黃樸 劉偉龍 肖林輝 烏勝斌

廣東中山百得廚衛(wèi)有限公司 廣東中山 528478

1 引言

現(xiàn)代社會(huì)，中國(guó)人民的烹飪手法及烹飪菜式越來(lái)越具有多樣性，相比于歐美國(guó)家，中國(guó)對(duì)低噪聲、強(qiáng)吸力、高效率的吸油煙機(jī)有著更強(qiáng)的需求。從現(xiàn)階段的研究成果來(lái)看，眾多學(xué)者利用流體仿真軟件對(duì)吸油煙機(jī)風(fēng)量、靜壓、噪聲及吸煙效果進(jìn)行了模擬，為其優(yōu)化提供了理論支持并極大地縮短了研發(fā)周期。在不考慮吸油煙機(jī)所受的管道阻力情況下，各工程師結(jié)合仿真技術(shù)通過(guò)優(yōu)化風(fēng)輪、風(fēng)柜、箱體結(jié)構(gòu)，均能很好的降低吸油煙機(jī)噪聲，并且能對(duì)吸煙效果進(jìn)行很好的預(yù)測(cè)[1-4]。然而吸油煙機(jī)在實(shí)際工作情況下由于受到彎折煙管及公共煙道的影響，往往會(huì)承受很大的管道阻力，這就給模擬仿真的準(zhǔn)確性帶來(lái)很大的影響，所以在高管道阻力下如何優(yōu)化仿真模型和仿真方法，提高仿真準(zhǔn)確性并指導(dǎo)實(shí)際的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作成為了不可避免的問(wèn)題。

基于FLUENT穩(wěn)態(tài)求解對(duì)吸油煙機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，如果在出口處設(shè)為壓力出口并直接施加壓力，會(huì)導(dǎo)致求解無(wú)法收斂且計(jì)算結(jié)果有很大誤差值。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 17713-2011將風(fēng)量測(cè)試的減壓筒模型加入仿真模型中，通過(guò)不斷調(diào)節(jié)減壓筒出口面積來(lái)模擬各個(gè)高管道阻力的工況，對(duì)其氣動(dòng)性能、噪聲及吸煙效果進(jìn)行了模擬并與實(shí)際測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，其中通過(guò)兩種模擬方式結(jié)合使得氣動(dòng)性能模擬值與實(shí)測(cè)值在各個(gè)工況點(diǎn)誤差值在7%左右，吸煙效果模擬與實(shí)測(cè)比較吻合，而由于FLUENT軟件噪聲模擬方法的局限性，噪聲模擬值與實(shí)測(cè)值有較大差異，不過(guò)與管道阻力增加的變化趨勢(shì)基本一致。

2 數(shù)值建模

將我司一款歐式煙機(jī)進(jìn)行整機(jī)模型簡(jiǎn)化，得到仿真模型如圖1所示。在處理模型出口域時(shí)，通常將煙機(jī)出口段進(jìn)行延長(zhǎng)以防止回流，對(duì)于模型進(jìn)口域的處理，需將其壓力進(jìn)口邊界做得足夠遠(yuǎn)，網(wǎng)格數(shù)量劃分也需要做得比較精細(xì)，以防止在高背壓情況下容易在壓力進(jìn)口邊界產(chǎn)生大的回流，從而導(dǎo)致計(jì)算無(wú)法收斂。傳統(tǒng)模型如圖1a）所示，在零管道阻力下傳統(tǒng)模型得到的模擬數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，然而在高管道阻力的情況下，直接在出口處施加壓力將會(huì)產(chǎn)生很大誤差，計(jì)算無(wú)法收斂，所以傳統(tǒng)模型將不再適用，需引用新的模型。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 17713-2011吸油煙機(jī)測(cè)試裝置，將模型出口域用減壓筒模型處理，新模型如圖1b）所示。減壓筒參數(shù)圖如圖2所示，氣流通過(guò)十字整流器、擴(kuò)散段、調(diào)節(jié)器、減壓段從出口D0排出，通過(guò)調(diào)節(jié)D0面積可以模擬各個(gè)高管道阻力的工況點(diǎn)，減壓段分布四個(gè)均勻的靜壓取壓孔，可以監(jiān)測(cè)具體靜壓值，在減壓筒出口處可以監(jiān)測(cè)風(fēng)量值。同時(shí)，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 17713-2011吸油煙機(jī)風(fēng)量計(jì)算方法，通過(guò)監(jiān)測(cè)減壓段的模擬靜壓值，再利用試驗(yàn)空氣密度公式（1）和試驗(yàn)風(fēng)量公式（2）也可以計(jì)算得到模擬風(fēng)量值。測(cè)試環(huán)境溫度取27.5℃，環(huán)境氣壓取101520 Pa，十字整流器直徑d取176 mm，減壓筒直徑D取462 mm，孔板系數(shù)α由各工況點(diǎn)開(kāi)孔直徑D0與減壓筒直徑D的比值所決定（據(jù)國(guó)標(biāo)可查）。

