為體積熱源，通過應用時間相關仿真，成功地模擬了加熱 元件的開關。在強制對流爐中，他們能夠預測實驗值4%范 圍內的溫度場。當上部加熱元件采用紅外加熱管時，模擬和 實驗結果之間的差異是10%。Smolka[4]等則建立包括傳熱 模式、溫度相關的空氣特性和外腔的熱傳遞系統等參數的 CFD仿真模型分析強制對流烤箱中氣流流動與傳熱過程， 結果與實驗數據高度吻合，并根據計算提出改變加熱器位置、風扇和風扇擋板等措施提高烤箱內溫度的分布均勻性。 Chhanwal[5]等研究對比分析了三種輻射模型：離散傳輸輻射 模型（ DTRM）、表面輻射模型（ S2S）、離散坐標輻射模型 (DO)均有良好的精度。與 S2S模型相比，DO模型還考慮中 間介質對傳熱的影響。因此，烤箱內部面包烘烤模型最終選 用DO輻射模型以研究其溫度分布曲線，且通過試驗方法驗 證了數值模擬結果。Boulet[6]等采用k-ε可實現模型研究面 包烤箱，該模型預測結果與實驗測量值具有良好的一致性。 Khatir[7,8]等在研究工業直接加熱噴管式烤箱時，考慮了強 制對流爐內氣流在噴嘴區域處于高度湍流形式，建立了聯合 RANS湍流模型和現實的邊界條件的CFD模型并進行了試 驗驗證，結果顯示此模型可為研究高速撞擊氣流的強制對流烤箱提供有價值數據。在研究帶面包的小型強制對流烤箱內部空氣流動及溫度的分布時，模擬結果顯示邊界條件的設置和流動模型的選擇對模擬烤箱溫度有較大影響。

3烤箱溫度分布研究內容

3.1 傳熱機制研究

近年來，國外很多學者利用數值化模擬方法研究家用 烤箱的熱傳遞現象[5-9]，發現其內部傳熱主要為輻射傳熱與對流傳熱。

首先考慮烤箱加熱的自然對流的過程。他們認為，在使 用自然對流烘烤法時，輻射是傳熱的主要機制。Mistry[7]等模 擬研究的非穩態自然對流烤箱的熱傳遞過程結果表明加熱元件的輻射率對烤箱爐腔溫度場的影響高于爐腔壁的輻射率。

其次，有不少學者通過建模研究了強制對流的傳熱機制[5,6,10]。Chhanwal[9]等研究一種電加熱烤面包烤箱的CFD模 型，結果顯示輻射是熱傳遞的主導機制。Boulet[10]等研究通 過對瞬態烤箱的熱傳遞模擬研究，發現烤箱內部氣體流速為低速時，熱量傳遞方式以輻射傳熱為主。同一烤箱具有多種 加熱模式。不同加熱模式下烤箱內部溫度特性不同。王璟[11]等人則研究了某烤箱強制對流模式下不同工作階段烤箱內部的傳熱機理，通過計算熱量交換，分析了烤箱內部加熱過程 各階段的主要換熱方式。結果顯示食物溫度約170℃以下， 傳熱方式以輻射為主導，持續約 10min。超過 170℃，對流成 為主導的換熱方式。值得注意的是，該研究還闡明了在不同模式下經一定的時間建立起穩態后，烤箱內壁面溫度、空氣溫度及加熱管溫度都是相同。即雖然加熱模式不同，但最后達到的穩定狀態都是一樣的，不同的是建立穩態的過程，以及輻射和對流轉換的溫度點。

此外，也有學者模擬研究了食物輻射與爐腔溫度場的關 聯性。Rek[12]等研究認為短面包的輻射率對爐腔溫度場的數值模擬結果沒有顯著影響，這是由于進入爐腔的入口溫度恒 定而導致的結果。Mena Ciarmiello[13]等建立一種基于有限 體積法的Neapolitan披薩電烤箱的3D CFD模型，仿真研究 包括披薩在內的烤箱熱狀況。披薩被設為一個具有恒定密度的均一的固體物質，不考慮面團水分含量和水分蒸發。將 披薩置于爐內，在烹調前 90s，烹調床的溫度會降低，溫度降 低值主要受墻輻射率的影響，而圓頂內壁平均溫度則主要受披薩的熱輻射率影響。披薩熱輻射率和墻熱輻射率的差異并不會顯著影響披薩烹調過程中的平均溫度。這一研究也被認為是進一步深入研究烤箱溫度控制的基礎。

