(常州大學(xué)石油工程學(xué)院，江蘇 常州 213164)

0 引言

廚房油煙含有300多種對(duì)人有害的物質(zhì)，增加了人們患肺癌的幾率[1]。抽油煙機(jī)能有效排出油煙污染物，減少對(duì)烹飪?nèi)藛T的傷害，改善廚房工作環(huán)境。集煙罩主要是約束油煙外溢，并保證結(jié)構(gòu)可與廚房整體相協(xié)調(diào)，方便實(shí)用。考慮設(shè)計(jì)方便，數(shù)值分析和產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合就成為了一種趨勢(shì)[2]。南京大學(xué)朱玉振[3]對(duì)三種抽油煙機(jī)的流場(chǎng)矢量分布進(jìn)行分析，提出一種斜風(fēng)式新型抽油煙機(jī)。李朝振[4]采用實(shí)驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方法對(duì)抽油煙機(jī)在各種工況下的性能進(jìn)行了研究，總結(jié)了抽油煙機(jī)外部濃度場(chǎng)和流場(chǎng)的分布規(guī)律。馬柯等[5]指出集煙罩采用掛壁式斜面集風(fēng)設(shè)計(jì)，低位安裝，可以增強(qiáng)抽油煙機(jī)的吸排功能。孟永哲[6]采用實(shí)驗(yàn)與模擬的方法研究了抽油煙機(jī)罩導(dǎo)流板的籠煙效果，確定不同結(jié)構(gòu)罩排煙效率不同。Lim[7]采用CFD方法模擬分析了集煙罩擋板對(duì)廚房排油煙效果的影響，發(fā)現(xiàn)擋板安裝距離近，排煙效率高。華中科技大學(xué)謝軍龍等[8]研究了蝶形導(dǎo)煙板集煙罩和平板型導(dǎo)煙板集煙罩等兩種集煙罩對(duì)歐式頂吸式油煙機(jī)排煙效率的影響，結(jié)果表明蝶形導(dǎo)煙板集煙罩排煙效果較佳。綜上，已有文獻(xiàn)對(duì)集煙罩形狀對(duì)側(cè)吸式油煙機(jī)排煙效率的影響研究較少。

本文利用數(shù)值模擬的方法研究了集煙罩形狀對(duì)側(cè)吸式油煙機(jī)排煙效率的影響，分析了不同工況下廚房?jī)?nèi)油煙濃度的分布情況，為側(cè)吸式油煙機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論支撐。

1 物理模型

圖1是典型的家用廚房結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，尺寸為3 600 mm×1 800 mm×2 600 mm(長(zhǎng)×寬×高)，灶臺(tái)高800 mm，寬500 mm，抽油煙機(jī)形式為側(cè)吸式，油煙機(jī)的安裝高度1 150 mm。模擬時(shí)進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：省略部分廚具、出風(fēng)管道，油煙產(chǎn)生面簡(jiǎn)化為兩個(gè)直徑為320 mm的圓，人簡(jiǎn)化成450 mm × 200 mm×1 650 mm(長(zhǎng)×寬×高)的長(zhǎng)方體。圖2a和b分別為本文研究的平板型和弧型兩種集煙罩的結(jié)構(gòu)示意圖。

2 數(shù)值方法

2.1 控制方程

假設(shè)廚房?jī)?nèi)煙氣流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)湍流，忽略能量方程中由于粘性作用而引起的能量耗散。廚房?jī)?nèi)煙氣流動(dòng)滿足連續(xù)性方程、能量方程、動(dòng)量方程、標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程及組分運(yùn)輸方程，具體表達(dá)如公式(1)～(4)[9]：

連續(xù)性方程

(1)

動(dòng)量方程

(2)

能量方程

(3)

組分運(yùn)輸方程

(4)

式中i=1,2,3；j=1,2,3；

u——室內(nèi)空氣速度；

T——室內(nèi)空氣溫度；

ε——湍流脈動(dòng)動(dòng)能耗散率；

P——空氣壓力；

k——湍流脈動(dòng)動(dòng)能；

μi——湍流動(dòng)力粘性系數(shù)；

ρ——空氣密度；

μ——層流動(dòng)力粘度；

Cp——定壓比熱容；

β——流體體積膨脹系數(shù)；

Pr——普朗特?cái)?shù)；

q——熱流密度；

C——煙氣濃度；

cc——常數(shù)；

Fc——煙氣發(fā)生率。

2.2 邊界條件

廚房門為空氣入口，類型為壓力入口型，壓力取0 Pa，空氣溫度為20 ℃。豎風(fēng)機(jī)面設(shè)為壓力出口，根據(jù)多翼離心風(fēng)機(jī)靜壓-流量曲線圖[8]，風(fēng)量10 m3/min對(duì)應(yīng)壓力-80 Pa，風(fēng)量16 m3/min對(duì)應(yīng)壓力-102 Pa。油煙產(chǎn)生面為速度入口，油煙溫度設(shè)為70 ℃。實(shí)際油煙組分復(fù)雜，模擬時(shí)可采用質(zhì)量含量為5%的CO模擬空氣中的油煙[10]，所有的固體壁面設(shè)為絕熱且無滑移壁面。表1給出了慢檔低壓和快檔高壓四種工況下油煙面油煙產(chǎn)生速率和風(fēng)機(jī)排風(fēng)量情況。

