王 睿

大連交通大學(xué)， 遼寧大連 116000

0 引言

制作布朗尼餅的兩個(gè)重要工具是：烤箱和烤盤。而影響布朗尼餅口感的因素有很多，比如：烤箱內(nèi)的熱量分布是否均勻，烤盤的形狀等等。我們了解到烤箱的作用機(jī)理：大部分的電烤箱有內(nèi)置風(fēng)扇，因此在預(yù)熱之后烤箱內(nèi)的熱量是均勻分布的。針對(duì)目前市場(chǎng)銷售較為廣泛的三種常見的烤盤：方形烤盤，圓形烤盤，邊緣型烤盤?？紤]到人們對(duì)于烘焙的布朗尼餅口感評(píng)價(jià)的直接因素便是在烘焙過程中在預(yù)熱過后的布朗尼受熱是否均勻。因此探討圓形烤盤熱量分布便成為了問題的核心。在布朗尼餅的烘烤過程中，通常需要對(duì)烤爐進(jìn)行預(yù)熱，當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)到額定值時(shí)，將平底鍋放入爐中進(jìn)行烘烤，因此在整個(gè)烘烤過程中可以假定爐內(nèi)溫度是保持不變的?？芍豢紤]熱傳導(dǎo)現(xiàn)象，因?yàn)榧词篃崃客ㄟ^爐內(nèi)空氣自然對(duì)流進(jìn)行傳播，其相比于熱傳導(dǎo)也是可以忽略的。由于平底鍋的厚度可忽略并且在初始狀態(tài)下爐內(nèi)的溫度已經(jīng)達(dá)到了額定值，無論平底鍋的形狀如何，熱量都是由平底鍋的外邊緣向內(nèi)部傳遞，所以一般學(xué)者將問題簡化為了穩(wěn)定狀態(tài)的二維熱傳導(dǎo)問題。該過程通?？梢岳孟旅娴亩S熱傳導(dǎo)方程[4]來描述：

由于上述方程求解較為復(fù)雜且無法求出解析解，所以現(xiàn)階段國內(nèi)外的很多學(xué)者對(duì)布朗尼盤的最佳形狀進(jìn)行了探索，并提出運(yùn)用有限元，偏微分方程等方法進(jìn)行數(shù)值求解，并通過ANSYS 和COMSOL 進(jìn)行仿真，但是到目前為止，由于烤盤的邊界溫度條件尚未研究出統(tǒng)一結(jié)果，而且在仿真過程中ANSYS 和COMSOL 等軟件在使用neumann 邊界條件還是dirichlet 邊界條件或者混合邊界條件仍然存在一定的爭議，因此我們希望能夠?qū)ふ业揭粋€(gè)更加簡單的模型求解出烤盤的熱量分布。

1 熱量分布建模的建立

1.1 基本模型

為了能夠得到更加清晰的能量分布描述，可對(duì)布朗尼餅烘烤的過程進(jìn)行模擬，以便對(duì)平底鍋的外部形狀和烘烤狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，我們考慮對(duì)熱傳導(dǎo)過程進(jìn)行分析，即通過參考普朗克提出的能量量子化思想：將能量看作能量子，能量子會(huì)從能量多的地方流向能量少的地方。同時(shí)因?yàn)橛蓄A(yù)熱處理，可將在內(nèi)部空間中溫度的均勻分布（溫度是熱能分布的直觀體現(xiàn)），等效為能量子的均勻分布。

當(dāng)放入平底鍋時(shí)，假設(shè)此時(shí)烤箱內(nèi)平底鍋所占用空間的能量子總和為零。根據(jù)量子化思想，由于這部分空間的能量子密度低于非平底鍋占用空間的能量子密度，能量子將會(huì)從其他空間流入平底鍋所在空間，這個(gè)過程便可等效為以平底鍋邊界作為熱源，向其中心進(jìn)行熱傳導(dǎo)，即能量子向中心匯聚。由于平底鍋的邊緣形狀需要多個(gè)參數(shù)才能進(jìn)行細(xì)致地刻畫，處理起來較復(fù)雜。這里采用另外一種簡化的處理方法，即將平底鍋和鍋內(nèi)的布朗尼餅看成一個(gè)封閉的系統(tǒng)，該系統(tǒng)是能量保守系統(tǒng)，考慮到平底鍋形狀的對(duì)稱性，則將從平底鍋外邊緣向內(nèi)發(fā)射能量子的過程看作是從平底鍋內(nèi)部的中心點(diǎn)向外發(fā)射能量子的逆過程。通過查閱文獻(xiàn)[10][11]可知，能量子沿著邊緣到中心的矢徑服從正態(tài)分布，其一維點(diǎn)熱源熱量分布為：

其中：

E（x，t）為在時(shí)刻t，x 點(diǎn)處的熱能；

a 為初始時(shí)刻點(diǎn)熱源與熱勢(shì)能零點(diǎn)的初始溫度差；

t 為時(shí)間，當(dāng)t 趨于無窮時(shí)，E（x，t）趨近于一條與x軸重合的直線。

鑒于此，我們將其擴(kuò)展到二維區(qū)域，可得到二維點(diǎn)熱源熱量分布為：

其中：r^2=x^2+y^2。

為了更直觀地體現(xiàn)熱量分布，我們根據(jù)上述二維點(diǎn)熱源熱量分布函數(shù)繪制了熱量分布圖：

圖1 二維點(diǎn)熱源熱量分布圖

通過上述公式利用Matlab 模擬出圓形烤盤的能量分布如圖所示，由圖，我們將能量劃分為7 個(gè)能區(qū)，由高到低分別用顏色紅，橙，黃，綠，靛，藍(lán)，紫表示。

