王 沖,張 勍,張 凱,姜棱俊,翟長秀,高智涵

(1.中國計量大學 計量測試工程學院,浙江 杭州 310018;2.中國煙草標準化研究中心，河南 鄭州 450001)

集中煙道是現(xiàn)在住宅排煙的主要形式[1-2].對集中排煙的方式進行研究后,發(fā)現(xiàn)集中排煙系統(tǒng)還存在著一些問題[3]:一是底層用戶油煙排放困難,排煙效果不佳廚房內煙氣殘留較多,嚴重影響了居室的空氣質量;二是有些樓層用戶會出現(xiàn)串味、倒灌等現(xiàn)象.廚房油煙排放不暢會影響整個住宅的空氣質量.更重要的是,廚房的油煙含有多種有害成分[4-6],對身體健康有很大的危害,甚至會誘發(fā)包括呼吸道疾病、皮膚疾病、心血管疾病在內的各種疾病.廚房油煙排放不暢,廚房內烹飪時產生的燃燒顆粒物以及余熱會將這些有害物質擴散到居室其他的區(qū)域,對人體產生長時間的危害[7],嚴重影響生活質量.因此,如何調控各層油煙機排風量,防止油煙回流等問題便變得越發(fā)重要.

現(xiàn)今主流的煙道通風調控方法就是利用閥門開合對風量進行調控.閥門在管路系統(tǒng)中作為管道的承壓元件,數(shù)量繁多和種類復雜.而止回閥是則是出現(xiàn)在管路系統(tǒng)中的最常用的閥門類型之一.止回閥的主要功能是防止管道內流體介質倒流,介質順向流動時閥瓣自動開啟,介質逆向流動時閥瓣自動關閉,因此,止回閥又稱單向閥.常用止回閥按結構劃分主要類型有升降式止回閥、旋啟式止回閥、斜盤式止回閥、雙板式止回閥以及軸流式止回閥等[8-9].本研究煙道中的止回閥采用的是斜盤式止回閥.

煙氣在通過止回閥時會出現(xiàn)壓力損失,壓力損失越大,煙氣越難以排放[10-11],而止回閥的阻力系數(shù)與煙氣的壓力損失有著直接的數(shù)量關系[12],因此,對煙道中止回閥阻力系數(shù)進行研究是很有必要的.

1 止回閥阻力系數(shù)數(shù)值模擬

1.1 建立模型

根據(jù)實體尺寸對煙道進行簡化建立3維計算模型如圖1,運用Fluent對其整體內部流場進行了數(shù)值計算,對于止回閥的阻力系數(shù)的計算,在止回閥不同的開度下給定不同的風量來進行模擬.

圖1 止回閥模型示意圖Figure 1 Schematic diagram of check valve model

對煙道帶有止回閥的部分用Solidworks對其進三維模型的繪制.在三維模型中進行了適當?shù)暮喕褪÷?為后續(xù)的網格劃分做準備.當流體經過油煙機,排入管道再經止回閥進入公煙道,這一管道再利用Gambit軟件中布爾減等功能獲取流體區(qū)域之后畫出,并一同進行網格劃分,流體區(qū)域如圖2所示.

圖2 流體區(qū)域示意圖Figure 2 Schematic diagram of fluid region

劃分好網格之后進行網格的無關性檢驗,選取網格量為37.59 W.在止回閥阻力系數(shù)數(shù)值模擬中,采用的邊界條件和支管阻力系數(shù)數(shù)值模擬工作一致,就不贅述.

在進行模擬時,止回閥的轉動角度每10°(止回閥的閥片平行于支管軸線時為90°)進行一次模擬.當流場內部流體運動趨于穩(wěn)定之后對其整體壓力分布和速度分布以及幾個截面上的壓力和速度進行分析,并對止回閥前后兩個截面上的壓力差進行分析.截面1為煙道軸線截面;截面2、3分別為止回閥前后兩個截面,同時也是取壓面,截面示意圖如圖3.

圖3 提取截面示意圖Figure 3 Schematic diagram of extraction section

完成截面選取后,對煙道模型的邊界條件進行一系列的調整,設置好參數(shù)之后再進行數(shù)值模擬工作.進行數(shù)值模擬時,油煙機的各個檔位流量已知,通過改變數(shù)值模擬時的入口邊界條件來模擬不同檔位(一、二、三檔,其中三檔分風量最大)下的油煙機風量.通過改變止回閥開啟度數(shù)來模擬不同開度下的煙道,每10°作為一個狀態(tài)進行模擬,止回閥平行于油煙速度方向為90°.阻力系數(shù)計算公式如下:

(1)

式(1)中:ΔP表示支管進出口的壓力差值;ξ為支管的阻力系數(shù);ρ是空氣的密度為1.29 kg/m3;V表示管道內的流體速度.

