宮偉 張曉棠 張蕊

（1.青島海爾智能技術(shù)研發(fā)有限公司，山東青島 266101；2.數(shù)字化家電國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266101）

隨著我國(guó)居民生活條件的改善，人們對(duì)健康環(huán)境的要求越來(lái)越高。廚房中式烹飪過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量油煙，導(dǎo)致廚房室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量比較低。近年來(lái)，人們對(duì)廚房環(huán)境質(zhì)量也越來(lái)越重視。當(dāng)前，廚房室內(nèi)污染物主要依靠吸油煙機(jī)凈化后排出，吸油煙機(jī)是依據(jù)熱羽流升騰原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的，主要包括風(fēng)箱、集煙罩、油煙凈化設(shè)備、煙道等部件[1,2]。通過(guò)吸油煙機(jī)市場(chǎng)用戶調(diào)研，油煙機(jī)吸不凈，尤其從集煙罩兩側(cè)跑煙問(wèn)題是用戶的一大痛點(diǎn)。吸得凈、不跑煙已是目前消費(fèi)者關(guān)注的重點(diǎn)。許多相關(guān)機(jī)構(gòu)研究人員對(duì)此進(jìn)行了深入研究，蔣磊等[3]研究了近吸式吸油煙機(jī)兩側(cè)攏煙效果的差異；史漫興對(duì)風(fēng)幕油煙機(jī)攏煙效果的評(píng)價(jià)和優(yōu)化進(jìn)行了深入研究[4]；管?chē)?guó)虎等研究了吸油煙機(jī)不同安裝高度下的排煙效果[5]。

為了解決家用油煙機(jī)油煙外溢的問(wèn)題，本文提出了一種基于CFD 技術(shù)的射流負(fù)壓風(fēng)幕控制油煙污染物擴(kuò)散方法，分別研究了噴口形狀、噴口個(gè)數(shù)、噴口角度、噴口位置、噴口氣流速度及方向?qū)τ蜔煓C(jī)性能及廚房環(huán)境的影響，最終獲得了有效控制油煙污染物擴(kuò)散的家用油煙機(jī)射流負(fù)壓風(fēng)幕設(shè)計(jì)最佳參數(shù)。

1 問(wèn)題分析

家用吸油煙機(jī)距離灶面的安裝高度有一定要求，頂吸歐式機(jī)一般為650 mm～850 mm，假設(shè)熱源為灶具上的炒鍋，鍋內(nèi)放入植物油油面直徑D 為0.24 m,油面至灶臺(tái)高度為0.1 m，吸油煙機(jī)的安裝高度0.7 m，吸油煙機(jī)下沿距油面的距離d1為0.6 m，抽油煙機(jī)為高傘型罩［6］。當(dāng)熱羽流向上流動(dòng)時(shí)，卷吸周?chē)諝庑纬傻臒嵊鹆髦睆郊翱倸饬髁慷茧S升騰高度的增加而增加。熱羽流在吸油煙機(jī)集煙罩下沿的直徑Dc 可由下式計(jì)算[7]：

式中：d1為吸油煙機(jī)下沿距離油面的距離，單位：m；d2為油面到地面距離，單位：m。

Dc 也可按中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)研究院衛(wèi)生所提出的公式計(jì)算[7]：

若再考慮熱羽流上升過(guò)程的偏斜、外界橫向氣流、吸油煙機(jī)集煙罩吸口中心與灶具中心的對(duì)正誤差等影響因素，實(shí)際熱羽流直徑會(huì)比現(xiàn)有集煙罩尺寸大的多，這是目前吸油煙機(jī)集煙罩尺寸難以達(dá)到的。吸油煙機(jī)內(nèi)部的離心風(fēng)機(jī)運(yùn)行會(huì)在集煙罩吸風(fēng)口處產(chǎn)生負(fù)壓，對(duì)油煙的捕集可近似地看成點(diǎn)匯形式抽吸。在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中，許多研究人員都曾對(duì)各種吸氣口的氣流規(guī)律進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究。吸氣口外某點(diǎn)處氣流速度與該點(diǎn)距吸氣口距離的平方成反比，控制點(diǎn)遠(yuǎn)離吸氣口時(shí)，控制速度呈指數(shù)下降，使吸風(fēng)所影響的區(qū)域范圍變得很小，所以吸油煙機(jī)安裝高度距離污染源越近，吸油煙效果就越好[8]。然而，由于烹飪?nèi)藛T身高的限制，吸油煙機(jī)的安裝高度不能過(guò)低，安裝高度過(guò)低會(huì)妨礙烹飪過(guò)程，這就導(dǎo)致油煙機(jī)集煙罩兩側(cè)不可避免的有油煙外溢的現(xiàn)象。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 幾何模型