圖2 t=10 時(shí)能量分布圖

圖3 t=25 是能量分布圖

從能量分布圖上可以看出，圓形烤盤的邊界始終為同一能區(qū)。圓形烤盤的能區(qū)數(shù)逐漸減少，說明隨著烘烤時(shí)間的增長烤盤內(nèi)部的熱量會(huì)逐漸趨近均勻分布。沒有紅，橙色能區(qū)說明不會(huì)出現(xiàn)受熱過度而烤糊的情況。

1.2 模型改進(jìn)

上述能量分布圖是在邊界無窮大的理想情況下根據(jù)熱量分布函數(shù)公式繪制出的，而實(shí)際問題中，由于受到烤盤邊界的影響，發(fā)射出去的能量子不會(huì)始終以一種方式傳播，因此需要修正之前的模型。這里我們將外邊界視為無窮遠(yuǎn)點(diǎn)，因此圖形的尺度發(fā)生了變化。從而對(duì)公式（3）中r 進(jìn)行修正，將由二范數(shù)定義的距離修改為由橢球范數(shù)定義的距離，二者在拓?fù)湟饬x下是等價(jià)的。

上式中矩陣A 與外邊界直接相關(guān)，比如對(duì)于圓形區(qū)域，A可取為：

根據(jù)修正后的模型利用Matlab 繪制出新的能區(qū)分布圖：

圖4 修正后的能區(qū)分布圖

將圖4 與圖2、圖3 比較，不難發(fā)現(xiàn)：兩個(gè)模型所分析出的圓形烤盤能量分布大致相同，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

2 模型的校檢

通過查閱的資料，我們將模型與COMSOL[7]和ANSYS[8]軟件仿真得出的圖形與圖4 進(jìn)行了比較，如下圖。

由圖，我們發(fā)現(xiàn)我們的模型與用COMSOL 軟件和ANSYS 仿真得出的圖形沒有差異，而且我們的模型避免了對(duì)有限元等專業(yè)知識(shí)的運(yùn)用，并且避開了現(xiàn)在cosmol 軟件及ansys 軟件分析中遇到的邊界選擇問題和導(dǎo)熱過程中導(dǎo)熱函數(shù)選擇的難題。因此更具備通用性，對(duì)于那些嘗試進(jìn)行布朗尼烘烤的人員而言也更加簡單通用。

圖5 COMSOL 軟件的仿真能量分布圖

圖6 ANSYS 軟件的仿真能量分布圖

3 結(jié)論

通過對(duì)我們的模型進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)使用布朗尼餅烤盤有均勻的熱量分布，并且與其他軟件仿真得出的結(jié)論一致，說明模型構(gòu)建合理可信；同時(shí)模型避開了復(fù)雜的熱量邊界條件及目前科學(xué)界仍有爭議的導(dǎo)熱函數(shù)的選擇，仍得出了圓形烤盤具有較好的熱量分布結(jié)論，并通過仿真使得人們能夠更加直觀的得出圓形烤盤具有較好的熱量分布，而這也符合了實(shí)際的布朗尼烤盤的形狀。

[1]鄭志敏，李紅平.電烤箱設(shè)計(jì)規(guī)范.廣東新寶電器股份有限公司研發(fā)中心， 2009，5.

[2]姬瑞海.產(chǎn)品造型材料與工藝.北京交通大學(xué)出版社， 2010，1.

[3]鐘志惠.西點(diǎn)生產(chǎn)技術(shù)大全.化學(xué)工業(yè)出版社，2012.8.

[4]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)，4版，高等教育出版社，2006，8.

[5]Dhandapani， S.，Navaneethakrishnan，K. and Srinivasan，P. P.2006， Heat transfer and heati ng rate of food stuffs in commercial. Sadhana. India，Department of Mechanical Engineering， Kongu Engineeri ng College ： Vol. 32，Part 5， October 2007，pp. 535-544.

[6]Tony F. Chan and Luminita A. Vese. Active Cont ours Without Edges.IEEE Transactions Image Processing.Vol.10，No.2，F(xiàn)ebruary 2001.

[7]http：//wenku.baidu.com/view/7b159cc3524de518964b7df4.html.8.31，2013.終極布朗尼烤烤盤.

[8]Song E，Li Shiguo： Technique and application of thermal field analysis for electro-thermal products based on ANSYS. Machinery Design and Manufacture.(2005). Number10，117-119.

[9]曾謹(jǐn)言. 量子力學(xué)，4版，科學(xué)出版社，2007，1.

[10]李福善，空翠翠.曲阜師范大學(xué)學(xué)報(bào).2006，7，32(3).

[11]谷超豪，李大潛.數(shù)學(xué)物理方程[M].2版，北京.高等教育出版社，2002.