住宅廚房油煙濃度的數(shù)值模擬和實測

1、40住宅廚房油煙濃度的數(shù)值模擬和實測朱明亮 朱培根(解放軍理工大學內(nèi)設(shè)教研室，南京 210007摘要本文運用CFD軟件對不同排風量下廚房內(nèi)油煙的濃度場分布進行了數(shù)值模擬，利用有限容積法和SIMPLE算法對微分方程進行離散求解，對模擬結(jié)果進行了分析，并結(jié)合實例對排煙效率這一指標進行了檢測，為住宅廚房通風設(shè)計提供了一定的依據(jù)。0 引言隨著人們生活水平的提高和住宅條件的改善,人們對廚房的排煙問題越來越重視。烹調(diào)時的油煙氣是室內(nèi)空氣污染的主要來源之一，有效地排除油煙顯得至關(guān)重要。各戶使用排油煙機將油煙排至集中排煙豎井，油煙經(jīng)豎井排至屋頂釋放。這是目前普遍采用的方式1。關(guān)于排油煙機的排風量問題，在國家標

2、準GB/T17713-1999抽油煙機中，對風量的要求是7m 3/min，但是對于住宅廚房來說，究竟需多大的排風量才能既保證有好的排煙效果又不浪費能量。針對這個問題，本文運用CFD軟件對不同排風量下油煙的濃度場分布進行了數(shù)值模擬，并結(jié)合實例對排煙效率這一指標進行了檢測。1 油煙濃度場的數(shù)值模擬模擬對象為某住宅廚房，空間結(jié)構(gòu)如圖1所示。房間尺寸為5m×3m×3m(長×寬×高，北墻開設(shè)一個窗戶，作為自然進風口。 1.1 物理模型廚房內(nèi)的氣體流動基本為低速流動，可將其視為不可壓縮流體；同時空氣溫度變化不大，即密度變化不大，因此可認為室內(nèi)空氣流動符合Boussi

3、nesq 假設(shè)，密度變化并不顯著改變流體性質(zhì)；在動量守恒方程中，密度的變化對慣性力項、壓力差項和粘性力項的影響可忽略不計，而僅考慮對質(zhì)量力項的影響；氣體流動屬于湍流流動，粘性不可忽略，并且假設(shè)粘性具有各向同性，粘性系數(shù)可作為標量處理。 1.2 數(shù)學模型圖1 廚房空間結(jié)構(gòu)簡 圖411.2.1 控制方程本文采用-雙方程模型2進行模擬計算，控制方程式在上面假設(shè)的基礎(chǔ)上，得到-湍流數(shù)學模型的各時均值控制方程，以張量形式表示如下：連續(xù)性方程：0x u ii= (1 動量方程： +=g x u x u (x k 32p x u u (x j i i j t i i j i i (2 能量方程：p i t

4、t i i iC q x T Pr(x T u (x += (3式中 i=1,2,3；j=1,2,3；u 為室內(nèi)空氣速度，m/s；k 為湍流脈動動能，m 2/s2；為湍流脈動動能耗散率；T 為室內(nèi)空氣溫度，K ；為層流動力粘度，P a·s；t 湍流動力粘性系數(shù)，P a·s ；p 為空氣壓力，P a ；空氣密度，kg/m3； p C 為定壓比熱容，kJ/(kg·K；q 為熱流密度，W/m2；為流體體積膨脹系數(shù)；Pr 為普朗特數(shù)。1.2.2 邊界條件固體壁面在靠近壁面處采用壁面函數(shù)法進行處理，進風口為壓力邊界條件，排風口處采用速度入口。模型采用六面體進行網(wǎng)格劃分，利用

