焦春玲 蘇 偉

(1.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西西安 710065;2.中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西西安 710054)

1 研究背景

近年來(lái)，隨著人口城鎮(zhèn)化的發(fā)展趨勢(shì)，多層、高層建筑逐漸成為今后城市住宅的主要趨勢(shì)。高層建筑的普及在緩解緊張的土地資源的同時(shí)，也給居民廚房排煙帶來(lái)了新的問(wèn)題。目前高層住宅普遍使用集中排煙氣道進(jìn)行廚房排煙。國(guó)內(nèi)常用的集中排煙氣道有子母型煙道、變壓式煙道、變截面煙道、等截面煙道等幾種形式［1］。等截面煙道由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、排煙順暢等優(yōu)點(diǎn)而逐漸被廣泛應(yīng)用。等截面排煙氣道即從底層到頂層排煙氣道截面積一致。在等截面排煙氣道內(nèi)部通常安裝防止煙氣回流的止逆閥與導(dǎo)流構(gòu)件。

集中排煙氣道自身也存在一些問(wèn)題，如主煙道截面尺寸過(guò)小導(dǎo)致用戶排煙困難;導(dǎo)流構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理等原因致使底部用戶排煙困難。集中排煙氣道系統(tǒng)層數(shù)很多時(shí)，煙氣在煙道內(nèi)部流動(dòng)時(shí)所克服的阻力很大。由于吸油煙機(jī)壓頭有限，要解決用戶排煙不暢的問(wèn)題，必須降低煙氣在流動(dòng)過(guò)程中所克服的阻力。集中排煙氣道是由多個(gè)動(dòng)力源匯流而成，在主、支管匯流處合流局部阻力很大。對(duì)于合流阻力計(jì)算，可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得，也可通過(guò)《實(shí)用流體阻力手冊(cè)》查取。但由于煙道廠家推出導(dǎo)流構(gòu)件形式多樣化致使經(jīng)驗(yàn)公式很難準(zhǔn)確計(jì)算合流局部阻力。因此，本文通過(guò)查閱一些常用的煙道標(biāo)準(zhǔn)圖集，選取了一些性能比較好的導(dǎo)流構(gòu)件為研究對(duì)象，并利用Fluent軟件對(duì)各類型排煙氣道合流局部阻力進(jìn)行模擬計(jì)算。

2 住宅廚房集中排煙氣道導(dǎo)流構(gòu)件性能分析

2.1 物理模型

本次模擬選取四種煙道模型進(jìn)行分析，模型一、模型二選自國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)住宅排氣道設(shè)計(jì)圖集，圖集號(hào)為07J916-1［2］，模型三、模型四選自陜西省某煙道廠家產(chǎn)品。圖1，圖2分別為四種類型煙道示意圖與三維效果圖。四種模型主煙道截面尺寸均為500 mm×400 mm，排煙支管直徑為150 mm。在主、支煙道交接處設(shè)置了不同類型的導(dǎo)流構(gòu)件。廚房?jī)?nèi)的煙氣被吸油煙機(jī)排出后進(jìn)入排煙支管與主排煙道內(nèi)煙氣匯合后共同向上排出。

2.2 數(shù)學(xué)模型

本次模擬以空氣作為流體介質(zhì)，考慮廚房煙道內(nèi)煙氣溫度不是很高，熱壓作用較小，故不考慮熱壓對(duì)排煙的影響［3］。模型采用標(biāo)準(zhǔn)κ—ε湍流模型進(jìn)行計(jì)算，其基本控制方程［4］如下:

連續(xù)性方程:

動(dòng)量方程:

湍流能量傳遞方程:

圖1 四種類型煙道局部示意圖

圖2 四種類型煙道三維效果圖

湍流動(dòng)能耗散率傳遞方程:

其中，ui，uj均為速度，其中 i，j為張量下標(biāo)，i，j=1，2，3;μ 為粘滯系數(shù)，kg/(m·s);μt為湍流引起的粘滯系數(shù)，kg/(m·s);ρ為流體密度，kg/m3;ε為湍流脈動(dòng)動(dòng)能耗散率，m2/s3;k為湍流脈動(dòng)動(dòng)能，m2/s3。

2.3 邊界條件的設(shè)置

1)進(jìn)口邊界條件。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，深吸罩式吸油煙機(jī)排煙量為300 m3/h時(shí)能保證廚房很好的排煙效果，同時(shí)也可以保證在冬季不會(huì)有過(guò)多的熱損失［5］。本次模擬設(shè)排煙支管進(jìn)氣口vent-1為速度進(jìn)口類型(velocity-inlet)，支管速度為 v1=4.72 m/s。