本文簡(jiǎn)化了廚房空間模型，該模型主要包括吸油煙機(jī)、灶臺(tái)、炊具簡(jiǎn)化模型，在灶臺(tái)面設(shè)置兩個(gè)進(jìn)風(fēng)口來(lái)簡(jiǎn)化模擬炊具模型，代表油煙氣流入口。本文通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要研究射流氣幕不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)集煙罩兩側(cè)攏煙效果的影響，吸油煙機(jī)簡(jiǎn)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，主要針對(duì)吸油煙機(jī)外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。

為提高吸油煙機(jī)集煙罩兩側(cè)吸煙能力，在集煙罩的下表面兩側(cè)安裝縫隙式射流孔，如圖1所示。未安裝整縫隙式射流孔時(shí)，部分油煙會(huì)從吸油煙機(jī)集煙罩兩端側(cè)面向外逃逸；安裝整縫隙式射流孔時(shí)后，煙氣到達(dá)吸油煙機(jī)集煙罩下表面兩側(cè)時(shí)，會(huì)在射流卷吸作用下被吸入吸油煙機(jī)內(nèi)部，經(jīng)凈化后排出。

圖1 吸油煙機(jī)和縫隙式射流孔

2.2 計(jì)算模型

本研究采用商用CFD 仿真軟件star ccm+求解，運(yùn)用realizable k-E 湍流模型進(jìn)行三維不可壓縮流體求解計(jì)算。在本計(jì)算中對(duì)流場(chǎng)做了如下假設(shè)：流場(chǎng)為氣體，且密度恒定，氣體不可壓縮，忽略重力、浮力影響，不考慮環(huán)境溫度。

基于如上假設(shè)，流場(chǎng)須滿足質(zhì)量守恒與動(dòng)量守恒，即滿足連續(xù)方程與動(dòng)量方程。

2.2.1 連續(xù)性方程

2.2.2 動(dòng)量方程

2.3 網(wǎng)格生成及邊界條件

本算例中網(wǎng)格為star ccm+經(jīng)典的12 面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)約為1 700 萬(wàn)，網(wǎng)格精度較高，其中縫隙式射流孔進(jìn)行了局部加密。流動(dòng)控制方程在空間上的離散采用有限容積法，其中對(duì)流項(xiàng)的守恒部分、擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng)采用二階中心差分格式，非守恒部分采用二階迎風(fēng)格式，在方程求解過(guò)程中，采用多重網(wǎng)格技術(shù)加快計(jì)算的收斂，當(dāng)求解變量的最大殘差小于10-4時(shí)，認(rèn)為計(jì)算收斂。inlet1，inlet2 縫隙式射流噴口設(shè)置表壓力20 Pa；inlet3，inlet4 模擬簡(jiǎn)化炊具，設(shè)置速度1 m/s，方向垂直向上，壓力101 325 Pa，溫度500 K；outlet 為油煙機(jī)出口，設(shè)置溫度為 293.15 K，真空度 80 Pa。具體的數(shù)值計(jì)算用吸油煙機(jī)模型如圖2 所示。

