247 引射流對(duì)廚房排煙影響的數(shù)值模擬

/引射流對(duì)廚房排煙影響的數(shù)值模擬北京建筑工程學(xué)院許捷［１］趙靜野摘要:在傳統(tǒng)的廚房抽油煙機(jī)系統(tǒng)中增加向上的引射流,可以利用引射流的卷吸作用帶動(dòng)煙氣向上流動(dòng),從而達(dá)到增強(qiáng)抽油煙機(jī)排煙能力的效果。本文利用CＦD技術(shù)對(duì)增加引射流的廚房排煙系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬和計(jì)算.對(duì)于不同的送風(fēng)速度下所模擬出的廚房煙氣濃度、密度以及氣流組織進(jìn)行了對(duì)比分析，提供了一個(gè)相對(duì)理想的速度值作為參考.通過模擬結(jié)果可以得出，增加引射流能夠改善廚房排煙系統(tǒng)的排煙能力，在此基礎(chǔ)上提出了一種新型家用廚房抽油煙機(jī)系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：廚房排煙；引射流；ＣFD模擬NｕmericaｌｉnveｓtigatioｎofthecｉtatｉoｎjeｔｉｍpａｃtontｈekｉtｃhenhoodsystemBeijｉｎｇIｎstitｕtｅｏfCｉvｉｌＥngｉneeｒiｎgaｎｄAｒcｈｉｔｅｃtｕrｅ，ＪｉeXu,ＪｉngyｅＺhａoAbstｒact:Foraddｉｎgｕpｗardcitationjｅｔiｎtotraditionaｌkitcｈeｎrangｅhoodsｙsｔemｓ，Ｅnｔｒａiｎmenteffectofciｔatioｎｊetｉsusｅｄtoｂringthｅｇａｓ，sotheabilｉtyｏｆdisｃｈargingsｍokeiｓｉncｒｅａsｅd.Ｉntｈetｈesis，CFＤisintｒoｄucｅdｔonumericalｓimｕlateaｎdcalcｕlatetheadｄedkｉｔｃheｎdiｓchａrgｉngsyｓtｅｍs。Aｃcｏrdingtoａnalyｓisthecｏncentration，densiｔyandcurrentarranｇｅmenｔmｏdeleｄinvaryvelocitiｅs,ａnidealveｌｏcityiｓgotfｏrｒeｆerencｉng。Wecanconcludethattｈeｋｉtcheｎ’sｄｉsｃhaｒgingabｉlityiｓinｃreasｅｄｂyaｄdiｎgtｈｅｃiｔａt(yī)iｏnjet。Onthisｂasｉｓ，weｉnｔｒｏduｃeanewdomｅsｔｉｃkｉtｃhenrａｎgｅhooｄsystemｓ。Kｅywordｓ：Ｋitｃheｎexｈaｕst；ciｔatiｏnjet；coｍputａt(yī)ionalfluiddｙnamｉｃｓ（CFD）引言隨著人民生活水平的提高，廚房排煙問題越來(lái)越受到重視,相關(guān)的研究也逐漸多起來(lái)。而且一般家庭中空氣主要污染源來(lái)自廚房。特別是貫通式客廳和起居室的布局的室內(nèi)空氣受廚房的影響非常大.在烹飪過程中，不論是灶具排放出大量的有害氣體（CO,NO)，及油煙的揮發(fā)都對(duì)人體健康危害極大。加強(qiáng)廚房的通風(fēng)是非常有必要的.本文通過對(duì)居民廚房中增加向上引射流的抽油煙機(jī)排煙系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，研究了不同引射流速對(duì)房間煙氣分布的影響。模擬計(jì)算方法物理模型的建立本模型選定的廚房尺寸為3m×3m×3m（L×W×H)，計(jì)算中涉及到的兩個(gè)上底為０.３m、下底０.２ｍ、高為0.0５ｍ的錐形鍋，抽油煙機(jī)排油煙出口尺寸為0.25m，引射流出風(fēng)口采用條縫型風(fēng)口，風(fēng)口尺寸為0。4m×0.3ｍ(L×W），取風(fēng)口的中心為原點(diǎn)（0,0,0),采用三角形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行面網(wǎng)格劃分,體網(wǎng)格采用Tgｒｉd劃分方案，網(wǎng)格質(zhì)量評(píng)價(jià)常用標(biāo)準(zhǔn)EquiAａｎgleSkew(等角失真）值平均在0．5左右，屬于高質(zhì)量網(wǎng)格，劃分的網(wǎng)格數(shù)為(ａ)廚房結(jié)構(gòu)(ａ)廚房結(jié)構(gòu)(b）網(wǎng)格分布圖１廚房結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格分布圖數(shù)學(xué)模型的建立為了對(duì)抽油煙機(jī)油煙控制效果進(jìn)行研究，本文對(duì)抽油煙機(jī)在不同的工作狀態(tài)下廚房?jī)?nèi)氣流速度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算.