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 南華大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院

摘要：通過數(shù)值模擬方法，建立典型居民廚房的三維物理模型，研究風(fēng)幕式抽油煙機(jī)在3種不同射流角度(150，300，450)下的廚房氣流速度場、流線和污染物濃度分布規(guī)律。模擬結(jié)果呈現(xiàn)以下規(guī)律：與傳統(tǒng)上吸式抽油煙機(jī)相比，在相同排風(fēng)量情況下，廚房區(qū)域各點(diǎn)對油煙的捕捉速度增大24%以上，烹飪操作區(qū)域油煙濃度顯著降低，且風(fēng)幕的存在抑制了邊角區(qū)域渦流的形成；當(dāng)射流角度a=300時，控制速度提升最快，油煙既能順利排出，又防止了油煙排出路徑過于靠近墻壁而粘附的二次污染。

關(guān)鍵詞：風(fēng)幕式抽油煙機(jī)射流角度數(shù)值模擬

 抽油煙機(jī)通過局部排風(fēng)改善廚房內(nèi)的氣流組織，并能有效捕集油煙等污染物，防止向其他房間擴(kuò)散。因此，抽油煙機(jī)排氣時所具有的氣流特性決定了排風(fēng)系統(tǒng)能否有效捕集、排出有害物。目前市場上的抽油煙機(jī)一般都帶有集煙罩，根據(jù)吸氣口匯流流動速度與距吸氣口的距離成反比理論，增加集煙罩可以增加對油煙的控制速度進(jìn)而提高捕捉效率。但集煙罩在不同程度上影響了烹飪者的視野和操作空間。本文通過利用射流風(fēng)幕代替集煙罩，研究風(fēng)幕在3種不同射流角度(150，300，450)下的廚房內(nèi)的氣流組織和污染物濃度分布規(guī)律。

1  數(shù)值計算模型

1.1物理模型

 本文所建立的三維物理模型以典型家居廚房布局為基礎(chǔ)，見圖1，模型的長寬尺寸為3.0 mx2.0 m，模型只考慮吊頂以下區(qū)域，高度為2.5 m。廚房油煙污染源為圓面，直徑是0.32 m。上方排風(fēng)口尺寸為0.60 m x0.30 m，3個條縫型射流風(fēng)幕出口寬度為0.03 m，前壁面X=2 m為補(bǔ)風(fēng)面，a為風(fēng)幕的射流角度。模型網(wǎng)格劃分采用混合網(wǎng)格劃分方法，并根據(jù)需要對油煙釋放面、風(fēng)幕射流出口以及排風(fēng)口附近等關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行分區(qū)加密劃分網(wǎng)格，見圖2，油煙釋放面、風(fēng)幕射流出口附近以0.01m加密劃分網(wǎng)格，排風(fēng)口區(qū)域網(wǎng)格按0.02 m進(jìn)行劃分，其他區(qū)域按0.05 m劃分，網(wǎng)格單元總數(shù)約為3.4x104。

1.2數(shù)學(xué)模型

 為了獲得廚房排煙時的氣流特性和油煙擴(kuò)散規(guī)律，對此，本文做出以下假定：空氣流動過程，屬于低速不可壓縮流動，不考慮能量方程中由于粘性作用所引起的能量耗散。計算區(qū)域三維流場作用過程的控制方程求解包括連續(xù)性方程、動量Navier-Stokes方程、湍流k-ε方程和組分運(yùn)輸方程，離散方法采用SIMPLEC算法對壓力和速度進(jìn)行修正，湍流動能K和湍流耗散率ε選擇二階迎風(fēng)格式求解，數(shù)學(xué)模型使用以下簡化的通用方程表示：

式中：u為進(jìn)口平均速度；I為湍流通量；L為湍流積分尺度。

1.3邊界條件與運(yùn)算參數(shù)

 1)模型邊界條件設(shè)置，如圖1所示，排風(fēng)口設(shè)置為壓力出口pressure-outlet，值為-20 Pa;條縫型射流風(fēng)幕噴口設(shè)置為速度入口velocity-inlet，大小為2m/s，射流角度a分別設(shè)置為150、300和450進(jìn)行分析；油煙面源設(shè)置為圓面，人口組分設(shè)置為100%，煙氣初始速度為

0.3 m/s，溫度為330 K;平面X=2 m為廚房補(bǔ)風(fēng)面，其他面皆設(shè)置為壁面；風(fēng)幕射流噴口、壁面及補(bǔ)風(fēng)的溫度均為273 K;本文通過Y=2 m切面對廚房流場的速度場、流線規(guī)律和污染物濃度分布情況進(jìn)行研究。