圖2 吸油煙機(jī)數(shù)值計(jì)算幾何模型

3 結(jié)果與分析

射流負(fù)壓風(fēng)幕結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)吸油煙控制油煙污染物的逃逸具有重要的影響，在本文研究中，在原型機(jī)的基礎(chǔ)上分別設(shè)計(jì)了7 種射流負(fù)壓風(fēng)幕方案，分別研究了噴口形狀、噴口個(gè)數(shù)、噴口角度、噴口位置、噴口氣流速度及方向?qū)τ蜔煓C(jī)性能及廚房環(huán)境的影響，吸油煙機(jī)風(fēng)量范圍根據(jù)吸油煙機(jī)不同檔位的風(fēng)量確定。射流負(fù)壓風(fēng)幕安裝在原型機(jī)集煙罩兩側(cè)邊緣位置，原型機(jī)和帶方案1 負(fù)壓風(fēng)幕的原型機(jī)壓力分布圖（數(shù)值計(jì)算結(jié)果）如圖3 所示，從原型機(jī)和帶方案1 負(fù)壓風(fēng)幕的原型機(jī)壓力分布圖可以看出，相比原型機(jī)，帶有負(fù)壓風(fēng)幕集煙罩兩側(cè)負(fù)壓區(qū)外擴(kuò)下移，輔助捕煙效果明顯，負(fù)壓風(fēng)幕比原型機(jī)具有更好的攏煙效果，可以減少集煙罩兩側(cè)跑煙的問(wèn)題。

圖3 原型機(jī)和帶方案1 負(fù)壓風(fēng)幕的原型機(jī)壓力分布圖（數(shù)值計(jì)算結(jié)果）

本研究在方案1 的基礎(chǔ)上，又優(yōu)化設(shè)計(jì)了其他6 個(gè)方案，研究了噴口形狀、噴口個(gè)數(shù)、噴口角度、噴口的位置、噴口氣流速度及方向?qū)τ谟蜔煓C(jī)攏煙效果的影響，具體參數(shù)如表1 所示。方案2 是在方案1 的基礎(chǔ)上，將單個(gè)噴口增加到兩個(gè)噴口，研究了噴口的個(gè)數(shù)對(duì)攏煙效果的影響。方案3 是在方案1 的基礎(chǔ)上在出口位置增加了鼓包設(shè)計(jì)，研究了噴口的形狀對(duì)攏煙效果的影響。方案4 和方案5 是在方案3 的基礎(chǔ)上改變了噴口的噴射角度，方案4 是噴射角度向里旋轉(zhuǎn)10°，方案5 是噴射角度向外旋轉(zhuǎn)10°，研究了噴口的噴射角度對(duì)攏煙效果的影響。方案6 和方案7 是在方案3 的基礎(chǔ)上，將單個(gè)噴口的個(gè)數(shù)增加到方案6 的兩個(gè)噴口和方案7 的三個(gè)噴口，研究噴口個(gè)數(shù)和噴口位置對(duì)攏煙效果的影響。

表1 方案1—方案7 結(jié)構(gòu)圖及設(shè)計(jì)參數(shù)

方案1—方案7 的油煙逃逸速度矢量圖（數(shù)值計(jì)算結(jié)果）如圖4 所示。對(duì)比方案1 和方案2 的油煙逃逸速度矢量圖可以看出，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)保持不變的基礎(chǔ)上，僅將噴口的數(shù)量由單個(gè)改為兩個(gè)，對(duì)攏煙效果的提升影響不大；方案3 是在方案1 的基礎(chǔ)上在出口位置增加了鼓包設(shè)計(jì)，改變了噴口的形狀，對(duì)比方案1 和方案3 的油煙逃逸速度矢量圖可以看出，在出口位置增加鼓包設(shè)計(jì)，有助于提高攏煙效果。原因可能是方案3結(jié)構(gòu)具有節(jié)流出風(fēng)口和科恩達(dá)面，節(jié)流出風(fēng)口產(chǎn)生高速薄空氣層，由于附壁效應(yīng)空氣層吸附到科恩達(dá)面，流動(dòng)方向改變，沿著科恩達(dá)面進(jìn)入出風(fēng)孔，此過(guò)程導(dǎo)致附近產(chǎn)生低壓區(qū)域，吸引大量周?chē)諝膺M(jìn)入，從而提高了攏煙效果。

