萬博臣 莫遠(yuǎn)忠 賈鈮 廖晶

珠海格力電器股份有限公司家電技術(shù)研究二院 廣東珠海 519070

1 引言

吸油煙機(jī)已成為現(xiàn)代家庭生活中不可缺少的廚房電器之一。吸油煙機(jī)的主要功能就是迅速將廚房產(chǎn)生的油煙吸入，并排到公共煙道中。吸油煙機(jī)最主要的兩大性能指標(biāo)是風(fēng)量和靜壓。大風(fēng)量的吸油煙機(jī)的吸煙效果好，能迅速將油煙吸入；大靜壓的吸油煙機(jī)能克服較高的管網(wǎng)阻力，使得吸油煙機(jī)在高背壓的狀態(tài)下仍能保證較大的風(fēng)量。

隨著產(chǎn)品競爭激勵(lì)，各大廠家不斷提高吸油煙機(jī)的性能，為了吸引消費(fèi)者購買而不斷提高風(fēng)量和靜壓。但是僅僅通過優(yōu)化風(fēng)機(jī)、風(fēng)道系統(tǒng)，傳統(tǒng)單風(fēng)機(jī)的吸油煙機(jī)的性能很難再有飛躍式的提升。

本文將某公司的一款單風(fēng)機(jī)側(cè)吸式吸油煙機(jī)作為參照，在此基礎(chǔ)上改造成一款雙風(fēng)機(jī)吸油煙機(jī)，如圖1所示。通過理論、仿真和實(shí)驗(yàn)三個(gè)方面，研究雙風(fēng)機(jī)對(duì)比單風(fēng)機(jī)的性能差異，主要針對(duì)吸油煙機(jī)的風(fēng)量和靜壓進(jìn)行對(duì)比分析。

2 雙風(fēng)機(jī)吸油煙機(jī)風(fēng)量和靜壓的理論分析

雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)采用并聯(lián)工作的形式，采用兩個(gè)相同的風(fēng)機(jī)，并且讓兩個(gè)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速保持一致。根據(jù)風(fēng)機(jī)的工作原理，兩個(gè)風(fēng)機(jī)并聯(lián)工作時(shí)，與單風(fēng)機(jī)相比，可以達(dá)到靜壓相等，風(fēng)量增加的效果[1]。

現(xiàn)有的側(cè)吸式單風(fēng)機(jī)吸油煙機(jī)，單風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)一個(gè)吸風(fēng)口，吸風(fēng)口在灶臺(tái)中心，風(fēng)量提升有限。雙風(fēng)機(jī)吸油煙機(jī)的設(shè)計(jì)思路在于，雙風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)兩個(gè)吸風(fēng)口，吸風(fēng)口能直接對(duì)準(zhǔn)灶臺(tái)，期望達(dá)到大風(fēng)量，吸排油煙效果佳的目標(biāo)。

但從理論上說，當(dāng)風(fēng)機(jī)并聯(lián)工作時(shí)，想要增加較大的風(fēng)量，只能在管網(wǎng)阻力較小的管路中使用[2]。若管網(wǎng)的阻力較大，則風(fēng)量難以得到明顯提升。如圖2所示的P-Q（靜壓-風(fēng)量）曲線上可以看出單風(fēng)機(jī)與雙風(fēng)機(jī)的特性。圖中a、b、c代表3種不同管網(wǎng)阻力的管道特性曲線。從圖2中可見：曲線a代表阻力小的管網(wǎng)，它與雙風(fēng)機(jī)曲線的交點(diǎn)為A2，此時(shí)風(fēng)量為QA2比單風(fēng)機(jī)工作時(shí)的風(fēng)量QA1要明顯大許多；曲線b代表阻力稍大的管網(wǎng)，它分別與雙風(fēng)機(jī)曲線和單風(fēng)機(jī)曲線相交時(shí)，交點(diǎn)風(fēng)量QB1和QB2的大小較為接近；曲線c代表阻力較大的管網(wǎng)，此時(shí)雙風(fēng)機(jī)與單風(fēng)機(jī)的風(fēng)量沒有明顯差別，風(fēng)量大小基本相等。

