王淼 張育瑞

江蘇龍騰工程設(shè)計(jì)股份有限公司 江蘇 南京 210000

引言

廚房作為住宅建筑的重要組成部分之一，也是各種生活設(shè)備相對(duì)比較集中、污染物散發(fā)相對(duì)比較嚴(yán)重的區(qū)域。尤其在烹飪的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的有害氣體，比如NOx、CO和CO2等，以上這些有害氣體嚴(yán)重影響了廚房?jī)?nèi)部的清潔衛(wèi)生和室內(nèi)空氣品質(zhì)[1]；一旦廚房發(fā)生煤氣的泄漏， 很容易發(fā)生比較嚴(yán)重的安全事故。因此，我們必須采用合理氣流組織及足夠的通風(fēng)換氣量來(lái)保證廚房的衛(wèi)生條件，使之既能有效地排放有害氣體，同時(shí)又能減少室內(nèi)冷（熱）負(fù)荷。相關(guān)文獻(xiàn)[2]從室內(nèi)空氣污染對(duì)室內(nèi)人員的危害程度、廚房污染物的成分以及對(duì)人體健康的危害程度、不同通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)、機(jī)械通風(fēng)下廚房及衛(wèi)生間的氣流組織情況、不同風(fēng)量下的廚房區(qū)域油煙濃度場(chǎng)等方面進(jìn)行了研究。本文通過(guò)CFD-fluent 6.2數(shù)值模擬軟件對(duì)窗口與油煙機(jī)不同距離廚房污染物分布進(jìn)行CFD模擬分析，并與實(shí)測(cè)污染物濃度進(jìn)行對(duì)比。

1 實(shí)測(cè)廚房尺寸及相關(guān)數(shù)據(jù)

1.1 結(jié)構(gòu)模型

廚房的布局為規(guī)則的方形結(jié)構(gòu)。廚房長(zhǎng)3.4m，寬2.1m，高2.4m。廚房?jī)?nèi)設(shè)有門(mén)、窗及常用的廚具設(shè)備。廚房?jī)?nèi)部的主要污染源在灶臺(tái)處，灶臺(tái)處的油煙主要依靠油煙機(jī)抽吸排至煙道。假設(shè)廚房門(mén)為關(guān)閉狀態(tài)，模擬軟件中將門(mén)設(shè)置為Wall，在油煙機(jī)機(jī)械排風(fēng)的條件下，設(shè)定窗為打開(kāi)狀態(tài)。灶臺(tái)正上方抽油煙機(jī)完成負(fù)壓排風(fēng)。操作人員簡(jiǎn)化為1.6m×0.25m×0.25m的長(zhǎng)方體模型，設(shè)定灶臺(tái)高度為0.8m，設(shè)定油煙機(jī)的安裝高度為1.6m，排風(fēng)口設(shè)定為0.3m×0.3m。

1.2 數(shù)學(xué)模型

模擬的數(shù)學(xué)模型作如下處理：

1.2.1 廚房的內(nèi)部四周墻壁定義為絕熱壁。

1.2.2 廚房的通風(fēng)設(shè)為定常流；符合Boussinesq假設(shè)（考慮浮升的影響）。

1.2.3 廚房?jī)?nèi)產(chǎn)生的污染物的主要成分是一氧化碳和二氧化碳，且氣體具有一定的溫度，所以我們采用組分傳輸來(lái)進(jìn)行模擬分析。

1.2.4 本文采用有限元法的數(shù)值模擬方法，利用SIMPLE算法對(duì)方程進(jìn)行離散求解，運(yùn)用T-Gird四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并在重要區(qū)域進(jìn)行局部加密處理，可以提高計(jì)算精度。

根據(jù)流體力學(xué)相關(guān)理論，其數(shù)學(xué)模型[3]可以描述為如下：

連續(xù)方程：

運(yùn)動(dòng)方程：

其中應(yīng)力張量為：

能量方程：

擴(kuò)散方程：

其中，iu為流體在ix方向上的速度分量，ρ為流體密度，h為靜態(tài)焓，μ為流體的動(dòng)力黏性度，k為分子導(dǎo)熱率，iJ為由于濃度梯度引起的組分i的平均濃度。

1.3 邊界條件

其中進(jìn)口條件為：設(shè)定直徑為250mm的燃?xì)庠睿p眼）為速度入口，速度假定為0.5m/s，溫度設(shè)定313K，設(shè)定一氧化碳的組分含量為0.5%，設(shè)定二氧化碳的組分含量為9%，設(shè)定污染源在排風(fēng)口正下方，距離油煙機(jī)的排風(fēng)口為0.7m。