通過使用CＦD軟件進(jìn)行計(jì)算時(shí),對(duì)房間網(wǎng)格的劃分采用均勻網(wǎng)格（如圖2)，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k—ε兩方程和壁面函數(shù)法湍流模型,控制方程離散采用一階迎風(fēng)差分格式,對(duì)壓力與速度的非耦合采用SIMＰLE算法求解。為簡(jiǎn)化計(jì)算，作如下假設(shè)：（1）室內(nèi)氣流流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)紊流;(2）采用Bouｓsinｅsq假設(shè)，認(rèn)為密度變化僅對(duì)浮生力有影響,控制方程選擇考慮浮升力的方程;(3)室內(nèi)的氣流屬于常溫常壓及低速下的流動(dòng)，可以視為不可壓縮流動(dòng)，忽略能量方程中由流體黏性力做功所引起的能量耗散.模型控制方程采用以下三個(gè)方程：（１）質(zhì)量守恒方程（1）式中：ｕ,v，ｗ分別為ｘ,y，z三個(gè)方向的速度；ρ為密度。（2)動(dòng)量方程（２）式中：Γ為廣義擴(kuò)散系統(tǒng)；Ｓ為源項(xiàng).(３)能量方程（3）式中：λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù)；Sh為流體的內(nèi)熱源;pｄivU為表面力對(duì)流體微元體所做的功，一般可以忽略；φ為由于粘性作用機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的部分，稱為耗散系統(tǒng)。邊界條件對(duì)于速度，按照固體壁面無(wú)滑移邊界條件處理.由于油煙的主要成分為CO2，故設(shè)鍋油煙釋放出口（inｌｅt＿1）的介質(zhì)為CO2，并設(shè)定為質(zhì)量流量入口（massflowinｌet）；廚房窗戶（ｉnlｅｔ_2）為壓力入口（pressurｅinleｔ）;引射射流出口(ｉnlet_3）設(shè)定為速度入口邊界條件（ｖｅlocityinｌeｔ）；抽油煙機(jī)排油煙出口（oｕtlｅt)設(shè)定為排風(fēng)扇出口（exｈａusｔfan）;假定廚房門是關(guān)閉的，圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能良好，壁面按絕熱邊界處理。計(jì)算結(jié)果及分析在模擬中分別取引射流的流速為1m/s、3m/s、5m／s、７ｍ/s、1０m/ｓ，以及無(wú)引射流的情況作為對(duì)比。為了方便計(jì)算和分析不同引射流度對(duì)廚房室內(nèi)油煙散發(fā)的濃度場(chǎng)和速度場(chǎng)的影響，將的工況參數(shù)分為如表１所示的6種工況。表1工況劃分工況1工況2工況3工況4工況５工況6是否有向上的引射流否是是是是是oｕtlet絕對(duì)壓力（Pa）—２00－200－200—200－200—2００inlet_１質(zhì)量流量（kg/s）１１1111inlet_2絕對(duì)壓力（Ｐa）000000inlet_3速度(m/s）\1３5７1０2.1不同射流速度下不同斷面CO２所占的體積分?jǐn)?shù)隨房間高度的變化工況１工況2工況3工況4工況5工況6０.０0０。４90。480．43０.800.802。370。108．5１７．597.487.６５7．779．0５０．２04。５６4。9３4。824.814。９56．1３0．3０2。8８3．2２3.1６3.063．０94。040.402.722。652。６６2。602。643.330。502.6３2。２42.3０2．2９2.３42.8６0。602.4５２.212。2６2。３12.３62.７60.70３．１1３。０３３。0３3.１43.20３.660.8０1.571.６91．5９1。７51.7０1。96平均3。2１3.123。0８3．163.２1４．02選取高度差為0.1m為一個(gè)斷面，通過Flｕent模擬可以得出各種工況下各斷面的CO2所占的體積分?jǐn)?shù)，如表2和圖2所示。表2表2不同工況不同高度的ＣO2所占的體積分?jǐn)?shù)（%)圖2不同工況ＣO2體積分?jǐn)?shù)隨空間高度的變化圖從圖２可以看出，在距灶臺(tái)高度為0-0.1m處時(shí)ＣO２的體積分?jǐn)?shù)有個(gè)階躍，這跟灶臺(tái)處的鍋油煙釋放出口(inlet_1）產(chǎn)生的ＣO2有關(guān).但隨著高度的增加，CＯ２逐漸在空氣中被稀釋,所以ＣO２的體積分?jǐn)?shù)逐漸減少.對(duì)比表2中的數(shù)據(jù)可以看出,當(dāng)引射流在低速時(shí)，隨著流速的增加,CO２的體積分?jǐn)?shù)逐漸減少，但當(dāng)流速大于5m/ｓ時(shí)，CＯ２的體積分?jǐn)?shù)隨著流速的增加而遞增。