綜上所述：理論上雙風(fēng)機(jī)并聯(lián)工作時(shí)，想要獲得較大的風(fēng)量，需要在管網(wǎng)阻力較小的狀況下運(yùn)行，否則風(fēng)量不會(huì)有明顯提高。

圖1 吸式單風(fēng)機(jī)與雙風(fēng)機(jī)吸油煙機(jī)示意圖

圖2 理論的單風(fēng)機(jī)與雙風(fēng)機(jī)吸油煙機(jī)的P-Q曲線

圖3 單風(fēng)機(jī)與雙風(fēng)機(jī)吸油煙機(jī)仿真簡化模型

圖4 仿真的單風(fēng)機(jī)與雙風(fēng)機(jī)吸油煙機(jī)的P-Q曲線

3 雙風(fēng)機(jī)吸油煙機(jī)風(fēng)量和靜壓的仿真分析

根據(jù)實(shí)際側(cè)吸式單風(fēng)機(jī)吸油煙機(jī)建立簡化模型。在ICEM軟件中劃分網(wǎng)格，導(dǎo)入FLUENT軟件中進(jìn)行設(shè)置求解。湍流模型采用RNG k-ε模型，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解。數(shù)值計(jì)算過程中，采用分離求解器中的SIMPLE算法，對(duì)動(dòng)量、湍流動(dòng)能、湍流耗散率的差分格式都設(shè)為二階迎風(fēng)格式。不考慮溫度的影響，計(jì)算域中的流體材料使用FLUENT中默認(rèn)的air。計(jì)算域的進(jìn)口定義為壓力入口，壓力設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。計(jì)算域的出口為排煙管末端，定義為流量出口。風(fēng)機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)動(dòng)速度之后，通過設(shè)定不同的出口流量，模擬得到對(duì)應(yīng)出口的靜壓，將仿真得到的多組流量與靜壓數(shù)據(jù)連接繪制成曲線，便得到了吸油煙機(jī)的P-Q曲線。

為了能較為準(zhǔn)確地模擬出吸油煙機(jī)的風(fēng)量與靜壓，與風(fēng)機(jī)連接的排煙管不能被忽略。排煙管的管徑采用標(biāo)準(zhǔn)的180mm尺寸[3]，由于吸油煙機(jī)煙管需要與公共煙道相連接，所以雙風(fēng)機(jī)的兩個(gè)排煙管須要匯集成一根排煙管，如圖3所示。兩根煙管匯聚成一根煙管通道，此處會(huì)有較大的局部損失。

設(shè)定同一風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速920rpm，對(duì)圖3中兩個(gè)吸油煙機(jī)的風(fēng)量和靜壓分別進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真模擬，仿真得出雙風(fēng)機(jī)吸油煙機(jī)的最大風(fēng)量相對(duì)較高，比單風(fēng)機(jī)吸油煙機(jī)的最大風(fēng)量提高約5m3/min。仿真得到的風(fēng)量與靜壓關(guān)系的曲線如圖4所示。從圖4可知雙風(fēng)機(jī)的最大靜壓與單風(fēng)機(jī)相同，在靜壓較小的區(qū)間，雙風(fēng)機(jī)的風(fēng)量比單風(fēng)機(jī)要大；當(dāng)靜壓增大時(shí)，雙風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與單風(fēng)機(jī)十分接近。