表1模擬工況工作條件

工況排風(fēng)量/m3·min-1油煙產(chǎn)生速率/m·s-1慢檔低壓工況1100.4工況2100.6快檔高壓工況3160.7工況4161.0

2.3 離散方法

運(yùn)用SIMPLE算法對(duì)速度和壓力的耦合進(jìn)行求解，近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理。動(dòng)量項(xiàng)為二階迎風(fēng)格式，湍流動(dòng)能和湍流耗散率均為一階迎風(fēng)格式。計(jì)算收斂的殘差標(biāo)準(zhǔn)和連續(xù)性殘差設(shè)置為10-4，能量殘差為10-6。計(jì)算域采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分，在出風(fēng)口、油煙產(chǎn)生面等速度變化大的區(qū)域進(jìn)行局部加密，網(wǎng)格數(shù)量為1 401 827，網(wǎng)格EquiAangle Skew值平均在0.4～0.5之間，符合要求。

3 模擬結(jié)果與分析

選取集煙罩中心截面(截d=1 800 mm)作為特征面，分析四種工況下平板型集煙罩和弧型集煙罩對(duì)廚房?jī)?nèi)空氣流場(chǎng)、煙氣濃度場(chǎng)和油煙排除效率的影響。

3.1 廚房?jī)?nèi)油煙濃度分布

圖3和圖4分別是慢檔低壓風(fēng)量下不同油煙發(fā)生速率時(shí)平板型集煙罩和弧型集煙罩油煙機(jī)的油煙濃度分布圖。當(dāng)油煙產(chǎn)生速率為0.4 m/s，兩種集煙罩油煙機(jī)均能有效地排走油煙，對(duì)烹飪?nèi)藛T呼吸區(qū)域(圖中半徑為30 mm的圓圈區(qū)域)不會(huì)產(chǎn)生影響，采用弧型集煙罩時(shí)，油煙集中在吸風(fēng)口附近，沒有明顯的逃逸現(xiàn)象，而采用平板型集煙罩時(shí)油煙擴(kuò)散范圍較大，但也不會(huì)進(jìn)入烹飪?nèi)藛T呼吸區(qū)域。當(dāng)油煙產(chǎn)生速率增加到0.6 m/s時(shí)，平板型集煙罩不能及時(shí)捕集產(chǎn)生的油煙，部分油煙逃逸進(jìn)入烹飪?nèi)藛T呼吸區(qū)域，最大油煙濃度達(dá)到8.4 mg/m3，而弧型集煙罩仍能較好地及時(shí)將油煙捕集在吸風(fēng)口附近，略有少許油煙逃逸到烹飪?nèi)藛T呼吸區(qū)域，最大油煙濃度僅為1.1 mg/m3。

圖5和圖6分別是快檔高壓風(fēng)量下不同油煙發(fā)生速率時(shí)平板型集煙罩和弧型集煙罩油煙機(jī)的油煙濃度分布圖。當(dāng)油煙產(chǎn)生速率為0.7 m/s時(shí)，平板型集煙罩下油煙主要集中在吸風(fēng)口附近，油煙雖有發(fā)散趨勢(shì)烹飪?nèi)藛T呼吸區(qū)域最大油煙濃度為2.8 mg/m3。而弧型集煙罩能有效捕集油煙，油煙在吸風(fēng)口下部區(qū)域就會(huì)被及時(shí)排走。當(dāng)油煙產(chǎn)生速率為1.0 m/s時(shí)，采用平板型集煙罩時(shí)油煙逃逸明顯，有部分油煙擴(kuò)散到廚房其它非烹飪區(qū)，烹飪?nèi)藛T呼吸區(qū)域充滿了油煙，最大油煙濃度高達(dá)11.2 mg/m3，而弧型集煙罩對(duì)應(yīng)的油煙主要集中在吸風(fēng)口區(qū)，進(jìn)入人員呼吸區(qū)域的油煙濃度最大僅為2.8 mg/m3。