5、有限容積法和SIMPLE 算法對微分方程進行離散求解。 1.3 模擬結(jié)果與分析 1.3.1 模擬結(jié)果對廚房內(nèi)的油煙濃度場進行了數(shù)值模擬，以下給出了不同風量下典型截面(x=3.65m上的油煙濃度場模擬結(jié)果，分別見圖2、圖3、圖4。 圖2 排風量為300m 3/h時x=3.65m斷面處濃度場 分布 42 1.3.2 模擬結(jié)果分析由圖2可知當排風量為 300m 3/h時，油煙機邊沿處的油煙濃度達3.27 mg/m3左右，廚房內(nèi)的油煙本底濃度值也較高；當排風量增加到450m 3/h，由圖3可知油煙機邊沿處的油煙濃度顯著降低，只有1.25 mg/m3左右，廚房內(nèi)的油煙本底濃度值也接近于0；當排風量由45

6、0m 3/h增加至600m 3/h時，由圖4可知油煙機邊沿處的油煙濃度和廚房內(nèi)的油煙本底濃度值基本不變。通過上面的模擬結(jié)果可知，增加油煙機的排風量能顯著地改善排煙效果，但是當排風量增加到一定程度后，再增加排風量對改善排煙效果作用甚微。2 排煙效率的檢測為了驗證油煙濃度場數(shù)值模擬結(jié)果的準確性，我們進行了實際檢測。為了直觀地反映出排煙效果的好壞，給出了排煙效率這一指標，它是排油煙機開機時排走的油煙量占未開機時產(chǎn)生的油煙量(未開油煙機時進入房間的油煙量的百分比，用表示。 2.1 檢測方法當排油煙機未開啟時，測出其邊沿處的油煙濃度值1C (鍋中產(chǎn)生的油煙濃度值；圖3 排風量為450m 3/h時x=3.

7、65m斷面處濃度場分圖4 排風量為600m 3/h時x=3.65m斷面處濃度場分43當排油煙機開啟時，測出其邊沿處的油煙濃度值2C (油煙不能全部排走時，外溢油煙的濃度值；最后測出廚房空氣中油煙的本底濃度值0C 。于是排煙效率可按下式計算：%100C C C C 0121×= (42.2 檢測裝置檢測裝置以準確測出排油煙機邊沿處外溢油煙的濃度值為目的，為了防止外界氣流的干擾，在灶臺與排油煙機之間的四周設(shè)置擋板(見圖4。擋板與排油煙機之間留有一定的縫隙a，在四周的縫隙間各設(shè)置一個采樣點，共四個采樣點取其平均值為測試工況下的油煙濃度值。在擋板的下部與灶臺之間留有150mm的間隙，作為開機

8、運行時的空氣入口。油煙濃度測試縫隙a的大小與排油煙機的外形尺寸有關(guān)，可按下式計算取整得出:2B 5A . 107. 3 B 2/A (a 52×+= (5式中 a 擋板與排油煙機之間縫隙寬度，mm；A 排油煙機外形長度，mm；B 排 油煙機外形寬度，mm。2.3 檢測實例為了 進一步驗證不同風量對排煙效率的影響，選擇了三臺不同風量的排油煙機進行了試驗，運行風量分別為300m 3/h，450m 3/h，600m 3/h，檢測結(jié)果見表1。表1 排煙效率檢測結(jié)果油煙濃度平均值,mg/m3樣機號 風量 (m3/h 0C2C1C排煙效率(%1 300 0.4206.87324.50073.2

9、2 450 0.2152.52224.50090.5 36000.1501.53824.50094.3由表1可以看出，樣機1和樣機2的風量相差150m 3/h，排煙效率相差17.3%，樣機2和樣機3的風量相差同樣為150m 3/h，然而排煙效率卻只相差3.8%。此結(jié)果表明當排油圖5 檢測裝置示意圖44煙機的排風量達到一定大的時候，再一味地增加排風量對提高排煙效率作用甚微。3 結(jié)論通過對不同排風量下油煙濃度的模擬和實測可知，增加排油煙機的排風量對改善廚房的排煙效果有很好的作用，但是當排風量增加到一定值的時候，再一味增加排風量不僅浪費能量，而且對改善排煙效果作用不大。在進行廚房通風設(shè)計時，一定要根據(jù)廚房的具體情況和排煙系統(tǒng)阻力，確定合適的排風量，既不浪費能量又能有效排