吳靈輝 何立博 鄭 聰 王 磊

（1.浙江省健康智慧廚房系統(tǒng)集成重點實驗室；2.寧波方太廚具有限公司）

0 引言

吸油煙機是廚房中不可或缺的一種家用電器，可有效排出烹飪過程中產(chǎn)生的有害氣體，減少廚房油煙污染，其聚攏、吸煙效果與吸油煙機工作時下方油煙的流動情況息息相關(guān)。影響吸油煙機下方氣流的主要因素是風(fēng)速大小及其分布情況[1-2]。因家庭排煙管道中存在止逆閥、管道等沿程和局部壓力損失，直接影響用戶實際使用時的風(fēng)量（稱為有效風(fēng)量）從而影響吸油煙機的使用效果。因此有必要選擇用戶條件下的風(fēng)量范圍，研究同一使用條件下不同有效風(fēng)量的吸油煙機下方控?zé)焻^(qū)流場特性從而來合理改善提升吸油煙效果。

CFD數(shù)值模擬技術(shù)是研究吸油煙機氣流流場的重要手段，且目前取得了不少的成果[3-5]。馬曉陽[6]、陳建[7]等采用RNGk-ε湍流模型數(shù)值模擬了油煙機風(fēng)機系統(tǒng)內(nèi)部流場，很好地揭示了多翼離心風(fēng)機內(nèi)的氣流流動及參數(shù)分布情況。陳聰聰?shù)萚8]采用Fluent模擬手段研究傾斜蝸舌對油煙機性能的影響，得到傾斜蝸舌下傾角越大越有利于降噪的結(jié)論。

本研究在實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬的方法對比分析在相同排煙管道、不同有效風(fēng)量下的吸油煙機下方控?zé)焻^(qū)的流場特性，為研發(fā)者在設(shè)計改進風(fēng)機系統(tǒng)以提升吸油煙機吸煙效果時提供參考與依據(jù)。

1 空氣動力性能測試實驗

本實驗采用GB/T17713-2011標準中外排式吸油煙機空氣性能試驗方法測量吸油煙機的空氣動力性能數(shù)據(jù)[9]。

1.1 實驗裝置

本研究使用的實驗設(shè)備有吸油煙機、風(fēng)量測試臺和轉(zhuǎn)速顯示器，其中風(fēng)量臺包含有連接器、十字整流器、擴散段、調(diào)節(jié)器、減壓筒和出口孔板。在規(guī)定試驗條件下，調(diào)節(jié)減壓筒下游孔板的開孔直徑，可測得每一個工況點的測試數(shù)據(jù)并通過計算可得到標準空氣狀態(tài)（環(huán)境溫度為20oC，大氣壓力為101325Pa）下的吸油煙機的空氣動力性能數(shù)據(jù)。

1.2 實驗數(shù)據(jù)

風(fēng)量測試臺有編號為0#到10#共計11塊出口孔板，代表了11種不同的管道阻力情況。其中，5#出口孔板下的管道阻力情況比較接近大部分家庭用戶實際使用時煙道、止逆閥及煙管等帶來的阻力情況，因此本研究以5#孔板下的空氣動力性能數(shù)據(jù)代表有效風(fēng)量和風(fēng)壓。試驗中通過控制吸油煙機中直流電機的檔位來調(diào)整風(fēng)量，測取4種不同有效風(fēng)量下的風(fēng)壓、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)。

圖1 外排式吸油煙機空氣性能試驗裝置Fig.1 The performance test device for the air extraction range hood

2 計算模型及數(shù)值方法

2.1 CFD模型

本研究以市面上某款歐式吸油煙機為原型，該機型集煙罩下方配有傾斜的整流板。配合灶臺和外部流動區(qū)域以真實模擬用戶使用狀況，從而構(gòu)建了數(shù)值模擬用的流體域。整個流體域劃分為部分房間區(qū)、集煙罩、過濾網(wǎng)、風(fēng)機架、葉輪內(nèi)電機區(qū)、葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)、蝸殼、出風(fēng)罩和出口延長段9個部分，坐標原點位于葉輪最前側(cè)的中心位置，如圖2所示。