圖4 方案1—方案7 油煙逃逸速度矢量圖（數(shù)值計(jì)算結(jié)果）

方案4 和方案5 是在方案3 的基礎(chǔ)上改變了噴口的噴射角度，方案4 是噴射角度向里旋轉(zhuǎn)10°，方案5 是噴射角度向外旋轉(zhuǎn)10°，對(duì)比方案3、方案4 及方案5 油煙逃逸速度矢量圖可以看出，方案3 的噴射角度30°攏煙效果最佳；方案6 和方案7 是在方案3 的基礎(chǔ)上，將單個(gè)噴口的個(gè)數(shù)增加到方案6 的兩個(gè)噴口和方案7 的三個(gè)噴口，通過(guò)對(duì)比方案3、方案6 及方案7 油煙逃逸速度矢量圖可以看出，兩個(gè)噴口和三個(gè)噴口對(duì)攏煙效果的提升影響不大，說(shuō)明僅將噴口的數(shù)量由單個(gè)改為兩個(gè)或多個(gè)，對(duì)攏煙效果的提升影響不大，分析結(jié)果同對(duì)比方案1和方案2 結(jié)論一致。從方案1—方案7 的油煙逃逸速度矢量圖可以看出，設(shè)計(jì)方案3 是最優(yōu)方案，攏煙效果最佳，即設(shè)計(jì)的噴口速度13 m/s，與水平方向夾角為30°時(shí)，對(duì)油煙的溢流效果最明顯。方案1—方案7 射流最大氣流速度和速度方向如表2 所示。

表2 方案1—方案7 射流最大氣流速度和速度方向

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證仿真結(jié)果，根據(jù)最終優(yōu)化方案3 設(shè)計(jì)打樣射流模塊，選取一臺(tái)原型吸油煙機(jī)，在集煙罩兩側(cè)加裝方案3射流模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。射流模塊實(shí)物圖及在油煙機(jī)上的安裝位置如圖5 所示。

圖5 射流模塊實(shí)物圖及在油煙機(jī)上的安裝位置

從圖6 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，發(fā)煙設(shè)備置于油煙機(jī)集煙罩側(cè)面下方外側(cè)發(fā)煙時(shí)，油煙機(jī)以最高檔位運(yùn)行，當(dāng)在射流負(fù)壓風(fēng)幕不開(kāi)啟的狀態(tài)下，油煙無(wú)法被油煙機(jī)吸走，當(dāng)射流負(fù)壓風(fēng)幕開(kāi)啟時(shí)，油煙在上升過(guò)程中被油煙機(jī)吸走，明顯改善了油煙逃逸問(wèn)題。

圖6 實(shí)驗(yàn)測(cè)試圖

5 結(jié)論

為了解決家用油煙機(jī)油煙外溢的問(wèn)題，本文提出了一種基于CFD 技術(shù)的射流負(fù)壓風(fēng)幕控制油煙污染物擴(kuò)散方法，分別研究了噴口形狀、噴口個(gè)數(shù)、噴口角度、噴口位置、噴口氣流速度及方向?qū)τ蜔煓C(jī)性能及廚房環(huán)境的影響，最終獲得了有效控制油煙污染物擴(kuò)散的家用油煙機(jī)射流負(fù)壓風(fēng)幕設(shè)計(jì)參數(shù)。通過(guò)仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，獲得主要結(jié)論如下：（1）通過(guò)數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的比較，定性地證實(shí)了本文數(shù)值計(jì)算方法和計(jì)算模型的有效性。（2）仿真結(jié)果分析表明，僅將噴口的數(shù)量由單個(gè)改為兩個(gè)或多個(gè)，對(duì)攏煙效果的提升影響不大；在出口位置增加鼓包設(shè)計(jì)，有助于提高攏煙效果；從方案1—方案7 油煙逃逸速度矢量圖可以看出，設(shè)計(jì)方案3是最優(yōu)方案，攏煙效果最佳，即設(shè)計(jì)的噴口速度13 m/s，與水平方向夾角為30°時(shí)，對(duì)油煙的溢流效果最明顯。（3）通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，在原型機(jī)上改裝射流負(fù)壓風(fēng)幕，通過(guò)對(duì)比射流負(fù)壓風(fēng)幕不開(kāi)啟和開(kāi)啟兩種狀態(tài)，當(dāng)在射流負(fù)壓風(fēng)幕不開(kāi)啟的狀態(tài)下，油煙無(wú)法被油煙機(jī)吸走，當(dāng)射流負(fù)壓風(fēng)幕開(kāi)啟時(shí)，油煙在上升過(guò)程中被油煙機(jī)吸走，明顯改善了油煙逃逸問(wèn)題。