在吸油煙機(jī)正常工作時(shí)，由于風(fēng)機(jī)對(duì)氣流的抽吸，會(huì)在吸風(fēng)口處產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)域，油煙被負(fù)壓區(qū)所吸引，然后被吸入吸油煙機(jī)中再被排走。因此吸風(fēng)口處的負(fù)壓區(qū)的大小，直接影響吸油煙機(jī)的吸煙效果：負(fù)壓區(qū)域較大則吸煙效果好，負(fù)壓區(qū)域較小則吸煙效果較差。因此用計(jì)算機(jī)仿真模擬單風(fēng)機(jī)與雙風(fēng)機(jī)吸油煙機(jī)吸風(fēng)口處產(chǎn)生的負(fù)壓區(qū)域的大小并進(jìn)行對(duì)比分析。

為了方便進(jìn)行對(duì)比分析，設(shè)定同一風(fēng)量16m3/min，在三維仿真結(jié)果中截取吸風(fēng)口處的橫截面，觀察對(duì)比橫截面上的靜壓分布云圖，如圖5所示。在圖5中，顏色由紅偏綠的區(qū)域代表著負(fù)壓區(qū)域，可見單風(fēng)機(jī)吸油煙機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓區(qū)域明顯較大。這是由于在相同的風(fēng)量下，并聯(lián)工作的雙風(fēng)機(jī)存在兩個(gè)吸風(fēng)口，分散了負(fù)壓區(qū)。負(fù)壓區(qū)域被分散之后，導(dǎo)致兩個(gè)負(fù)壓區(qū)都偏小。單風(fēng)機(jī)由于僅存在一個(gè)吸風(fēng)口，負(fù)壓區(qū)域集中且負(fù)壓較強(qiáng)，這樣對(duì)油煙的吸引力更強(qiáng)，吸煙效果也會(huì)較好。當(dāng)雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的兩個(gè)吸風(fēng)口均能提供如單風(fēng)機(jī)系統(tǒng)相當(dāng)?shù)呢?fù)壓時(shí)，才能提供強(qiáng)于單風(fēng)機(jī)的捕煙能力，這就需要雙風(fēng)機(jī)達(dá)到比現(xiàn)在的系統(tǒng)大很多的風(fēng)量。

綜上所述：通過仿真分析得知雙風(fēng)機(jī)并聯(lián)工作時(shí)，與單風(fēng)機(jī)相比最大風(fēng)量有所提高，最大靜壓相同。從仿真的P-Q曲線上可知，雙風(fēng)機(jī)在較高的管網(wǎng)阻力下，風(fēng)量與單風(fēng)機(jī)十分接近。另外在風(fēng)量相同的情況下，雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)由于存在兩個(gè)吸風(fēng)口，負(fù)壓區(qū)被分散而變?nèi)酰瑢?dǎo)致吸油煙的效果較差。

圖5 同風(fēng)量下的吸油煙機(jī)截面靜壓分布云圖

圖6 在風(fēng)機(jī)同轉(zhuǎn)速下實(shí)測的單風(fēng)機(jī)與雙風(fēng)機(jī)吸油煙機(jī)的P-Q曲線

圖7 在同風(fēng)量下實(shí)測的單風(fēng)機(jī)與雙風(fēng)機(jī)吸油煙機(jī)的P-Q曲線

4 雙風(fēng)機(jī)吸油煙機(jī)風(fēng)量和靜壓的實(shí)驗(yàn)分析

為了測試雙風(fēng)機(jī)吸油煙機(jī)的真實(shí)性能，按照模型設(shè)計(jì)打造了一套雙風(fēng)機(jī)吸油煙機(jī)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試分析。