3.2 烤箱溫度均勻性優化研究

3.2.1 結構優化策略

國內烤箱溫度分布的相關研究多集中在利用CFD模擬 仿真指導烤箱結構優化。多項研究 [11,14,15]均通過數值模擬的方法研究烤箱模型內部溫度特性，結果表明通過改善烤箱熱風扇風速、熱風扇擋板結構、出風小孔位置、出風小孔的大小和數量、上下加熱管形狀和位置等方面，可實現烤箱內部溫 度均勻性的最優化。這與 Smolka[4]等人的研究結果一致。合適 的風扇風速可提供充足的進風量，引導內部氣流；背部熱風扇擋板處都有進風口，改進擋板結構可改善進風口附近的流場分布，減少中心渦流和流動死角區域出現；合適的出風小孔的位置、大小和數量可使外界氣流和烤箱內部氣流適時交換，減少低溫區的存在對溫度場分布的直接影響；加熱管是烤箱最重要的部件，它直接影響著烤箱內部的溫度，調整加熱管位置和改進加熱管形狀可減少烤箱相對側的強制熱風的溫差。袁宏 [16]等建立的數值模擬方法分析可知烤箱內腔靠近壁面處溫度較高，靠近烤箱門體處溫度較低，由此他提出了新的改進方法——添加合理的徑向導葉結構，通過試驗和數值模擬對比研究，說明添加合理的徑向導葉結構可減少風扇出口環量，進而消除烤箱內部大尺度漩渦。

烤箱結構示意圖

結構優化策略提升溫度均勻性可能會影響烤箱的預熱 時間及爐腔內部溫度。Christian O. [17]等人利用CFD和實驗 驗證通過在不同的加熱溫度下改變風扇擋板的標稱幾何形狀揭示了溫度均勻性、預熱時間與內部溫度的差異。結果顯示最大半徑圓形案例通過提供最低的溫度均勻性，最接近設定值的溫度和最少的預熱時間來獲得烘焙的最佳特性。同時指出系統內的湍流產生溫度均勻性但會抑制溫度上升到設置值，所設置的溫度值也會影響溫度的均勻性。 

3.2.2 非結構優化策略

溫濕度是烘焙加工過程中重要的控制參數，利用蒸汽輔助可提升烘烤效果。蒸汽輔助烤箱中蒸汽行為與溫度分 布與單純烤箱區別顯著。黃宜坤[18]等人選用Mixture 多相流 模型、標準Κ-ε湍流模型和DO輻射模型進行了相關研究。 結果顯示提高蒸汽溫度和蒸汽噴射量均可提高腔內溫度且有協同作用，且后者增幅更大。但是其所建立模型的仿真值在預加熱階段與溫度標準差測量值存在明顯差距。還有一 些學者研究微波烤箱內部溫度分布特性。Combi（微波+燒 烤/烘烤）模式下，食物快速熟制并且具有良好的表面色澤及 口感。除烤箱結構外，該場景影響溫度分布均勻性的關鍵因素還包括電磁場的分布，以及轉盤類機型的旋轉轉盤等，這一復雜系統的溫度分布研究還需要更深入地進行。

烤箱附件包括烤盤、烤架等，其對烤箱溫度均勻性影響也相當重要。雖然現實烤箱產品的烤盤附件形狀為矩形， 但多數研究認為圓形器皿具有烘焙優勢。姚靖等[19]通過建?？疾旒訜徇^程中食物的熱能分布情況和定義熱能分布均勻系數，對比不同形狀的器皿上食物的受熱均勻程度，并得 到圓形器皿為最佳選擇方案。黃嘉欣 [20]通過探究烤盤形狀對烤箱空間利用率和受熱烤盤溫度分布的影響，分析矩形烤盤四角容易烤焦的食物的原因，結合實際和假設條件提出優化模型，設計出最優的烤盤：若只關注烤箱容納烤盤能力時，最佳烤盤是矩形；若考慮均勻受熱程度因素，最佳烤盤是圓形烤盤。

4總結與展望

相比較國外對烤箱內部傳熱機制的深入研究，國內研究更側重于利用數值模擬方法優化烤箱結構提升溫度均勻性。但總體而言，國內外烤箱內部溫度分布特性的研究方法及提升溫度分布均勻性的主要策略是一致的，通過仿真模擬和實驗研究提出了包括引入強制對流結構、加熱管結構優化、熱風循環結構設計、溫度均勻性評估等在內的關鍵優化方案。此外，考慮蒸汽輔助等復雜烤箱爐腔環境、特定食物對象、特定的烘焙模式的研究也在開展，這些研究的仿真結果更趨近于實際場景，將為烤箱溫度分布均勻性的提升提供更科學合理的指導。

但就研究現狀來看，烤箱溫度分布特性的試驗研究方法相對單一。雖然現在烤箱的研發不僅測試溫度點的數值，還會考察煮食效果。但是如何將溫度值與煮食效果的測試結果同步用于烤箱溫度均勻性的優化提升依然是未來重要的研究課題。其次，相關研究的數值模型始終是仿真研究可靠的前提。氣流流場的均勻性對溫度場的均勻有很大影響。目前在模擬氣流流場方面，數值模型還有待進一步改善，使其能準確地預測氣流流動的分布情況。并且具有典型特征的食物的烘焙模擬過程也期望能在仿真模型的幫助下得到分析。最后，烤箱溫度分布受溫度控制的影響?？鞠涞臏乜鼐哂猩郎貑蜗蛐浴⒋髸r滯性和時變，以及溫度在工作區域內非線性變化的特點?？鞠錅囟确植继匦缘难芯窟€將會考慮溫度控制過程，充分地利用模糊控制、 PID溫控、神經元網絡等先進的溫控技術手段讓烤箱溫度 分布在動態中保持均勻性。

