炎炎夏日，沒有什么比喝著冰啤酒，吃著美味的燒烤更加幸福的事情了，所以我們有必要花些時間來研究一下如何改進燒烤技術。在本篇文章中，我們將展示如何使用 COMSOL Multiphysics 軟件來確定燒烤架中煤或木炭的最佳排布方式，以獲得均勻的熱量，避免出現過熱點。

燒烤中的傳熱現象

當使用燒烤架時，熱量主要通過熱輻射傳遞給食物。這意味著，在普通的炭鍋烤架中，熱量通過下方火焰的直接輻射和鍋壁的反射傳遞給食物。在燒烤不同的食物時，最佳的熱量分布方式也不盡相同。

燒烤架上的披薩。

比如，烤牛排時你要使用所謂的二級火，即將大部分或全部的煤炭堆積在燒烤架的一側。先在熱的一側將牛排烤焦，再烤不太熱的另一側，便大功告成了。如果給燒烤架蓋上蓋子，更像是對流型烤箱，很適合烤大肉塊和整只禽類。這種慢速的烹飪方式通常被稱作烤肉而不是燒烤。

在烤披薩時，則需要極高且分布均勻的熱量，以免產生過熱點而燒焦食物。您或許認為均勻的單層火是獲取均勻熱量的最好方法，但實驗測量和仿真分析表明我們還可以采用更好的的煤炭排布方式。

火環

《烹飪畫報》最近的一篇文章報道，均勻烘烤食物的最佳方式是將煤炭擺成一個環，燒烤架的中心留空。盡管聽起來有點不可思議，實際上當煤炭布滿燒烤架時，火焰無法為爐柵提供均勻的熱量。這是因為食物不僅受到來自下方的熱量，同時彎曲的鍋壁還會向內反射熱量，在燒烤架的中心產生過熱點。

煤炭排成環形（左）和均勻分布（右）的燒烤架產生的熱量。

讓我們用 COMSOL Multiphysics 對上述問題進行深入分析。我們可以比較不同的煤炭排列方式及其在燒烤架內的加熱效果，并以此來確定煤炭的最佳排列方式。

模擬燒烤架內的面-面輻射

在 COMSOL Multiphysics 中，我們可以使用“傳熱模塊”中的“表面對表面輻射傳熱”接口，測試以下三種煤炭布置方式對燒烤架溫度的影響：

• 煤炭在中心

• 煤炭在周邊排成環

• 煤炭布滿燒烤架

仿真的目的是查看這三種排布方式的平均溫度，以及最高溫度和最低溫度之間的溫差。溫差越小，熱量分布就越均勻，這正是我們想要得到的最佳結果。

在 COMSOL 模型中，我們利用傳統鍋式燒烤架的對稱性，對模型進行了簡化。為了對三種煤炭排列方式進行說明，我們增加了以下參數：到中心的距離、煤炭數量和煤炭間距。然后我們進行了參數化掃描，以便在單個研究得到三種情況的仿真結果。由于傳熱以輻射為主，所以我們忽略了自然對流的傳熱方式。

仿真利用了三種材料的特性：

1. 空氣是鍋內煤炭周圍的大面積域

2. 鍋壁和爐柵的材料是鋼

3. 煤炭的熱導率、密度和熱容量數據取自 A.Bejan 著錄的傳熱（Wiley）；這些值都是近似值（對于沒有對流的穩態研究，不需要熱容量和密度）。

對于這些域來說，空氣被視為流體，鋼域和煤炭被視為固體。此外，每個煤炭被用作熱源，我們用 3 kW 的功率來定義它的熱耗率。

在邊界條件方面，所有邊界被看作是反應各個方向輻射強度的漫反射表面。初始溫度和環境溫度設為 293.15 K（20°C）。對稱邊界是一個例外，它使用了預先定義的軸對稱條件。

為了提高使用面-面輻射模型中的精度，我們為煤炭邊界增加了邊界層剖分網格。

為了對上述三種情況的穩態研究進行計算，我們建立了參數化掃描節點來對三種煤炭排列對應的參數值的特定組合進行掃描。在標準的工作站上，用于計算燒烤架內溫度的完整參數掃描僅需一、兩分鐘便可完成。

為了對軸對稱仿真結果進行后處理，我們可以使用二維旋轉數據集，它將軸對稱解數據集作為輸入，并將它作為旋轉對象添加至三維解。下圖顯示了煤炭排成環情況下仿真的旋轉解。

煤炭排成環情況下的鍋內溫度。軸對稱解旋轉為 225 度。

哪種煤炭排布方式能提供最均勻的熱量？

為了得到這些仿真提供的定量結果的數值，我們使用了“全局計算”節點來計算燒烤架爐柵處解的溫度差和平均溫度。為了進行計算，我們使用最大值、最小值和平均值運算符，它們都僅僅定義在上邊界（爐柵）上。溫度值計算結果如下（圓整值，單位為 K）：

盡管三種情況的平均溫度幾乎相同，但煤炭排成環時的溫度變化更小。因此，仿真與實驗結果相符：在傳統的鍋式燒烤架中，將煤炭排成環時的熱量最均勻。

下面的繪圖通過爐柵處選擇“子節點的解”數據集說明了三種情況下爐柵處的溫度：

煤炭在中心（左）、布滿燒烤架（中）和排成環（右）時的爐柵溫度繪圖。

在本篇博客文章中，我們通過一個易于理解的例子說明了如何在設計過程，甚至是日常生活中，如何借助仿真做出合理的決策。通過在 COMSOL Multiphysics 中模擬面-面輻射，我們可以清楚地看到在燒烤架邊緣將煤炭排成環能得到最均勻的熱量。現在，讓我們享受美味的燒烤吧！