圖1 仿真模型

圖2 減壓筒參數(shù)圖

式（1）中：

ρa(bǔ)-試驗(yàn)條件下的空氣密度（kg/m3）；

θa-環(huán)境溫度（℃）；

Pba-環(huán)境氣壓（Pa）。

式（2）中：

qv-試驗(yàn)工況下的風(fēng)量（m3/s）；

α-孔板系數(shù)；

D0-孔板開(kāi)孔尺寸（m）；

Ps6-減壓筒內(nèi)靜壓（Pa）。

3 數(shù)值分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

基于FLUENT，采用SSTk-ω湍流模型結(jié)合SIMPLEC速度-壓力算法穩(wěn)態(tài)求解吸油煙機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)，離散格式采用二階迎風(fēng)格式，旋轉(zhuǎn)域采用MRF多重參考系，動(dòng)域與靜域的交界面采用interface，進(jìn)出口均采用壓力邊界條件[5,6]。噪聲的模擬計(jì)算可采用經(jīng)典FW-H聲學(xué)方程，在得到穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)后，利用Smagorinsky-Lilly LES湍流模型結(jié)合PISO速度-壓力算法瞬態(tài)求解吸油煙機(jī)遠(yuǎn)處噪聲場(chǎng)，動(dòng)靜域之間的耦合采用滑移網(wǎng)格Mesh Motion，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為0.005 s，每個(gè)時(shí)間步計(jì)算40迭代步，最后通過(guò)傅里葉變換得到噪聲的頻域解[4]。吸煙效果的模擬需打開(kāi)Species Transport組分運(yùn)輸模型進(jìn)行計(jì)算，材料選擇與油煙組分相似的fuel-oil-air氣體，其中將C19H30質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)為0.05，鍋底設(shè)為速度入口，油煙上浮速度取0.05 m/s，溫度取160℃[7]。