主排煙氣道進(jìn)氣口vent-2設(shè)置為速度進(jìn)口類型(velocity-inlet)。通過(guò)對(duì)西安某幾家煙道廠家33層等截面煙道的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，主排氣道內(nèi)氣體流速一般小于12 m/s，本次模擬取v2=0.85 m/s～12 m/s。

2)出口邊界條件。

主排煙氣道出氣口vent-3設(shè)置pressure-outlet，出口靜壓值為0 Pa。

3)壁面邊界。

主、支排煙道壁面取無(wú)滑移壁面邊界(wall)類型。目前煙道一般采用玻纖增強(qiáng)水泥混凝土煙道，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試并考慮工程應(yīng)用的安全性，設(shè)計(jì)時(shí)取煙道內(nèi)壁粗糙高度K=1.5 mm是合理的［6］，故本次模擬取壁面粗糙高度K=1.5 mm。

煙道模型邊界條件設(shè)置示意圖見(jiàn)圖3。

2.4 計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果分析

1)主煙道截面尺寸為500 mm×400 mm工況下各類型煙道導(dǎo)流構(gòu)件局部合流阻力。

假設(shè)每層支管排風(fēng)量為300 m3/h，即支管氣體速度為4.72 m/s，通過(guò)改變vent-2的速度大小進(jìn)行模擬計(jì)算，求得入口vent-1，vent-2，出口vent-3全壓值，并將模擬結(jié)果按式(5)，式(6)進(jìn)行計(jì)算，即得出各類型排煙氣道局部合流阻力系數(shù) ξ1，1－3，ξ2，2－3。

圖3 煙道模型邊界條件設(shè)置示意圖

其中，P1，P2，P3分別為相應(yīng)斷面全壓值，Pa;v1，v2，v3分別為相應(yīng)斷面的平均速度，m/s;λ1，λ2，λ3分別為相應(yīng)管段管壁摩擦阻力系數(shù);d1，d2，d3分別為相應(yīng)斷面的當(dāng)量直徑，m;ξ1，1－3，ξ2，2－3分別為合流的局部阻力損失，例如ξ1，1－3表示氣流從入口1斷面到出口3斷面的局部阻力系數(shù)。煙道管壁摩擦阻力系數(shù)λ采用阿里特里蘇經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算［7］，公式如下:

其中，K為煙道內(nèi)壁當(dāng)量粗糙高度，m;d為煙道當(dāng)量直徑，m;Re為煙道內(nèi)氣流的雷諾數(shù)。

如圖4所示對(duì)比了四種類型煙道局部合流阻力系數(shù)ξ1，1－3。從圖中可以看出，四種模型 ξ1，1－3值變化規(guī)律也是一致的，隨著Q1/Q3的逐漸增大，ξ1，1－3值也相應(yīng)的逐漸增大。在流量比近似或相同的情況下，模型一的ξ1，1－3值最大，數(shù)值介于2～8之間。由于其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，模型一的導(dǎo)流構(gòu)件的變徑裝置促使合流阻力ξ1，1－3有所增大。模型四的 ξ1，1－3值最小，數(shù)值介于 － 4 ～ 3 之間。模型四導(dǎo)流構(gòu)件的彎管直徑為100×150是這幾種模型中最大的，其優(yōu)點(diǎn)是在相同條件下，彎管管壁單位面積受到靜壓最小，這減小了氣體在流動(dòng)時(shí)所受阻力。此外，當(dāng)主煙道內(nèi)氣體流速很大時(shí)，模型四主煙道內(nèi)氣流會(huì)對(duì)支煙道氣流產(chǎn)生一定的引射作用，這些因素促使其合流阻力系數(shù)ξ1，1－3比較小。模型二、模型三的導(dǎo)流構(gòu)件有些類似，其中模型三導(dǎo)流構(gòu)件為圓弧直徑為150 mm的半圓弧，圓弧口徑面積較模型二導(dǎo)流構(gòu)件小，相比其合流阻力也有所增大。

圖4 四種類型煙道局部合流阻力系統(tǒng)ξ1，1-3

圖5對(duì)比了四種類型煙道合流局部阻力ξ2，2－3。從圖中可以看出 ξ2，2－3與 ξ1，1－3變化規(guī)律有所不同，隨著 Q1/Q3的逐漸增大，ξ2，2－3值是逐漸減小的。在流量比近似或者相同的情況下，模型一的 ξ2，2－3值最小，數(shù)值介于 － 12 ～ 1 之間;模型四的 ξ2，2－3值最大，數(shù)值介于 －5～1之間。當(dāng) Q1/Q3值不大時(shí)，四種模型 ξ2，2－3相差不大。隨著Q1/Q3逐漸增大，五種模型ξ2，2－3值差距也會(huì)迅速增大，其中模型一ξ2，2－3值也比其他幾種模型小得多，這主要是模型一導(dǎo)流構(gòu)件增加的引射裝置增大了支管氣體對(duì)主管氣體的引射作用。

