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摘要：为了解决烟熏炉在实际应用中表现出的效果与预期效果差距较大的问题，我们利用CFD技术，根据烟熏炉的结构和加工需求，进行了气流场仿真分析建模。通过使用二维简化的建模技术，可以大幅度提升计算效率。经过模拟仿真分析，本文提出了一种新的方案，即在加热仓的进风口处安装导流板。经过模拟仿真和实验，我们发现使用导流板能够显著提高加热仓内的流动性能，从而解决由于流动情况不均而造成的食物加工效率降不佳的问题，这项研究具有重要的实际意义。

关键词：烟熏炉；计算流体动力学；加热仓；流动性能

现代食品工业中，烟熏技术被广泛应用，它不仅可以增强肉类制品的口感，还能够有效地保存肉类的营养。烟熏食物有着独特的风味特点，在中国和欧洲都深受消费者的喜爱。烟熏技术现如今在食品加工领域得到了较大范围的应用，其能够提升产品的风味口感、提升产品的色泽外观、抑菌，同时还可以起到一定的抗氧化能力。当前，中国企业在制造烟熏炉时面临的最大挑战之一就是：烟熏质量的不平衡，即在加热仓的顶层，食物已经被完全蒸熟、煮熟，但底层的蒸煮效果却尚未达到期望的水平，并且颜色也无法达到预期的效果。本文旨在深入探讨该问题，利用FLUENT流体仿真软件，对加热仓内的流动状态进行了仿真模拟，同时采取了有效的结构优化措施，以期达到更好的烟熏效果。

一、国内外烟熏炉研究现状

许多国际研究都证明了烟熏的有效性。根据Birkeland等学者的研究结果可知，烟熏鱼类食物能够显著减少它们的高脂肪含量，从而促进人体健康。Varlet的研究表明，烟熏技术能够有效地阻止微生物的繁殖和氧化过程。烟熏炉是一种用于生产烟熏食物的机械，它可以进行蒸煮、烟熏和烘烤。随着时间的推移，烟熏炉的性能不断改进，拥有了更先进的功能技术，如箱体清洁、气流循环控制、发烟和加热，已被普遍应用。

威马格公司在循环风设计方面独树一帜，为烟熏炉提供了卓越的性能优化方案。通过采用摆动式风门，在循环风的作用下加热仓中可以形成无数个漩涡，从而使熏烟气流能够从多个方向有效地接触产品，从而促使着色和质量均能达到预期效果。

然而，中国在烟熏炉食品加工机械方面的研究仍然相当落后，导致许多中国肉类制品烟熏炉厂家的设计大多数都是模仿和抄袭其他国家的产品，不但技术水平较低，并且还缺乏自主创新的动力。为了满足客户的特殊需求，肉类加工设备的生产厂家一般需要为其提供个性化的设计方案。因为缺乏对肉类加工机制和工艺参数的深入了解，在进行具体设计时存在明显的盲目性，因此必须经常进行调试。这不仅大大延长了设备的开发周期，而且还使得生产成本大幅提升，对此我们还需要进行更多的研究。

二、烟熏炉理论概述

一般来说，既往烟熏炉的外观呈矩形，由顶板、侧板、风腔板、出风口和均风板组成。在箱体的顶部安装了一个风机，它的叶片被放置在箱体里。风腔（即换热仓）主要由三个部分组成，包括顶板、侧板和梯形风腔板。在烟熏炉的风腔底部，即炉体下腔，被称为加热仓，其中心位置设置了一个长方形的均风板，两均风板之间保持着一定的缝隙，以便将经过处理的肉类产生的混合气体流通。均风板可以有效地调节回风流动的均匀性，从而达到预期目标。

在烟熏炉中，食物的加工过程包括：首先，通过换热器将动力系统产生的高温高湿气体进行处理，将其转移到换热仓中，以便将其加热至所需的温度，通常情况下，动力系统均代指的是锅炉；通过加热，干燥的空气从仓内的两个出风口（出风管）进入加热仓，通过将烟熏液和干燥后的气体混合在一起，可以有效地对加热仓中的食物进行一系列加工处理，如烟熏、干燥、蒸煮等；通过均风板的中间通道，将加工完成食物的气体送出加热仓。烟熏气体如果存在气体紊乱、分布不均衡等问题，则可能会导致食物出现加热速度慢以及色泽、干燥程度不一等问题，这些问题可能会影响食品的质量和安全。