3.2 室內(nèi)空氣速度分布

圖7和圖8分別是慢檔低壓風(fēng)量下不同油煙發(fā)生速率時(shí)平板型集煙罩和弧型集煙罩油煙機(jī)對(duì)應(yīng)的室內(nèi)空氣流線圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，兩種集煙罩對(duì)應(yīng)的室內(nèi)空氣都有從頂部向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，當(dāng)油煙發(fā)生速率為0.4 m/s時(shí)，平板型集煙罩油煙機(jī)對(duì)應(yīng)的廚房?jī)?nèi)部產(chǎn)生了大小不同的多個(gè)空氣渦核，分布較廣，最大的渦核產(chǎn)生在廚房墻壁處，阻礙了油煙的排出，導(dǎo)致油煙擴(kuò)散范圍大。當(dāng)油煙發(fā)生速率為0.6 m/s時(shí)，采用平板型集煙罩油煙機(jī)時(shí)人的背后和油煙機(jī)上方形成多個(gè)空氣渦核，分布范圍大，嚴(yán)重阻礙了油煙排出，而采用弧型集煙罩油煙機(jī)時(shí)空氣從底部向上運(yùn)動(dòng)，形成的空氣渦核均分布在墻壁附近，對(duì)油煙阻礙較小。

圖9和圖10分別是快檔高壓風(fēng)量下不同油煙發(fā)生速率時(shí)平板型集煙罩和弧型集煙罩油煙機(jī)對(duì)應(yīng)的室內(nèi)空氣流線圖。當(dāng)油煙發(fā)生速率為0.7 m/s時(shí)，兩種集煙罩對(duì)應(yīng)的室內(nèi)空氣均有渦核形成，但分布區(qū)域大小不同，當(dāng)油煙發(fā)生速率增大到1 m/s時(shí)，平板型集煙罩油煙機(jī)油煙對(duì)應(yīng)的室內(nèi)空氣先是由下向上經(jīng)過房頂后再向下運(yùn)動(dòng)，在左下方形成一個(gè)較大渦核，大部分油煙匯聚在此渦核，采用弧型集煙罩油煙機(jī)產(chǎn)生的空氣渦核位于人的后方，油煙匯聚后經(jīng)過人體被風(fēng)機(jī)排出。

3.3 油煙排除效率

廚房抽油煙機(jī)的油煙排除效率η可用公式(5)[10]來表示

(5)

式中n——出風(fēng)口處CO摩爾濃度/mol·L-1；

v2——CO排出速度/m·s-1，根據(jù)風(fēng)機(jī)風(fēng)量以及出風(fēng)口面積確定；

A2——出風(fēng)口的面積/m2，為0.414 m2；

Vm——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下CO的摩爾體積/L·moL-1，24 L/mol；

v1——油煙產(chǎn)生速度/m·s-1，根據(jù)不同工況取不同值；

A1——油煙產(chǎn)生面面積/m2，取0.161 m2；0.05——CO所占混合氣體的體積百分比。

將上述不同工況下模擬獲得的風(fēng)機(jī)排風(fēng)口處CO的濃度值帶入公式(5)，得到兩種集煙罩對(duì)應(yīng)的油煙機(jī)排煙效率，結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，慢檔低壓風(fēng)量下，當(dāng)油煙發(fā)生速率為0.4 m/s時(shí)，弧型集煙罩比平板型集煙罩對(duì)應(yīng)的CO出口濃度增加了3.6%，排煙效率增加了0.6%；當(dāng)油煙發(fā)生速率增加到0.6 m/s時(shí)，弧型集煙罩比平板型集煙罩對(duì)應(yīng)的CO出口濃度增加了5.8%，排煙效率增加了4.5%；快檔高壓風(fēng)量下，油煙發(fā)生速率為0.7 m/s時(shí)，弧型集煙罩比平板型集煙罩對(duì)應(yīng)的CO出口濃度增加了4.4%，排煙效率增加了3.5%；當(dāng)油煙發(fā)生速率增加到1.0 m/s時(shí)，弧型集煙罩比平板型集煙罩對(duì)應(yīng)的CO出口濃度增加了11.5%，排煙效率增加了9.2%。總而言之，油煙發(fā)生率較低時(shí)，兩種集煙罩的油煙排除效率相當(dāng)，隨著油煙發(fā)生速率增加，兩種集煙罩的油煙排除效率都有所降低，但弧型集煙罩的油煙排除效率更高些。

表2各工況出口處濃度和排煙效率

工況出口濃度mol/L排煙效率平板型集煙罩弧型集煙罩平板型集煙罩/[%]弧型集煙罩/[%]慢檔低壓工況18.81×10-59.13×10-590.190.7工況21.03×10-41.09×10-480.785.2快檔高壓工況31.15×10-41.20×10-484.988.4工況41.47×10-41.64×10-477.286.4

4 結(jié)論

(1)慢檔低壓情況下，油煙發(fā)生率低時(shí)，兩種集煙罩排煙效率皆在90%左右，隨著油煙發(fā)生速率逐漸增加，弧形集煙罩較之平板型集煙罩出口處煙氣濃度更高，排煙效率增大4.5%。

(2)快檔高壓情況下，隨著油煙發(fā)生速率增加，兩種集煙罩排煙效果差距越加明顯，弧型集煙罩比平板型集煙罩排煙效率最高增大9.2%。