參考文獻

[1] Verboven P, Scheerlinck N, Baerdemaeker JD, et al.Computational fluid dynamics modeling and validation of the temperature distribution in forced convection oven [J].Journal of Food Engineering.2000,43(2): 61-73.

[2] Verboven P, Scheerlinck N, Baerdemaeker JD, et al. Computational fluid dynamics modeling and validation of the isothermal airflow in a forced convection oven[J].Journal of Food engineering. 2000, 43(1): 41-53.

[3] H. Mistry, S. Ganapathi-subbu, S. Dey, P. Bishnoi, J.L. Castillo. Modeling of transient natural convection heat transfer in electric ovens[J]. Appl. Therm. Eng.2006, 26: 2448-2456. 

[4] Smolka J, Nowak AJ, Rybarz D. Improved 3 - D temperature uniformity in a laboratory drying oven based on experimentally validated CFD computations [J]. Journal of Food Engineering.2010, 97(3): 373-383. 

[5] Chhanwal, N., Anishaparvin, A., Indrani, D.,Raghavarao, K.S.M.S.. Anandharamakrishnan, C. Computational fluid dynamics (CFD) modeling of an electrical heating oven for bread-baking process[J]. Journal of Food Engineering.2010, 100: 452-460. 

[6] Boulet, M., Marcos, B., Dostie, M., Moresoli, C. CFD modeling of heat transfer and flow field in a bakery pilot oven[J]. Journal of Food Engineering. 2010, 97: 393-402. 

[7] Khatir Z, Paton J, Thompson H, et al. Computational fluid dynamics(CFD) investigation of air flow and temperature distribution in a small scale bread-baking oven[J]. Applied Energy. 2012, 89(1): 89-96. 

[8] Khatir Z, Paton J, Thompson H, et al. Optimization of the energy efficiency of bread-baking ovens using a combined experimental and computational approach[J].Applied energy, 2013, 112

[9] H. Mistry, S. Ganapathi-subbu, S. Dey, P. Bishnoi, J.L. Castillo. A methodology to model flow-thermals inside a domestic gas oven[J]. Appl. Therm. Eng. 2011, 31: 103-111. 

[10] P. Verboven, A.K. Datta, N.T. Anh, N. Scheerlick, B.M. Nicolai, Computation of airflow effects on heat and mass transfer in a microwave oven[J]. Food Eng.2003, 59: 181-190 

[11] 王璟，劉東，項琳琳. 某烤箱不同運行階段內部的傳熱機理研究[J]. 節能技術. 2015, 3 3(6): 539-545 

[12] Z. Rek, M. Rudolf, I. Z ˇun. Application of CFD simulation in the development of a new generation heating oven[J].Journal of Mechanical Engineering. 2012, 58: 134-144. 

[13] Mena Ciarmiello, Biagio Morrone. Why not using electric ovens for Neapolitan pizzas? A thermal analysis of a high temperature electric pizza oven. 71st Conference of the Italian Thermal Machines Engineering Association, ATI2016,14-16 September 2016[C], Turin, Italy. 

[14] 項琳琳，劉東，任悅等. 某烤箱內溫度場均勻性的優化研究[J]. 建筑 熱能通風空調，2016.35 (2): 45-48. 

[15] 林吼潮，陳安資. 烤箱內部溫度場分布與溫度控制仿真優化[J]. 工業 技術創新.2016. 3 (5):885-888. 

[16] 袁宏，吳大轉，秦世杰等. 強制對流烤箱溫度場特性及其優化研究[J]. 食品與機械，2017.33 (6): 73-79. 

[17] Christian O. Díaz-Ovalle a, Ricardo Martínez-Zamora a, Guillermo González-Alatorre. An approach to reduce the preheating time in a convection oven via CFD simulation[J]. Food and Bioproducts Processing.2017, 2: 98-106. 

[18] 黃宜坤，Park Warn-Gyu，張會生. 蒸汽輔助烤箱內蒸汽行為與溫度 分布研究[J]. 食品工業. 2015, 36(10): 256-261. 

[19] 姚靖，王振華，尹訪宇等. 關于烤箱加熱的傳熱模型及器皿最優秀形狀 選擇問題的研究[J]. 先文理學院學報，2014.17(1): 77-83. 

[20] 黃嘉欣. 基于溫度分布的烤盤形狀最優化分析[J]. 常熟理工學院學報. 2016, 30(2): 100-104.