烟熏炉的核心技术要求是：快速加热，控制好温度，使待处理的食物颜色、质量等均达到基本一致的状态，确保各个部分的加工过程顺利进行，最终达到预期的加工标准。为了达成预期的目标，我们必须确保烟熏气体能够有效、均衡地流通循环，并且遵循既定的流动规律，即到达加热仓的底部，然后朝着上方流动，最终经过中央的回风口排出。显而易见的是，要想形成均匀的上升流动状态是非常困难的。

三、加热仓仿真分析

（一）CFD简介

CFD（流体力学）可以按照其研究方式的差异划分为三大类：实验、理论以及计算流体力学。17世纪，英法两国在实验流体力学的研究中取得了重大突破，开创了一个崭新的时代；随着历史的发展，从18世纪到19世纪，欧洲的理论流体力学取得了显著的成就；20世纪初，人们开始探索和研究计算流体力学，并将其作为一个重要的理论框架，计算流体力学是受到航空航天工业不断进步的影响，在偏微分方程理论、数值计算方法、计算机科学等前沿技术的发展过程中产生的新兴学科。

基于流体力学的CFD利用数值计算技术，通过求解三大控制方程或附加方程得到有关参数信息，进而完成流动问题的分析工作。

计算流体力学是一种强大的科学技术研究辅助工具，它可以有效地揭示出许多复杂的物理现象，从而为科学家提供更加精准的实验数据和更加深入的理论分析；此外，这种工具也被广泛用于各种行业，包括航空、海洋、交通、能源、化学、建筑、制造、工业设计、城市规划和环境保护。

（二）FLUENT简述

FLUENT软件具有出色的功能，它可以模拟各种复杂的物理和实物情况，并且具备最新的数值计算技术和前后处理功能，使用者能够迅速、精确地获取所需的仿真结果。FLUENT软件在航空领域的应用具有显著的优势，能够展现出卓越的性能和效率。它利用先进的网格自适应技术，能够显著改善CFD的计算准确性，从而为航空行业带来更多的便利；通过引入多重网格初始化技术，该系统能够显著加快仿真计算的收敛速度，有些情况下，其计算时间甚至能够降低到原本软件计算的1/5；通过使用多面体网络技术，可以显著降低四面体网格的复杂性，从而极大地改善计算的准确性；通过使用先进的动态网络技术，能够模拟仿真出更加复杂的运动。此外，FLUENT软件的求解器在同类商品中处于领先地位，它拥有最多、最全面的功能，并且基于有限体积法，可以有效地解决复杂的问题。该求解器能够提供多种流体力学问题的解决方案，包括压力分离、密度耦合显示、密度耦合隐式等一系列算法，通过使用这些理论，我们可以更好地解决问题。FLUENT软件提供了多种多样的物理模型，从湍流到燃烧，从多相流到辐射，涵盖了几乎所有的物理现象，而且它的精确度和可靠性也是它的显著特色。随着CPU处理器的快速发展，FLUENT软件也在不断地改善，使之能够更好地适应复杂的硬件环境。该软件采用了多种并行处理技术，例如自动分区并行可以确保每个CPU的负荷均衡。通过不断引入先进的技术，FLUENT软件的模拟计算能力也会持续提升，而这正是其独特的优势所在。

（三）烟熏炉的工作原理

烟熏炉利用蒸汽锅炉产生的高温蒸汽，经由换热器将其与室外的空气混合，经过干燥加热处理后，最终输出到加热仓，以便给食品进行烟熏处理。在这个系统中，有两个气体循环：一个是锅炉的蒸汽，通过换热器，它的温度会下降，甚至会变为液体；另外是炉外的空气，经由风机的推动，炉外空气会被转移到换热器中，经过加热处理，它与烟熏液混合，形成一种特殊的烟熏气体，以此来实现食物的烟熏处理。最终通过风机将其排放到烟熏炉外。

根据烟熏炉的运行机制，除了换热器的传输效率之外，加热仓内的流场分布也会对其运行效率产生重大影响。由于本次研究的侧重点在于加热仓，故而对换热仓的内容不做过多分析。

（四）仿真分析

图1展示了一个完整的加热仓三维模型，其两侧分别均衡地设置了进风口，而最上方则是一个圆形出风口。在垂直于每个进气口的连线上，如果不考虑出气口的影响，那么左右两侧的横截面形状会具有较高的相似度。

