Поиск оптимального варианта расположения углей для равномерного нагрева в гриле

Magnus Ringh 25/01/2017
Share this on Facebook Share this on Twitter Share this on LinkedIn

Вы задумывались о том, как улучшить свои навыки приготовления блюд на гриле? В данной статье мы покажем, как использовать программное обеспечение COMSOL Multiphysics® для нахождения наилучшего варианта расположения углей в мангале для равномерного нагрева и предотвращения локальных перегревов, Что требуется, в частности, для приготовления вкусной пиццы на гриле.

Теплопередача в мангале для гриля

В гриле передача тепла от углей к продуктам происходит в основном за счёт теплового излучения. Это означает, что в типичном мангале или гриле тепло распространяется посредством прямого излучения снизу, а также за счёт отражения от стенок. В зависимости от еды, которую вы собираетесь готовить, оптимальное распределение жара может варьироваться.

Фотография пиццы на решётке гриля.
Пицца на гриле. (Фотография сделана во время проведения нашего специального эксперимента — см. полное видео тут).

К примеру, при приготовлении стейка можно сложить большинство или все угли на одну половину гриля (т.н. двухуровневый огонь). Положив стейк над углями, можно задать его хорошо подрумянить, а потом довести его до нужной прожарки на другой стороне гриля с меньшим жаром. Если накрыть гриль крышкой, то он становится больше похож на конвекционную печь, в которой лучше запекать большие куски мяса или птицу целиком. Такое медленное приготовление обычно называют барбекю, а не гриль.

В других случаях, к примеру, когда вы хотите приготовить пиццу на гриле, требуется достаточно большой, но в то же время равномерный жар, чтобы она не подгорела. Вы, наверное, думаете, что, выкладывая уголь одним ровным слоем, вы достигаете равномерного жара нужной температуры?! Однако практические эксперименты и результаты моделирования показывают, что существует иная оптимальная и, возможно, неожиданная компоновка угля в данном случае.

Кольцо огня

Лучшим методом равномерного нагрева гриля, как говорится в недавней статье журнала Cook's Illustrated, является расположение углей кольцом с оставленным в центре пустым местом. На первый взгляд, это кажется нелогичным: как можно добиться равномерного жара с кольцом из углей? Однако, стоить отметить, что еда нагревается не только от жара снизу. Помимо этого круглые стенки отражают тепло в самый центр гриля.

Иллюстрации двух способов расположения углей.
Жар от углей, расположенных равномерным слоем (справа) и в виде кольца (слева).

Давайте посмотрим, как с использованием COMSOL Multiphysics можно сравнить влияние различных расположений угля на нагрев гриля. На основе результатов мы подтвердим или опровергнем выдвинутое ранее предположение.

Моделирование нагрева излучением с поверхности на поверхность (Surface-to-Surface Radiation)

Для анализа нагрева гриля при различных расположениях угля в COMSOL Multiphysics можно использовать физический интерфейс Heat Transfer with Surface-to-Surface Radiation (Теплопередача излучением с поверхности на поверхность), доступный в модуле Теплопередача (Heat Transfer). Рассмотрим следующие три варианта расположения углей:

  • Угли по центру
  • Угли, расположенные по периметру в виде кольца
  • Угли равномерно по мангалу

В процессе расчета мы будем следить за средней температурой и разницей между самой высокой и самой низкой температурой для всех трёх случаев. Чем меньше эта разница, тем равномернее распределение температуры, которого мы и хотим добиться.

Для начала воспользуемся наличием симметрии в модели и будем использовать двухмерную осесимметричную постановку в COMSOL®. Для расчёта трёх различных расположений угля введём следующие параметры: расстояние до центра, количество углей и расстояние между углями. Затем настроим параметрический анализ таким образом, чтобы за одно исследование мы рассчитали сразу все три случая. Напомним, что мы пренебрегаем теплопередачей путём естественной конвекции, так как она мала по сравнению с теплопередачей посредством излучения.

В модели используются следующие материалы:

  1. Воздух, который заполняет пространство внутри гриля
  2. Сталь, из которой сделаны стенки и решётки гриля
  3. Уголь, теплопроводность, плотность и теплоёмкость которого были взяты из справочника Heat Transfer (издательство Wiley) авторства A. Bejan. Следует отметить, что значения приближенные, а для стационарного расчёта без учёта конвекции теплоёмкость и плотность не нужны

Стальные области и угли определяем как твёрдые тела, а воздух — как флюид. Кроме того, каждый уголь задаём как источник тепла мощностью 3кВт.