圖2 幾何模型圖Fig.2 The geometric model

2.2 網(wǎng)格劃分

采用Gambit軟件對上述9塊流體區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，由于集煙罩和葉輪內(nèi)電機區(qū)域結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜而采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其余部分均采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。其中，葉片、蝸舌、集煙罩和整流板附近局部加密，保證局部流場的準確性。對網(wǎng)格進行無關(guān)性驗證后，部分房間區(qū)、集煙罩、過濾網(wǎng)、風(fēng)機架、葉輪內(nèi)電機區(qū)、葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)、蝸殼、出風(fēng)罩和出口延長段9個部分的網(wǎng)格數(shù)分別約為85萬、124萬、12萬、68萬、83萬、102萬、79萬、9萬和44萬，總計600萬左右。

2.3 計算模型

本研究采用有限體積法離散控制方程，采用SIMPLEC算法求解速度與壓力的耦合，采用PRESTO格式處理壓力項，采用二階迎風(fēng)差分格式處理動量、湍流動量和湍流耗散率。葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用基于穩(wěn)態(tài)求解的MRF動參考系模型，湍流模型采用RNGk-epsilon模型，用標準壁面函數(shù)處理近壁區(qū)域[10-12]。

2.4 物性參數(shù)及邊界條件

1）考慮到吸油煙機進出口空氣溫度和流速不高，流體介質(zhì)設(shè)為不可壓縮空氣，物性參數(shù)選用標準狀態(tài)下的空氣參數(shù)，與試驗計算時采用的物性參數(shù)保持一致。

2）房間四周（除后壁外）設(shè)為壓力進口邊界條件，表壓為0Pa；延長段出口設(shè)為速度出口，選用試驗得到的速度值；葉輪區(qū)域選用旋轉(zhuǎn)坐標系，給定轉(zhuǎn)速，其余為靜止區(qū)域，葉片各面設(shè)為MovingWall跟隨旋轉(zhuǎn)；采用interface處理交界面。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 氣動性能

在分析吸油煙機流場特性前需要評估判斷仿真計算結(jié)果的可信度，將采用試驗得到P-Q曲線與模擬得到的相應(yīng)數(shù)據(jù)點進行對比，結(jié)果如圖3所示。相同流量下，可進行對比的三個工況點的全壓試驗值和模擬值誤差都在5%以內(nèi)，可認為數(shù)值計算結(jié)果可信。

圖3 吸油煙機氣動性能的試驗和模擬值對比Fig.3 Comparison of test and calculation results of the aerodynamic performance for range hood

隨著有效風(fēng)量的增加，靜壓、全壓、有效功率、內(nèi)部功率及其全壓內(nèi)效率[5]也發(fā)生變化，如表1所示。觀察表1可知：在相同的排煙管道環(huán)境下，提高吸油煙機的有效風(fēng)量，同時也將大幅度提升出口靜壓，即意味著需要克服更高的阻力損失。隨著有效風(fēng)量從6m3/min增至12m3/min，內(nèi)部功率（即葉輪對氣體所做功）逐漸增大，12m3/min時所需的內(nèi)部功率達到6m3/min時的8倍左右，而全壓內(nèi)效率先增后減，在10m3/min出現(xiàn)了拐點。

表1 不同有效風(fēng)量下的吸油煙機性能比較Tab.1 Comparison of the aerodynamic performance under different effective flow rate

3.2 流場特性

圖4為同一排煙管道環(huán)境，不同有效風(fēng)量的吸油煙機進氣口附近Y=0截面的靜壓云圖。從圖中可以明顯的看到，有效風(fēng)量變化對整流板上方的集煙腔體內(nèi)流場影響較大，隨著有效風(fēng)量的增大，整流板上方的負壓隨之增大，在油煙較大的情況下，較小的有效風(fēng)量可能出現(xiàn)不能及時排走腔內(nèi)油煙而惡化吸煙效果的情況。在整流板與集煙腔形成的四周進風(fēng)口附近，以-0.1Pa等壓線為基準，隨著有效風(fēng)量的增加，負壓區(qū)不斷外擴，但有效風(fēng)量在10m3/min后，外擴速率明顯減緩，對吸煙效果的改善幫助有限。