由于每个入口处的风速都是一致的，因此我们可以假设各个横截面的流动特性完全相同。将这个横截面对应的区域作为基本单元，加热仓可以被划分为若干个独立的部分。采用这种方法可以大大简化仿真分析的复杂度。

烟熏炉的运行状态由干燥和蒸煮两个部分组成，其中，前者的风速可达每秒20米，而后者的风速则仅有每秒10米。当烟熏炉运行时，加热仓分层放置等待熏制的食物，而这些食物的摆放方式对于烟熏食品的质量也有着至关重要的影响。出于降低研究复杂度的目的，本研究将重点关注没有熏制的食品，也就是空仓的情况。

根据图2所示，为建立的一个烟熏炉加热仓模型。在顶部的两侧角落处，分别安装了一个进风口，用于进行干燥；而在顶部的正中央，则安装了一个压力出风口。

通过使用FLUENT计算流体动力学仿真平台，我们可以获取有关模型的有关仿真信息，并将其转化为可供参考的速度云图（如图3所示）。根据图3的速度云图，我们发现某些地方的风量明显较少，特别是在底部，几乎为零。这是由于出风口的负压，使得进入仓内的高温气流在未达到底部时就会受到吸力的作用，从而导致其被迅速转移至出风口。由于这种情况的存在，加热仓的底部区域干燥速度变慢，同时也造成了大量能量的浪费。

蒸煮环节和上述仿真有着类似的结果，如图4所示。

四、加热仓结构改进及仿真分析

（一）加热仓结构改进

通过应用CFD技术，可以制定相应的解决方案来解决上述提及的问题。图5展示了经过改进的加热仓的三维模型。为了满足干燥和蒸煮2种工况的需求，烟熏炉的加热仓采用了2种独特的导流板，分别见图6和图7。

（二）加热仓改进后仿真分析

通过对上述模型进行仿真和分析，我们可以得到图8～9所示的速度云图。从图8可以看出，与未经改良的情况相比，加热仓内的干燥空气分布变得更为均衡和合理，从而有效地利用了热能资源；在图9中，热空气的分布变得更为均衡和合理，这与没有经过改进的情况（如图4所示）有很大的不同。经过改良的加热仓可以将具备足够热量的空气流通至仓内底部，并通过出风口负压的作用影响，实现从下向上的气体流动，充分利用能源。经过仿真实验，可以明显看出，导流板的应用能够有效地解决生产实际中存在的问题，而且效果也达到了预期的目标。

五、实验

通过对加热仓的实时气流状况的分析，我们可以有效地验证之前的仿真结果。通过实验，我们研究了4种不同状态下的流场：干燥工况下原模型、优化模型的风流循环；蒸煮工况下，原模型、优化模型的风流循环。

根据图10加以分析，我们可以把这个模型划分成A、B和C三个部分；从各个部位中选择3个点，并将它们分别命名为A1～3、B1～3、C1～3。对加热仓蒸煮工况的情况进行检测，进而可以得到四个方位的风速（水平向左为+x，垂直向上为+y），通过计算，我们可以确定每个测点的气体流速。经过详细的实验与模拟分析，在加热仓中，风速的变化趋势可以从表1中得出。

实验结果与之前的仿真结果一致，表明导流板的使用能够有效地改善流场分布的合理性，从而使各个区域能够同步干燥和蒸煮。

然而需要注意的是，本次实验也会存在相应的误差，风机的运行风速并非稳定不变，因此当检测人员查看风速的具体数据时，它们的值会发生波段性的变化。我们此次所用的实验数据只能提供一个参考范围。尽管采用了长棍捆绑的方式将风速仪固定在被测单元上，以防止检测人员对被测单元造成干扰，但这种做法仍然无法完全消除检测人员对整个流场系统的干扰，从而必然会导致一定的偏差产生。尽管这些误差在可接受的范围内，但它们仍然会影响实验的准确性，因此，我们期待未来的研究学者能够拥有更多的条件和思路，以便让实验变得更加完善、准确。

总结

通过运用CFD技术，我们对烟熏炉加热仓的气流场分布进行了深入的研究，并采用二维简化建模的方式，提出了一种新的改善方案，即在加热仓的进风口处安装导流板。经过仿真和实验的对比，我们发现：采用二维简化建模分析的烟熏炉加热仓，不仅简单易行，而且还大大提升了仿真的计算效率；通过使用导流板，我们能够大幅度改变加热仓内的流场分布情况，从而解决由于流场分布不均匀而造成的食物加工效率降低的问题。

参考文献

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