對(duì)單風(fēng)機(jī)吸油煙機(jī)和雙風(fēng)機(jī)吸油煙機(jī)分別進(jìn)行風(fēng)量與靜壓測試，記錄并繪制P-Q性能曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。雙風(fēng)機(jī)和單風(fēng)機(jī)統(tǒng)一設(shè)定轉(zhuǎn)速為920rpm，將圖6與圖5對(duì)比可以看出實(shí)測與仿真的最大風(fēng)量非常接近，并且P-Q性能曲線的趨勢也與仿真結(jié)果基本趨于一致。在圖6中添加兩條吸油煙機(jī)管網(wǎng)阻力曲線a和曲線b，分別代表較低的管網(wǎng)阻力與較高的管網(wǎng)阻力，夾在曲線a和曲線b之間的橢圓區(qū)域?yàn)橛脩粼诩抑谐Ｓ玫膶?shí)際工況。在實(shí)際工況下，單風(fēng)機(jī)曲線高于雙風(fēng)機(jī)曲線的部分略大，代表著單風(fēng)機(jī)能抵抗阻力的能力更優(yōu)，因此在實(shí)際工況下認(rèn)為單風(fēng)機(jī)略優(yōu)于雙風(fēng)機(jī)。

通過調(diào)整轉(zhuǎn)速，對(duì)同最大風(fēng)量狀態(tài)下的單風(fēng)機(jī)與雙風(fēng)機(jī)吸油煙機(jī)繼續(xù)進(jìn)行測試。以單風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量為基準(zhǔn)，單風(fēng)機(jī)吸油煙機(jī)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持920rpm不變，把雙風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速從920rpm調(diào)低至680rpm，目的是讓雙風(fēng)機(jī)與單風(fēng)機(jī)在最大風(fēng)量相近的情況下對(duì)比兩個(gè)系統(tǒng)的靜壓差異。如圖7所示為根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果繪制的P-Q曲線圖，可見單風(fēng)機(jī)的靜壓始終比雙風(fēng)機(jī)大，并且在橢圓區(qū)實(shí)際工況內(nèi)，單風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的靜壓要比雙風(fēng)機(jī)大許多，意味著單風(fēng)機(jī)在同風(fēng)量的狀態(tài)下能抵抗更大的管網(wǎng)阻力。

綜上所述：在轉(zhuǎn)速相同的情況下，雖然雙風(fēng)機(jī)吸油煙機(jī)的最大風(fēng)量較高，但是最大風(fēng)量是在實(shí)驗(yàn)室中測得的沒有后端阻力的理想風(fēng)量。在用戶實(shí)際使用的情況下，管網(wǎng)阻力不會(huì)為0，因此不會(huì)達(dá)到最大風(fēng)量的狀態(tài)。吸油煙機(jī)后端彎曲的煙管，位于較低樓層上排油煙的狹長管道，以及公共煙道的堵塞等現(xiàn)象[4]，都會(huì)導(dǎo)致較高的管網(wǎng)阻力。而雙風(fēng)機(jī)吸油煙機(jī)在用戶家中常用的實(shí)際工況下，抵抗阻力的能力不及單風(fēng)機(jī)，導(dǎo)致風(fēng)量不能得到有效提高。

5 結(jié)語

本文通過理論、仿真和實(shí)驗(yàn)三個(gè)方面，對(duì)雙風(fēng)機(jī)吸油煙機(jī)的風(fēng)量與靜壓，與單風(fēng)機(jī)吸油煙機(jī)進(jìn)行對(duì)比分析，得到了以下結(jié)論：

（1）雙風(fēng)機(jī)并聯(lián)工作的吸油煙機(jī)，其最大靜壓相近，最大風(fēng)量提高。但是在實(shí)際用戶工況下，雙風(fēng)機(jī)吸油煙機(jī)抵抗管網(wǎng)阻力的能力略差，導(dǎo)致風(fēng)量并不能得到有效提升。

（2）雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)由于存在兩個(gè)吸風(fēng)口，負(fù)壓區(qū)被分散成兩個(gè)。在同風(fēng)量情況下，會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)吸風(fēng)口處的負(fù)壓區(qū)都偏小，捕煙效果要比單風(fēng)機(jī)差。

（3）雙風(fēng)機(jī)吸油煙機(jī)由于多了一個(gè)風(fēng)機(jī)，成本上升，而性能卻不能得到有效的提高。其性價(jià)比較低，因此目前市面上的雙風(fēng)機(jī)吸油煙機(jī)非常少見。