圖4 不同有效風(fēng)量的吸油煙機進氣口靜壓云圖（Y=0）Fig.4 The static pressure distribution of the range hood inlet under different effective flow rates(Y=0)

圖5 不同有效風(fēng)量的吸油煙機進氣口速度云圖（Y=0）Fig.5 The velocity distribution of the range hood inlet under different effective flow rates(Y=0)

圖5則為同一排煙管道環(huán)境、不同有效風(fēng)量的吸油煙機進氣口附近Y=0截面的速度云圖。圖中表明，不同風(fēng)量下吸油煙機外部速度場左右對稱性較好，但小風(fēng)量和大風(fēng)量在速度分布上存在較大的區(qū)別。以等速線0.1m/s為基準，有效風(fēng)量在6m3/min時，此等速線并未合攏，中間區(qū)域速度小于0.1m/s，而此等速線在8m3/min、10m3/min、12m3/min有效風(fēng)量下為合攏狀態(tài)，且風(fēng)量越大，等速線越下移、靠近灶臺。另外，整流板下方的氣流靜止區(qū)也隨著有效風(fēng)量的提升而減少，但10m3/min和12m3/min的區(qū)別已不大。這些同樣表明，有效風(fēng)量的提升能改善吸煙效果，但超過10m3/min后通過有效風(fēng)量的提升來改善吸油煙效果并不是合理的途徑。

同一排煙管道環(huán)境、不同有效風(fēng)量下的吸油煙機進氣口附近X=0截面的速度云圖如圖6所示，斜置的整流板對整流板下方的流場影響較大，左右兩側(cè)都存在負壓區(qū)，但左側(cè)負壓區(qū)（靠墻壁）相比右側(cè)的低。對比四個風(fēng)量下的靜壓分布情況，風(fēng)量越大，同值的等壓線越往下移，移動規(guī)律上與正面靜壓分布規(guī)律保持一致。

圖6 不同有效風(fēng)量的吸油煙機進氣口靜壓云圖（X=0）Fig.6 The static pressure distribution of the range hood inlet under different effective flow rates(X=0)

綜合來講，吸油煙機外部無論靜壓還是速度都較小，這主要是這部分氣流的通流面積較大且并未經(jīng)過葉輪的做功狀態(tài)。結(jié)合表1、圖4、圖5和圖6的流場分布情況，增加有效風(fēng)量能提升集煙罩下方控?zé)焻^(qū)攏煙效果和整流板上方集煙區(qū)的排煙效果，但增大到一定程度（本研究表明10m3/min為界限），其攏吸煙效果改善相對較少，而且效率在有效風(fēng)量為10m3/min時出現(xiàn)了拐點，有效風(fēng)量為12m3/min時，系統(tǒng)內(nèi)部功率也是有效風(fēng)量為6m3/min時的8倍左右，即需要匹配更高的電機輸出功率。

4 結(jié)論

本研究在實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，主要針對同一排煙管道環(huán)境、不同有效風(fēng)量下的吸油煙機進行CFD流場仿真計算，對比分析油煙機集煙罩下方控?zé)焻^(qū)的壓力分布和速度分布情況，以及對比了性能數(shù)據(jù)的試驗和仿真結(jié)果的差異性，得到如下的結(jié)論：

1）氣動性能模擬值與試驗值誤差在5%以內(nèi)，表明本文采用的數(shù)值方法能夠較準確預(yù)測吸油煙機的氣動性能；

2）有效風(fēng)量對整流板上方的集煙腔體影響較大，隨著有效風(fēng)量的增大，整流板上方的負壓隨之增大，有利于及時排走集中在腔體內(nèi)的油煙；

3）有效風(fēng)量的增大，負壓區(qū)不斷外擴，吸煙效果改善，但有效風(fēng)量增至10m3/min后，外擴速率明顯較緩，而有效風(fēng)量的增加帶來電機輸出功率的上升，耗費更多的電能，因此有效風(fēng)量對實際產(chǎn)品應(yīng)用來說存在一個最佳值。

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