3.1 氣動(dòng)性能分析

吸油煙機(jī)采用恒扭矩交流電機(jī)，所以隨著管道阻力的增大其旋轉(zhuǎn)速度也會(huì)越來(lái)越快，在模擬過(guò)程中不同的工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的轉(zhuǎn)速，其轉(zhuǎn)速和氣動(dòng)性能關(guān)系如表1所示。利用F-401-025風(fēng)量測(cè)量試驗(yàn)裝置對(duì)外排式吸油煙機(jī)進(jìn)行風(fēng)量和靜壓的實(shí)際測(cè)試，并與風(fēng)量靜壓模擬值進(jìn)行對(duì)比，得出吸油煙機(jī)風(fēng)量靜壓曲線（P-Q曲線）如圖3所示。從圖3中可以看出，模擬值和實(shí)測(cè)值雖然有一定誤差，但其變化趨勢(shì)是一致的，吸油煙機(jī)在低管道阻力0～150 Pa下，其風(fēng)量的模擬監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)很接近，誤差值在3%以內(nèi)，其風(fēng)量的模擬計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有較大誤差，誤差值達(dá)到了20%，而靜壓模擬值比實(shí)測(cè)值偏小了13 Pa左右。吸油煙機(jī)在高管道阻力150～400 Pa下，風(fēng)量模擬監(jiān)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的誤差值隨著背壓增加而加大，達(dá)到15%，而風(fēng)量的模擬計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)很吻合，誤差值在7%以內(nèi)，而靜壓模擬值與實(shí)際值誤差有所減少，基本保持在10%左右。當(dāng)風(fēng)量為0 m3?min-1，此時(shí)處于全堵?tīng)顟B(tài)即模擬時(shí)沒(méi)有出口設(shè)置，此時(shí)計(jì)算仍能收斂并仍能較好的模擬出最大靜壓值，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)誤差值為8%，表明此模型對(duì)氣動(dòng)性能模擬的通用性很高。綜上所述，在低管道阻力下監(jiān)測(cè)減壓筒出口風(fēng)量值，在高管道阻力下監(jiān)測(cè)減壓筒靜壓值而計(jì)算出風(fēng)量值，通過(guò)兩種模擬方法的結(jié)合對(duì)吸油煙機(jī)氣動(dòng)性能具有很好的可預(yù)測(cè)性。

圖3 P-Q曲線

表1 轉(zhuǎn)速和氣動(dòng)性能表

3.2 噪聲場(chǎng)分析

基于FW-H聲學(xué)方程對(duì)吸油煙機(jī)在不同管道阻力33 Pa、209 Pa、295 Pa下進(jìn)行了遠(yuǎn)場(chǎng)聲場(chǎng)的模擬計(jì)算，設(shè)置噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)A坐標(biāo)為（0，-1，1）。同理，利用AWA6290L多通道信號(hào)分析儀在半消聲室內(nèi)對(duì)吸油煙機(jī)進(jìn)行了實(shí)際的噪聲測(cè)量，得到噪聲頻譜對(duì)比圖如圖4所示。從圖4中可以看出在低管道阻力33 Pa下，葉片倍頻噪聲和氣流渦流噪聲的模擬值和實(shí)測(cè)值有較好的匹配度，葉片的倍頻噪聲出現(xiàn)在660 Hz左右，與由轉(zhuǎn)速、葉片數(shù)量實(shí)際計(jì)算出來(lái)的基頻一致。隨著管道阻力增加，模擬噪聲頻譜會(huì)出現(xiàn)很大的波動(dòng)，與實(shí)際噪聲頻譜有較大的差異，葉片的倍頻噪聲出現(xiàn)的并不明顯，此時(shí)氣流的渦流噪聲占主導(dǎo)地位。

圖4 噪聲頻譜對(duì)比圖

對(duì)于連續(xù)的噪聲頻譜信號(hào)，要求出每一頻率成分的幅值是不必要的，可以把某一范圍的頻率劃分成若干小的頻率段，求出聲信號(hào)在各頻率段的中心頻率的幅值即可，當(dāng)頻率段的下限頻率和上限頻率的比值為確定的比值2n，則稱(chēng)為n倍頻程[8]，噪聲的倍頻程圖如圖5所示。從圖5中可以比較清晰的看到，低管道阻力下，模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)雖有一定的誤差，但是基本趨勢(shì)保持一致，隨著管道阻力的增加，在低頻區(qū)0～500 Hz之間，模擬數(shù)據(jù)聲壓會(huì)有一個(gè)比較大的下降，在中頻區(qū)500～1000 Hz聲壓上升，最后在高頻區(qū)1000～2000 Hz聲壓保持平穩(wěn)，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有較好的匹配度。將模擬噪聲值與實(shí)際的噪聲值進(jìn)行對(duì)比，得到噪聲對(duì)比圖如圖6所示，從圖6中可以看出各管道阻力下模擬噪聲值均小于實(shí)際測(cè)試值，誤差保持在10%左右。由于目前旋轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)噪聲計(jì)算的準(zhǔn)確度對(duì)于整個(gè)行業(yè)來(lái)說(shuō)都是一個(gè)比較難解決的問(wèn)題，所以對(duì)于噪聲的計(jì)算，我們通常會(huì)根據(jù)模擬值的變化趨勢(shì)去預(yù)測(cè)實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)。隨著管道阻力的增加，模擬噪聲的上升趨勢(shì)與實(shí)測(cè)噪聲的上升趨勢(shì)基本一致，從側(cè)面反映了噪聲模擬方法的正確性。