圖5 四種類型煙道局部合流阻力系統(tǒng)ξ2，2-3

排煙系統(tǒng)的排煙困難主要是針對(duì)底部住戶而言，而上部住戶基本不存在排煙困難問(wèn)題。要想使底部用戶排煙順暢，必須要克服底部用戶排除煙氣所受的阻力，而底部用戶所克服局部合流阻力主要為各層主管合流局部阻力ξ2，2－3。當(dāng)?shù)撞坑脩鬛1/Q3值較大時(shí)，模型一ξ2，2－3值小于其他模型。模型一導(dǎo)流構(gòu)件增加的引射裝置一定程度上改善了底部用戶排煙狀況，使整個(gè)排煙系統(tǒng)排煙更加均衡。但由于模型一ξ1，1－3值較大，這種引射裝置是否能提高各層整體的排煙能力，還有待進(jìn)一步評(píng)價(jià)。

2)主煙道截面尺寸對(duì)排煙氣道導(dǎo)流構(gòu)件合流阻力的影響。

針對(duì)建筑不同的樓層數(shù)，排煙氣道系統(tǒng)主煙道截面尺寸也有相應(yīng)的變化。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)不同截面尺寸的合流局部阻力系統(tǒng)相差很大，圖6，圖7列舉了不同主煙道截面尺寸下模型三導(dǎo)流構(gòu)件局部合流阻力 ξ1，1－3，ξ2，2－3變化規(guī)律。

圖6 各截面工況模型三局部合流阻力ξ1，1-3

從圖6可以看出，當(dāng)流量比Q1/Q3不變時(shí)，主排煙氣道截面尺寸越大，對(duì)應(yīng)局部合流阻力系數(shù)ξ1，1－3越大。當(dāng)Q1/Q3比較大時(shí)，各截面工況局部阻力系數(shù)ξ1，1－3變化幅度很小;隨著Q1/Q3逐漸減小，截面尺寸小的主煙道內(nèi)氣體對(duì)排煙支管內(nèi)氣體引射作用更加明顯，從而導(dǎo)致ξ1，1－3迅速減小。從圖7可以看出，當(dāng)流量比Q1/Q3不變時(shí)，主排煙氣道截面尺寸越大，對(duì)應(yīng)合流阻力系數(shù)ξ2，2－3越小。當(dāng)Q1/Q3很大，主煙道截面尺寸也較大時(shí)，在相同條件下主煙道內(nèi)氣體流速更低，排煙支管內(nèi)氣體對(duì)主煙道內(nèi)氣體引射作用更加明顯，從而導(dǎo)致ξ1，1－3比較小。因此，對(duì)于排煙情況不理想的排煙氣道系統(tǒng)，適當(dāng)增大主煙道截面尺寸可以明顯改善排煙狀況。

圖7 各截面工況模型三局部合流阻力ξ2，2-3

3 結(jié)語(yǔ)

模型一導(dǎo)流構(gòu)件增加的引射流裝置，一定程度上可以提高底部用戶排煙能力，但由于合流阻力系數(shù)ξ1，1－3較大，對(duì)系統(tǒng)的整體排煙能力會(huì)有一定抑制，尤其是對(duì)上部用戶影響很大。建議當(dāng)主煙道截面尺寸較大，底部吸油煙機(jī)初始?jí)侯^較小時(shí)應(yīng)用此類型導(dǎo)流構(gòu)件。對(duì)于主煙道尺寸較小，排煙系統(tǒng)整體排煙能力不足時(shí)建議應(yīng)用模型二、模型三。模型四煙道ξ1，1－3雖然較小，但不利于平衡排煙系統(tǒng)整體排煙能力，而且其導(dǎo)流板圓弧曲率較其他類型要大，可能會(huì)造成各層用戶間出現(xiàn)串味情況。

對(duì)于高層、超高層建筑而言，廚房排煙問(wèn)題更加嚴(yán)重。在條件允許時(shí)，建議適當(dāng)增大主煙道截面尺寸，同時(shí)通過(guò)導(dǎo)流構(gòu)件與止逆閥對(duì)各層用戶排煙均勻性做適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，合理抑制上部樓層用戶排煙的同時(shí)，改善底部樓層用戶的排煙狀況。

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