 2)計算精度設(shè)置，由于網(wǎng)格單元數(shù)量較大，為了達(dá)到合理的計算時間和計算效率，迭代次數(shù)設(shè)定為3000，此時各流動項殘差已收斂到10-4以下。

2  模擬結(jié)果及分析

 圖3至圖6是廚房中心切面Y=2 m的速度等值線圖，分別研究了在相同排風(fēng)速度下無風(fēng)幕和有射流風(fēng)幕（a=150，a=300，a=450）時速度場。圖3為無風(fēng)幕時，在抽油煙機(jī)和煙氣初始速度作用下，離排風(fēng)口0.5 m(A點(diǎn))處的排風(fēng)控制速度衰減到0.45 m/s，B點(diǎn)處的控制速度為0.08 m/s，C點(diǎn)則為0.06 m/s，接近于空氣半無限大匯流的速度場。圖4為射流風(fēng)幕(a=150)時，各點(diǎn)的控制速度為V A=0.55 m/s，VR/0.14 m/s，V c= 0.08 m/s，與沒有射流風(fēng)幕情況相比分別提高了24%,73%和33%，即在相同排風(fēng)速度下，射流風(fēng)幕的作用大大增加了排風(fēng)口對油煙的控制效果。圖4到圖6可看出，隨著射流角度的增加，A、B、C三點(diǎn)的控制速度都呈現(xiàn)先增大后減少的規(guī)律，控制速度最大的是當(dāng)射流角度a=300時，VA=0.57 m/s，VB=0.18 m/s，VC=0.10 m/s。當(dāng)a=450時，由于射流與補(bǔ)風(fēng)面來流的抵消作用在三者中最大，此時，A、B、C三點(diǎn)處的控制速度最小。

 圖7為排風(fēng)口附近的來流流線圖，無風(fēng)幕時，流線上密下疏，大部分空氣都沒有經(jīng)過灶臺上方把油煙帶走而是直接從上部被抽走，且在吊頂和灶臺下方角落地方形成渦流區(qū)，油煙不易被排走；與無風(fēng)幕相比三種不同射流角度下的氣流由于有射流風(fēng)幕的作用，灶臺附近氣流量增大且控制速度得以加強(qiáng)，沒有出現(xiàn)氣流旋渦區(qū)域；隨著射流角度的增大，在排風(fēng)口處的流線分布情況越分散，且越靠近壁面，油煙易于粘附在壁面上。當(dāng)a=300時，灶臺上方的風(fēng)場流線不僅最密且又集中于排風(fēng)口中心區(qū)，能順利排出油煙而不粘附在墻壁上。

 由圖8可知，無射流風(fēng)幕時，煙氣濃度等值線呈半球形，油煙大量積累不能順利排出，捕捉效率較低，蔓延到灶臺以外的烹飪操作區(qū)的組分濃度達(dá)到0.022，且在角落渦流區(qū)域有少量油煙積累。設(shè)置射流風(fēng)幕后，油煙污染區(qū)域減少，濃度等值線與垂直氣流方向一致，風(fēng)幕射流把油煙控制在灶臺以內(nèi)，C點(diǎn)的組分濃度降低到0.012以下，降幅50%。射流角度不同時，1.5 m高以下區(qū)域濃度分布情況基本相同，1.5 m以上區(qū)域隨著射流角度的增大，油煙越貼近墻壁，排風(fēng)口處最為明顯，此處，當(dāng)射流角度為a=300時油煙能順利排出而不過于靠近墻壁，這與流線圖7的結(jié)果相一致。

3  結(jié)論

 1)通過CFD模擬結(jié)果表明，在相同排風(fēng)量情況下，相比于傳統(tǒng)上吸式抽油煙機(jī)，風(fēng)幕式抽油煙機(jī)大大改善了廚房的氣流組織，對烹飪操作區(qū)域油煙的控制速度提高24%以上，當(dāng)射流角度a=300時，對油煙的控制速度提升最快，能有效隔離油煙擴(kuò)散區(qū)域與操作區(qū)域，提高油煙的捕集率。

 2)射流風(fēng)幕的增設(shè)抑制了廚房角落處渦流的形成，減少了油煙的積累，且通過調(diào)節(jié)射流角度來控制油煙順利排出而不粘附墻面造成二次污染。就本文廚房布局，當(dāng)射流角度a=300時，控制效果最好，此時，灶臺上方的空氣流線較密，油煙匯集到排風(fēng)口時的位置也相對集中。