郭海豐，肖雪榕，陳鑫

(沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168)

本文通過用商用軟件CFD-AIRPAK3.0.16對廚房進行氣流模擬研究。通過對不同工況下廚房內(nèi)氣流的速度場、壓力場、濃度場等進行模擬分析，得出符合國家標(biāo)準(zhǔn)工作區(qū)濃度要求時排風(fēng)罩的功率。[5-6]

1 CFD模擬模型

1.1 物理模型

選用島型廚房為物理模型，尺寸為4×3×4m，門的尺寸為860×2050×240mm,外窗安裝高度1.35m。在廚房門窗均閉合且門窗縫隙存在滲透風(fēng)量的情況下進行模擬的。灶臺高80cm，選用雙眼燃氣灶，外形尺寸740×440×170mm，排油煙機規(guī)格為0.82m×0.52m×0.25m,排油煙機具灶臺的安裝高度為700mm。模擬過程中，外窗縫隙簡化為0.06×0.06m的正方形洞口，門簡化為0.07×0.07m的正方形洞口[2-4]。

1.2 邊界條件設(shè)置

本文采用湍流標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型對廚房氣流組織進行三維不可壓縮流動模擬，選用SIMPLE計算方法，殘差各項值設(shè)置為軟件的默認參數(shù)。廚房邊界條件的設(shè)置如下：門窗縫隙——壓力入口；排油煙機排風(fēng)口——速度出口；燃氣灶口——速度入口。

壁面定義為絕熱墻體(wall),選擇無滑移的壁面函數(shù)。燃氣灶口處是油煙等有害氣體的散發(fā)處，將其視為污染源。選用天然氣作燃料，將CO2作為衡量廚房空氣污濁程度的總體衡量指標(biāo)，并且使污染源處CO2的初始濃度值為3000ppm。根據(jù)規(guī)范室內(nèi)可接受的CO2濃度值上限為1000ppm[7-8]。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 被動補風(fēng)工況下的模擬分析

廚房門窗關(guān)閉僅靠門窗縫隙滲透的風(fēng)量進行補風(fēng)。在模型中截取X=1.95m和Z=2.45m兩個剖面得到速度、溫度、壓力和濃度的分布云圖。截取X=2.5m，Y=1.5m模擬人呼吸處CO2濃度。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的排油煙機排風(fēng)量不小于10m3/min，因此設(shè)定被動補風(fēng)情況下排風(fēng)機的初始排風(fēng)量為600 m3/h。在只有一個燃氣開啟狀態(tài)下進行流場模擬。從模擬數(shù)據(jù)可以看到在排油煙機以最小排風(fēng)量600 m3/h進行被動式補風(fēng)時，廚房污染物濃度沒有達到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。因此增大排風(fēng)量至1350 m3/h迫使從窗縫門縫處被吸入的新風(fēng)量增大來稀釋有害氣體的濃度從而達到國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。

選取典型模擬云圖如下，排風(fēng)量的增大使得廚房內(nèi)外壓差增大，使得更多新風(fēng)被吸入室內(nèi)補風(fēng)效果得到顯著提高；大量新風(fēng)稀釋了有害氣體的濃度，提高了室內(nèi)空氣品質(zhì)；但室內(nèi)外壓差的增大，破壞了室內(nèi)水封系統(tǒng)，排水系統(tǒng)的污染氣體會被抽入室內(nèi)，導(dǎo)致室內(nèi)空氣品質(zhì)的下降。

2.2 被動補風(fēng)工況下的排風(fēng)罩功率

利用被動式補風(fēng)工況下人呼吸區(qū)CO2濃度達標(biāo)時的參數(shù)對排油煙機功率進行分析計算。排風(fēng)罩功率表達式為：N=QPa/(3600η)

風(fēng)機的全壓由風(fēng)機的靜壓和動壓兩部分組成，全壓的公式為：P=P靜+P動

已知排風(fēng)量為1350 m3/h，排煙管道直徑250mm，則煙氣在管道內(nèi)平均流速7.65 m/s。取排煙管道溫度60℃，則煙氣密度為0.75kg/m3。求得管道內(nèi)動壓為21.95Pa。靜壓為風(fēng)管內(nèi)氣體流動的阻力，分為沿程阻力損失和局部阻力損失。

本文中選用圓形排煙管道，則其沿程阻力計算式為：Py=λvl/D

局部阻力損失表達式為：Pj=ξρv2/2PJ=Pj+P門窗縫隙+P排風(fēng)口

圖1 風(fēng)量1350 m3/h被動補風(fēng)壓力分布云圖

圖2 風(fēng)量1350 m3/h被動補風(fēng)CO2濃度分布云圖

3 結(jié)論與展望

經(jīng)過計算可得該工況下排風(fēng)系統(tǒng)的總局部阻力為541.60Pa,排風(fēng)系統(tǒng)的總阻力為578.60Pa。將所得到的數(shù)值代入排風(fēng)罩功率的表達式可得出該工況下排風(fēng)罩的功率為276.68W。增設(shè)補風(fēng)條縫降低排風(fēng)系統(tǒng)的能耗將是廚房排煙系統(tǒng)優(yōu)化的一個前景，之后筆者也將會沿著這個方向進行深入研究。