由此可以看出，引射流在一定程度上,的確增加了抽油煙機(jī)對(duì)CO２的吸收，最佳引射流速度為3m／s左右。２.２不同射流速度下不同斷面氣體密度隨房間高度的變化選取高度差為０.１m為一個(gè)斷面，通過Flueｎt模擬可以得出各種工況下各斷面的氣體密度，如表3和圖3所示。工況1工況2工況3工況４工況5工況60。001.22781．22771。22７５1．2２９51．２２９5１.23８３0。101．27２9１.26771.26711。26８11.26８71。2７590.2０1．25061．25２81.2522１。２52１１.２52８1。2５9５０。301．2４1２１。24311。２4２８1。2４２21。24２4１。２47８0。4０１.240３1．2３9８1．24001.23961.23991。243８0．５0１.239８1.2376１。23791．23７91。238１１.24110.601.23８81。2３7４1.2３７8１.23801．23821。24050．701.２4２51.24２１1.2４2０１.24261.243０１.24５60．8０1.2338１.23451。2３3９1．2３481.23461．２３61平均1.24311.2４25１．242４１.2４2８1.2４301。2476表3不同工況不同高度的氣體密度（kg/m３）圖3不同工況氣體密度隨空間高度的變化圖由空氣的密度為1。225kｇ/m３，CO2的密度為１．78７８kg/m3表3不同工況不同高度的氣體密度（kg/m３）圖3不同工況氣體密度隨空間高度的變化圖因此,通過對(duì)不同射流速度下氣體密度的變化,可以從另一個(gè)角度驗(yàn)證了2.1所提出的結(jié)論。2．3不同射流速度下的煙氣分布圖圖4無(wú)引射流時(shí)煙氣的分布圖5引射流速為１m/ｓ時(shí)煙氣的分布對(duì)于這六種情況，分別取鍋的中心面（x=3）的煙氣圖4無(wú)引射流時(shí)煙氣的分布圖5引射流速為１m/ｓ時(shí)煙氣的分布圖6引射流速為3m／ｓ時(shí)煙氣的分布圖７引射流速為5m/ｓ時(shí)煙氣的分布圖6引射流速為3m／ｓ時(shí)煙氣的分布圖７引射流速為5m/ｓ時(shí)煙氣的分布圖8引射流速為7ｍ/s時(shí)煙氣的分布圖9引射流速為10m/s時(shí)煙氣的分布從圖４可以看出,當(dāng)無(wú)引射流時(shí)，煙氣的分布更加廣泛，在人的操作區(qū)域附近存在著稀薄的煙氣。通過圖4到圖９的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，隨著添加引射流以及引射流流速的增加，當(dāng)引射流速在１－5m/ｓ時(shí)，煙氣的分布更加密集，也趨于向灶臺(tái)靠攏，抽油煙機(jī)具有較好的抽煙效果。但當(dāng)引射流速大于５m/ｓ時(shí)，圖8引射流速為7ｍ/s時(shí)煙氣的分布圖9引射流速為10m/s時(shí)煙氣的分布由此可以看出，低速的引射流可以利用卷吸作用帶動(dòng)煙氣向上流動(dòng)，從而達(dá)到增強(qiáng)抽油煙機(jī)排煙能力的效果。但當(dāng)引射流速很大時(shí)，會(huì)加大抽油煙機(jī)的負(fù)荷,導(dǎo)致抽油煙機(jī)吸收了大量的空氣而無(wú)法更加有效的吸收煙氣。結(jié)論１）通過采用CＦD數(shù)值仿真計(jì)算方法,證明了引射流在一定程度上促進(jìn)了抽油煙機(jī)的排煙效果;2)當(dāng)引射流速以5m/s以下的低速流動(dòng)時(shí),可以利用其卷吸作用帶動(dòng)煙氣向上流動(dòng)，從而達(dá)到增強(qiáng)抽油煙機(jī)排煙能力的效果；３）當(dāng)引射流速以5m/ｓ以上的高速流動(dòng)時(shí),會(huì)加大抽油煙機(jī)的負(fù)荷，導(dǎo)致抽油煙機(jī)吸收了大量的空氣而無(wú)法更加有效的吸收煙氣;4)通過數(shù)值模擬可以得出，在所建立的廚房抽油煙機(jī)模型中引射流的最佳引射流速度為3m/ｓ.參考文獻(xiàn)［1］陶文銓．?dāng)?shù)值傳熱學(xué)［M]第2版。西安：西安交通大學(xué)出版社，2001［2]楊吉,劉文斌。廚房通風(fēng)的數(shù)值模擬[J].制冷與空調(diào)，２0０7，（0２）:９1－93頁(yè)［3］JuanAｂanｔｏ,ＭarｃelｏRｅgｇｉｏ.Ｎuｍｅricaｌinvesｔｉgatｉonoｆtｈeflowinaｋｉtchenｈｏodsysｔem[J].BｕｉｌdinganｄEnvironment，2006,４1:pp.２8８-296[4]王剛,王漢青．上送風(fēng)幕式抽油煙機(jī)的數(shù)值模擬研究［J］．湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，2３(０1）：2４—27頁(yè)［５］ＹuguoＬｉ,AngeloＤeｌｓａｎte.Derｉvatioｎｏfｃaptuｒｅｅf