出口條件設(shè)定：設(shè)定為排風(fēng)扇的出口條件；

廚房的窗戶設(shè)定為壓力入口；

壁面條件設(shè)定：壁面的條件采用無(wú)滑移的條件。

2 數(shù)值計(jì)算及結(jié)果分析

本文實(shí)測(cè)的廚房模型抽油煙機(jī)與窗口的距離為1.9m，為了研究抽油煙機(jī)與窗口距離對(duì)廚房?jī)?nèi)有害物分布的影響，本文對(duì)抽油煙機(jī)與窗口距離分別為1.5m、1.7m、1.9m、2.1m和2.3m分別進(jìn)行模擬分析。

圖1~圖5表示窗口與抽油煙機(jī)不同距離時(shí)在人體呼吸區(qū)Z=1.5m處有害物的濃度變化趨勢(shì)；圖6為窗口與抽油煙機(jī)不同距離時(shí)實(shí)測(cè)有害物摩爾濃度的變化趨勢(shì)。

圖1 窗口與抽油煙機(jī)距離1.5m

圖2 窗口與抽油煙機(jī)距離1.7m

圖3 窗口與抽油煙機(jī)距離1.9m

圖4 窗口與抽油煙機(jī)距離2.1m

圖5 窗口與抽油煙機(jī)距離2.3m

圖6 窗口與抽油煙機(jī)距離不同距離時(shí)污染物摩爾濃度

由圖6可知：

當(dāng)窗口與抽油煙機(jī)的距離為1.9m時(shí)，人員呼吸區(qū)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為：Z=1.5m處的有害物摩爾濃度為4.21E-05 mol/L。對(duì)于窗口與抽油煙機(jī)的距離為1.9m的實(shí)測(cè)模型進(jìn)行模擬計(jì)算，由圖4可以得出Z=1.5m處有害物濃度為4.11E-05 mol/L。通過(guò)模擬計(jì)算可知Z=1.5m時(shí)模擬計(jì)算值與實(shí)測(cè)值僅相差3.23%，由此可證明模擬計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際是吻合的。

由圖1-圖5窗口與抽油煙機(jī)不同距離的濃度場(chǎng)分布截面分析可得，當(dāng)窗口與抽油煙機(jī)距離為1.5m時(shí)，在Z=1.5m有害物摩爾濃度為8.00E-05 mol/L，超過(guò)規(guī)范要求48.8%。當(dāng)窗口與抽油煙機(jī)距離為1.7m時(shí)，在Z=1.5m有害物摩爾濃度為5.50E-05 mol/L，超過(guò)規(guī)范要求25.5%。當(dāng)窗口與抽油煙機(jī)距離為1.9m時(shí)，在Z=1.5m有害物摩爾濃度為4.0E-05 mol/L，符合規(guī)范要求。當(dāng)窗口與抽油煙機(jī)距離為2.1m時(shí)，在Z=1.5m有害物摩爾濃度為5.0E-05 mol/L，超過(guò)規(guī)范要求18%。當(dāng)窗口與抽油煙機(jī)距離為2.3m時(shí)，在Z=1.5m有害物摩爾濃度為6.5E-05 mol/L，超過(guò)規(guī)范要求36.9%。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)果表明窗口與抽油煙機(jī)的距離對(duì)廚房?jī)?nèi)有害物分布有一定的影響，由圖6可知，當(dāng)廚房的窗口與抽油煙機(jī)距離為1.8～2.0m時(shí)，有利于廚房有害氣體的排放，人體呼吸區(qū)的有害物的濃度能滿足規(guī)范的要求。

在一定范圍內(nèi)，廚房的窗口與抽油煙機(jī)距離增加是有利于廚房有害氣體的排放，當(dāng)廚房的窗口與抽油煙機(jī)距離增加到一定距離后繼續(xù)增加窗口與抽油煙機(jī)的距離，不利于廚房有害氣體的排放。

由于條件受限，本文僅僅針對(duì)0.8m時(shí)的窗臺(tái)高度進(jìn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬計(jì)算的對(duì)比分析。因此，部分實(shí)測(cè)及模擬數(shù)據(jù)有待進(jìn)一步的驗(yàn)證，以確保廚房的有害物濃度能滿足規(guī)范及人員健康的要求。