1.2 數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對比

止回閥每10°作為一個狀態(tài)進行模擬,止回閥平行于油煙速度方向為90°.每一個開啟角度下,分別計算不同的檔位(即三檔、二檔、一檔)下的阻力系數(shù),由于數(shù)據(jù)量很大,因此，下面僅取開啟70°時二擋(圖4)、開啟70°時一檔(圖5)和開啟50°時一檔(圖6)的數(shù)據(jù)進行對比.

圖4 止回閥開啟70°二檔位數(shù)據(jù)Figure 4 Check valve open 70° of second gear data

圖5 止回閥開啟70°一檔位數(shù)據(jù)Figure 5 Check valve open 70° of first gear data

圖6 止回閥開啟50°一檔位數(shù)據(jù)Figure 6 Check valve open 50° of first gear data

通過數(shù)值模擬可以看出隨著止回閥開啟角度逐漸變小,止回閥前后取壓面上的壓力變化越來越大,對每個開度下不同油煙機檔位進行數(shù)值模擬并提取結果,通過公式(1)計算得到其阻力系數(shù),并且繪制折線圖如圖7.由折線圖可以得到止回閥在同一開啟角度下隨著油煙機檔位變化,其阻力系數(shù)基本不變.風量對止回閥阻力系數(shù)的影響可以忽略,認為止回閥的阻力系數(shù)只與開啟角度有關.

圖7 止回閥阻力系數(shù)數(shù)值模擬折線圖Figure 7 Numerical simulation diagram of check valve resistance coefficient

2 止回閥阻力系數(shù)實驗測試

為了更進一步對止回閥阻力系數(shù)進行研究,參照支管阻力系數(shù)實驗測試平臺搭建止回閥實驗測試平臺,對止回閥的阻力系數(shù)進行實驗測試,同時驗證數(shù)值模擬工作的可靠性.實驗平臺的搭建與前面提到的支管阻力系數(shù)實驗測試類似,只是在支管的出口連接有止回閥,取壓點的方式和前面提到的一致,位置取在止回閥進出口的位置處.止回閥阻力系數(shù)測試現(xiàn)場圖如圖8.

圖8 止回閥阻力系數(shù)測試現(xiàn)場圖Figure 8 Field diagram of check valve resistance coefficient test

實驗測試時選用的止回閥為電動止回閥,可調節(jié)的角度在90°到30°,電動止回閥如圖9.將止回閥安裝在鋁箔管與集中煙道的連接處,進行實驗測試.

圖9 電動止回閥實物圖Figure 9 Physical drawing of electric check valve

通過實驗測試分析得出電動止回閥在同一開啟角度下,風量對止回閥的影響很小,可以認為風量對止回閥的阻力系數(shù)沒有影響,在同一開啟角度下止回閥的阻力系數(shù)只與閥片的開啟角度有關系.同時分析實驗數(shù)據(jù)可以得到:止回閥開啟90°時阻力系數(shù)約為0.05;70°阻力系數(shù)約為1.25;60°阻力系數(shù)約為3.63;50°阻力系數(shù)約為9.40;40°阻力系數(shù)約為23.80;30°阻力系數(shù)約為91.5.止回閥開啟角度越小止回閥的阻力系數(shù)越大.實驗測試與數(shù)值模擬的結果對比如圖10.

圖10 實驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬對比Figure 10 Comparison between test data and numerical simulation

通過分析可以看出數(shù)值模擬和試驗測試的結論一致,止回閥的阻力系數(shù)受風量的影響可以忽略,認為止回閥的阻力系數(shù)只與止回閥的開啟角度有關,且通過對數(shù)據(jù)的擬合得到止回閥阻力系數(shù)與開啟角度的關系為

ξ=k1ek2(90-θ).

(2)

其中，k1=0.115 4,k2=0.111 3.詳細數(shù)據(jù)如表1.

表1 詳細實驗數(shù)據(jù)Table 1 detailed experimental data

3 結語

結合數(shù)值模擬和實驗測試,通過對比止回閥不同的開啟角度下給定不同的風量時的數(shù)據(jù),結合公式計算阻力系數(shù),得出煙道中風量大小對止回閥阻力系數(shù)影響可忽略不計,而隨著開啟角度減小,阻力系數(shù)增大.同時結合所得數(shù)據(jù),擬合出了止回閥阻力系數(shù)與開啟角度的關系,對油煙機風道設計和風量分配有著很好的借鑒意義.