周駿堯

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528300）

引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和社會生活質量的顯著提升，中國吸油煙機的消費市場不斷壯大；據(jù)相關資料顯示，我國家用吸油煙機市場在過去幾年呈現(xiàn)穩(wěn)健增長態(tài)勢，在2023年吸油煙機市場規(guī)模接近5 000萬臺，雖然受到疫情等因素影響，市場出現(xiàn)短暫下滑，但趨勢仍然是向上的；伴隨著人們生活水平提高，廚電產品的升級及用戶體驗升級的步伐不斷加快，智能化、綠色環(huán)保、多元化成為行業(yè)的發(fā)展趨勢。預計未來，消費者對吸油煙機產品需求更加傾向于高質量、高效率、低噪音。

吸油煙機的工作原理是，電機驅離心葉輪在蝸殼內旋轉并在煙機進煙口處產生負壓區(qū)，從而使室內經(jīng)灶具加熱產生的煙氣不斷被排至室外。其中，吸油煙機過濾網(wǎng)主要過濾油煙中的固體顆粒、油脂等雜質，通常由金屬、塑料等耐高溫材料制作而成。由于市場銷售的吸油煙機過濾網(wǎng)普遍設置在吸煙的流道中，并通過機械作用過濾煙氣中的雜質及起到保護蝸殼內部零件的作用，其開孔形狀特性、通孔面積等參數(shù)，影響吸油煙機整體性能。

本文通過在吸油煙機蝸殼前設置過濾網(wǎng)，使用 fluent數(shù)值模擬軟件對其工作狀態(tài)進行模擬，依據(jù)計算結果，探討不同類型過濾網(wǎng)前后的流場分布和壓力分析，為過濾網(wǎng)的設計和優(yōu)化提供依據(jù)。

1 理論方程

本文所研究的過濾網(wǎng)設置在蝸殼前，空氣流動速度較低，認為不可壓縮氣體，流場連續(xù)方程及動量方程（N-S）：

采用標準的k-ε湍流模型：

其中渦粘性系數(shù)用μt表示：

式中：

xi、xj-i和j方向的坐標；

ui、uj-瞬時速度，m/s

t-時間，s；

p-靜壓，Pa；

ρ-密度，kg/m3；

gi-單位質量的重力，m/s2；

Ε-耗散；

Μ-動力粘度系數(shù)，Pa；

Gk-因平均速度梯度而產生湍流動能生成項，J。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

本文研究所采用是家用吸油煙機，其蝸殼內部設置有電機、葉輪、導風圈等零部件，在蝸殼進風口前面100 mm處設置過濾網(wǎng)，并建立500 mm×500 mm流體區(qū)域，為研究不同的開孔形狀特性對流速的影響，總開孔面積及開孔數(shù)量不變的前提下，分布以不同開孔特征，如表1所示。

表1 不同開孔特征表

接下來對不同開孔特征的性能對比，以及提高其開孔率，觀察其流動速度情況。

建立模型如圖1所示。把三維模型導入到ANSYS中，使用SpaceClaim打開并編輯，利用體積抽取命令，提取蝸殼殼體內流體域作為蝸殼區(qū)域。通過boolean運算刪去蝸殼區(qū)域內的葉輪等實體模型，創(chuàng)建葉輪集合拓撲結構定義為葉輪區(qū)域；為使空氣流入蝸殼速度更均勻，以及蝸殼出口動能充分轉化，提高數(shù)據(jù)準確性，對蝸殼進口及出口添加延長段并把它劃分為進口和出口延長區(qū)域；這樣整個離心蝸殼的計算區(qū)域分為進口區(qū)域、葉輪區(qū)域、蝸殼區(qū)域、出口區(qū)域。定義進口壁inlet和出口壁outlet，其他壁面wall，待網(wǎng)格生成后進行光順和網(wǎng)格質量檢查。為了保證網(wǎng)格密度的情況下，為減少網(wǎng)格數(shù)以縮短計算時間和計算量，只取過濾網(wǎng)的一部分進行計算，并進行加密網(wǎng)格劃分，定義最小單元為0.5 mm，邊緣膨脹為5層，增長率為0.5，采用逐漸加密網(wǎng)格的方式，隨著網(wǎng)格數(shù)的增加，發(fā)現(xiàn)計算網(wǎng)格劃分質量逐漸趨于穩(wěn)定，為保證計算結果準確性的同時加快求解速度，最終確定網(wǎng)格總數(shù)為 14 080 萬，網(wǎng)格單元質量0.103。

圖1 模型圖

2.2 邊界條件

本文選用邊界條件類型：環(huán)境溫度15 ℃，進口與出口的壓力為0 Pa、壓力出口邊界調節(jié)為計算域壁面，旋轉速度為900 r/min。因仿真過程不考慮熱交換，假設空氣在蝸殼內流動是穩(wěn)定的,并且旋轉域與蝸殼域作用是近似平均，只需要求系統(tǒng)的近似解場合，故選擇 MRF 多重參考系方法，SIMPLEC 算法；湍流耗散項、湍流動能和動量方程的離散均采用二階迎風格式。在 fluent 軟件中同時監(jiān)控了迭代殘差、關鍵截面的壓力、軸向設置的速度等。當觀察迭代殘差降低趨勢情況，同時監(jiān)視的風機出口的流出空氣質量變化量少于0.5 %時，則認為收斂，計算結束。