圖5 噪聲的倍頻程頻譜

圖6 噪聲數(shù)值圖

3.3 吸煙效果分析

基于組分運(yùn)輸方程Species Transport對(duì)吸油煙機(jī)在不同管道阻力33 Pa、209 Pa、295 Pa下進(jìn)行吸煙效果的模擬分析，吸煙效果仿真模型如圖7所示，窗戶設(shè)為壓力進(jìn)口，作為房間的進(jìn)氣來(lái)源，通過(guò)觀察C19H30質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)分析吸煙效果。C19H30質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖如圖8所示，從圖8中可以看出在33 Pa、209 Pa、295 Pa管道阻力下均能保證較好的吸煙效果，隨著管道阻力的增加，吸油煙機(jī)吸力減弱，C19H30有擴(kuò)散的趨勢(shì)，但仍能保持在集煙罩的攏煙區(qū)內(nèi)，對(duì)應(yīng)表1可知，當(dāng)吸油煙機(jī)風(fēng)量保持在10 m3?min-1以上時(shí)便能保持良好的吸煙效果。在更高管道阻力（361 Pa）進(jìn)行吸煙效果模擬時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)FLUENT軟件出現(xiàn)浮動(dòng)精度報(bào)錯(cuò)，此時(shí)基于此模型的穩(wěn)態(tài)算法已無(wú)法對(duì)煙機(jī)內(nèi)部混亂流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)管道阻力達(dá)到一定值時(shí)，此模擬方法及模型也具有一定的局限性。對(duì)吸油煙機(jī)在不同管道阻力下的吸煙效果進(jìn)行了實(shí)際的測(cè)試，吸煙效果測(cè)試圖如圖9所示，從圖9中可以看出，隨著管道阻力的增加，吸煙效果會(huì)逐漸的減弱，在高管道阻力下油煙會(huì)稍有發(fā)散的趨勢(shì)，與模擬結(jié)果相匹配，試驗(yàn)證明此吸煙效果模擬方法對(duì)實(shí)際吸煙效果的預(yù)測(cè)有一定的可靠性。

圖7 吸煙效果仿真模型

圖8 C19H30質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖

圖9 吸煙效果測(cè)試圖

4 結(jié)論

通過(guò)在仿真模型出口域增加減壓筒模型，解決了基于FLUENT穩(wěn)態(tài)算法在高管道阻力下仿真無(wú)法收斂且誤差較大的問(wèn)題，得到結(jié)論如下：

（1）在低管道阻力下監(jiān)測(cè)出口風(fēng)量，在高管道阻力下利用減壓筒模型計(jì)算公式算出風(fēng)量值，兩種方法相結(jié)合對(duì)吸油煙機(jī)氣動(dòng)性能的預(yù)測(cè)有較好的準(zhǔn)確性，誤差在7%以內(nèi)。

（2）基于大渦模擬結(jié)合FW-H噪聲場(chǎng)算法對(duì)于吸油煙機(jī)在高管道阻力下的噪聲變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)有比較好的準(zhǔn)確性，由于行業(yè)內(nèi)旋轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)噪聲模擬方法的局限性，噪聲模擬值與實(shí)測(cè)值誤差在10%左右。

（3）基于組分運(yùn)輸方程對(duì)吸油煙機(jī)的吸煙效果的模擬有較好的準(zhǔn)確性，在高管道阻力下，只要保證風(fēng)量在10 m3?min-1以上便能取得良好的吸煙效果，當(dāng)管道阻力超過(guò)361 Pa時(shí)，吸煙效果的計(jì)算已無(wú)法收斂，表明此模擬方法具有一定局限性。