На все границы задаем ГУ Diffuse Surface (рассеивающая поверхность) для равномерного отражения радиационного излучения во всех направлениях. Начальная температура и температура окружающей среды составляет 293.15 K (20°C). Исключением является граница симметрии, на которой используется предопределённое условие осевой симметрии.

Так как в нашей модели задано излучение с поверхности на поверхность (surface-to-surface radiation), то для увеличения точности расчёта на границах угля мы использовали погранслойную сетку.

Для расчета всех трех рассматриваемых случаев было настроено параметрическое исследование Parametric Sweep, в котором мы настроили переключение параметров, соответствующих трём расположениям угля. Весь параметрический расчёт займёт у вас не более двух минут на стандартной расчетной машине.

Для постобработки результатов моделирования в осесимметричной постановке можно воспользоваться набором данных Revolution 2D, который получается вращением исходного набора данных Solution вокруг оси симметрии. На следующем трёхмерном графике показано распределение температуры при расположении углей в форме кольца.

Модель в COMSOL Multiphysics, в которой построен график распределения температуры при расположении углей кольцом.
Распределение температуры при расположении углей в форме кольца. Осесимметричное решение развернуто на 225 градусов.

Какое расположение углей обеспечивает более равномерный нагрев?

Для получения числовых значений максимальной температуры и разницы температур на решётке гриля на основе проведенных расчетов воспользуемся функционалом Global Evaluation (Вычисление глобальных величин). Для вычисления применяем операторы Maximum (Максимум), Minimum (Минимум) и Average (Среднее) только к верхней границе, то есть к решётке нашего гриля. На выходе были получены следующие результаты (приведены округлённые значения в К):

Конфигурация углей Разница температур Средняя температура
Угли по центру 166 501
Угли в форме кольца 92 502
Угли равномерно по мангалу 122 499

Для расположения углей по кольцу мы видим наименьшую разницу температур, в то время, как средняя температура во всех трёх случаях примерно одинакова. Таким образом, результаты моделирования подтвердили выдвинутое ранее предположение: расположите угли в гриле в форме кольца для получения наиболее равномерного распределения температуры.

Для построения следующих графиков использовался набор данных Solution с подузлом Selection (выборка). На них изображено распределение температуры только на поверхности решётки для всех трёх рассмотренных случаев:

График распределения температуры на поверхности решётки при расположении углей в центре.
График распределения температуры на поверхности решётки при расположении углей равномерно.
График распределения температуры на поверхности решётки при расположении углей по кругу.

Графики распределения температуры на поверхности решётки при расположении углей в центре (слева), равномерно (в центре) и в форме кольца (справа).

В данной заметке мы показали простой пример того, как моделирование может помочь принять обоснованное решение в повседневной жизни. Проведя с помощью COMSOL Multiphysics расчёт излучения «с поверхности на поверхность» мы увидели, что угли, расположенные кольцом в гриле, дают наиболее равномерный жар. А теперь давайте готовиться к летнему сезону гриля и барбекю!

Дополнительные материалы


Загрузка комментариев...

Темы публикаций


Теги

3D печать Cерия "Гибридное моделирование" Введение в среду разработки приложений Видео Волновые электромагнитные процессы Глазами пользователя Графен Интернет вещей Кластеры Моделирование высокочастотных электромагнитных явлений на различных пространственных масштабах Модуль AC/DC Модуль MEMS Модуль Акустика Модуль Волновая оптика Модуль Вычислительная гидродинамика Модуль Геометрическая оптика Модуль Динамика многих тел Модуль Композитные материалы Модуль Коррозия Модуль Механика конструкций Модуль Миксер Модуль Нелинейные конструкционные материалы Модуль Оптимизация Модуль Плазма Модуль Полупроводники Модуль Радиочастоты Модуль Роторная динамика Модуль Теплопередача Модуль Течение в трубопроводах Модуль Трассировка частиц Модуль Химические реакции Модуль Электрохимия Модуль аккумуляторов и топливных элементов Охлаждение испарением Пищевые технологии Рубрика Решатели Серия "Геотермальная энергия" Серия "Конструкционные материалы" Серия "Электрические машины" Серия “Моделирование зубчатых передач” Сертифицированные консультанты Технический контент Указания по применению физика спорта