3 結果與分析

3.1 不同開孔特征的影響

僅改變開孔形狀特性下，其他參數(shù)不變，蝸殼內葉輪轉速以900 r/min旋轉，過濾網(wǎng)前形成負壓區(qū)；空氣流入濾網(wǎng)前的速度均勻，過濾網(wǎng)前不同開孔特征速度流場相似，當空氣流經(jīng)過過濾網(wǎng)孔，空氣速度增加，壓力下降，這是由于空氣在低速流動時，可認為不可壓縮氣體，根據(jù)質量守恒定律，流入量與流出量相同，空氣通過孔時，導致其流動速度增加即動能增加，壓力下降。

如圖2所示，分別是方形、五邊形、六邊形、圓形孔形狀特征的速度云圖，方形孔與五邊孔在軸向方向出現(xiàn)湍流回流區(qū)，其原因過濾網(wǎng)兩側空氣經(jīng)過濾網(wǎng)速度增加且兩側不斷向中間擠壓，形成湍流區(qū)域；但空氣經(jīng)過六邊孔與圓孔的過濾網(wǎng)，能在較短距離達到穩(wěn)定，過濾網(wǎng)后方?jīng)]有形成明顯得湍流區(qū)域；所以隨著過濾網(wǎng)的開孔形狀邊數(shù)量越多，氣體流過孔，越快達到穩(wěn)定狀態(tài)，湍流區(qū)域越小。

圖2 不同開孔形狀的速度云圖

為進一步探究不同開孔特性的阻力特性，過濾網(wǎng)設置在-150 mm處，分別在過濾網(wǎng)前方20 mm至過濾網(wǎng)后方90 mm，每隔10 mm提取各個面的平均壓力值，并描繪成曲線。圖3曲線可見，流體經(jīng)過不同形狀特征過濾網(wǎng)，其壓力曲線走勢基本一致；但空氣經(jīng)過方形過濾網(wǎng)的降壓最大，五邊孔次之，圓形最小，然后在-120 mm處回到相同的壓力值，隨后空氣越靠近蝸殼進口，負壓逐步升高，各個截面的壓力逐步升高。由此可見此型號離心蝸殼，相同開孔率，不同形狀特征的過濾網(wǎng)，會造成不同程度湍流區(qū)域及壓差值。如果過濾網(wǎng)與蝸殼進口距離較小，空氣經(jīng)過濾網(wǎng)而形成湍流區(qū)必疊加蝸殼進口速度突變區(qū)，會引起更復雜的亂流區(qū)，增加振動及噪聲。

圖3 濾網(wǎng)前后各截面壓力曲線

3.2 不同開孔率的影響

為進一步研究過濾網(wǎng)的特性，依據(jù)上文已經(jīng)得到圓孔與其他開孔形狀過濾網(wǎng)相比，它具有快速穩(wěn)定及壓差小的特性，后續(xù)研究開孔率的影響，故選用圓形孔為基礎的過濾網(wǎng)。把開孔率分別設置為13 %，22 %，33 %，41 %，51 %，61 %，70 %，并分別提取過濾網(wǎng)前方20 mm至過濾網(wǎng)后方90 mm，每隔10 mm提取各個截的空氣平均速度數(shù)據(jù)，并描繪成曲線見圖4。

圖4 濾網(wǎng)前后各截面速度曲線

從上曲線可見，過濾網(wǎng)的開孔率從13 %到51 %，空氣經(jīng)過孔后流速均出現(xiàn)急速增加，隨著開孔率增加，經(jīng)過過濾網(wǎng)后的速度突變越??；在-130 mm處回到穩(wěn)定值，隨著越靠近蝸殼進口，空氣流速又逐漸升高；當開孔率大于51 %時，可得到隨著開孔率不斷增加，過濾網(wǎng)對空氣流動的影響不斷降低，其速度變成光滑上升直線。此外，大部分空氣由過濾網(wǎng)內中心區(qū)域流入，過濾網(wǎng)四周的空氣流入速度逐漸降低，見圖5。

圖5 不同開孔率的速度云圖

4 總結

本文利用fluent仿真計算軟件，以某型號吸油煙機，對不同形狀特征過濾網(wǎng)進行分析，隨后又以圓孔為基礎，對不同開孔率的過濾網(wǎng)進行研究，包括速度場，過濾網(wǎng)前后各個壓力平面數(shù)值，得到以下結論：

1）在相同開孔率的情況下，對比不同形狀特性下，孔邊數(shù)量越多，越快達到穩(wěn)定狀態(tài)，否則越容易產生湍流區(qū)域；通過壓力曲線可得出，方形的降壓最大，五邊孔次之，圓形最小。

2）此型號吸油煙機，開孔率在13 %到51 %的區(qū)間內，隨著開孔率增大，流過濾網(wǎng)速度突變減小，過濾網(wǎng)阻力逐漸減少，當開孔率大于51 %，隨著開孔率增大，流過濾網(wǎng)速度變化一致，過濾網(wǎng)的阻力影響逐漸減少。

本文利用fluent仿真軟件，以某型號吸油煙機為研究對象，設置不同開孔特征及不同開孔率過濾網(wǎng)，仿真模擬其工作狀態(tài)，并設置不同間隔工況點，提取過濾網(wǎng)前后不同截面的流速、壓力等參數(shù)，得到以上結論，為吸油煙機零部件設計提供理論基礎及優(yōu)化參考。