住宅廚房油煙濃度的數(shù)值模擬和實(shí)測

1、40住宅廚房油煙濃度的數(shù)值模擬和實(shí)測朱明亮 朱培根(解放軍理工大學(xué)內(nèi)設(shè)教研室，南京 210007摘要本文運(yùn)用CFD軟件對不同排風(fēng)量下廚房內(nèi)油煙的濃度場分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，利用有限容積法和SIMPLE算法對微分方程進(jìn)行離散求解，對模擬結(jié)果進(jìn)行了分析，并結(jié)合實(shí)例對排煙效率這一指標(biāo)進(jìn)行了檢測，為住宅廚房通風(fēng)設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)的排風(fēng)量問題，在國家標(biāo)

2、準(zhǔn)GB/T17713-1999抽油煙機(jī)中，對風(fēng)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(fēng)量才能既保證有好的排煙效果又不浪費(fèi)能量。針對這個問題，本文運(yùn)用CFD軟件對不同排風(fēng)量下油煙的濃度場分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，并結(jié)合實(shí)例對排煙效率這一指標(biāo)進(jìn)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(jìn)風(fēng)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(rèn)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(xiàng)、壓力差項(xiàng)和粘性力項(xiàng)的影響可忽略不計(jì)，而僅考慮對質(zhì)量力項(xiàng)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(biāo)量處理。 1.2 數(shù)學(xué)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(jìn)行模擬計(jì)算，控制方程式在上面假設(shè)的基礎(chǔ)上，得到-湍流數(shù)學(xué)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?cái)?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(jìn)行處理，進(jìn)風(fēng)口為壓力邊界條件，排風(fēng)口處采用速度入口。模型采用六面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用

5、有限容積法和SIMPLE 算法對微分方程進(jìn)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(jìn)行了數(shù)值模擬，以下給出了不同風(fēng)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(fēng)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(dāng)排風(fēng)量為 300m 3/h時，油煙機(jī)邊沿處的油煙濃度達(dá)3.27 mg/m3左右，廚房內(nèi)的油煙本底濃度值也較高；當(dāng)排風(fēng)量增加到450m 3/h，由圖3可知油煙機(jī)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(dāng)排風(fēng)量由45

6、0m 3/h增加至600m 3/h時，由圖4可知油煙機(jī)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(jī)的排風(fēng)量能顯著地改善排煙效果，但是當(dāng)排風(fēng)量增加到一定程度后，再增加排風(fēng)量對改善排煙效果作用甚微。2 排煙效率的檢測為了驗(yàn)證油煙濃度場數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們進(jìn)行了實(shí)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(biāo)，它是排油煙機(jī)開機(jī)時排走的油煙量占未開機(jī)時產(chǎn)生的油煙量(未開油煙機(jī)時進(jìn)入房間的油煙量的百分比，用表示。 2.1 檢測方法當(dāng)排油煙機(jī)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(fēng)量為450m 3/h時x=3.

7、65m斷面處濃度場分圖4 排風(fēng)量為600m 3/h時x=3.65m斷面處濃度場分43當(dāng)排油煙機(jī)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(jì)算：%100C C C C 0121×= (42.2 檢測裝置檢測裝置以準(zhǔn)確測出排油煙機(jī)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(jī)之間的四周設(shè)置擋板(見圖4。擋板與排油煙機(jī)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(diǎn)，共四個采樣點(diǎn)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(jī)

8、運(yùn)行時的空氣入口。油煙濃度測試縫隙a的大小與排油煙機(jī)的外形尺寸有關(guān)，可按下式計(jì)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(jī)之間縫隙寬度，mm；A 排油煙機(jī)外形長度，mm；B 排 油煙機(jī)外形寬度，mm。2.3 檢測實(shí)例為了 進(jìn)一步驗(yàn)證不同風(fēng)量對排煙效率的影響，選擇了三臺不同風(fēng)量的排油煙機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)，運(yùn)行風(fēng)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(jī)號 風(fēng)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(jī)1和樣機(jī)2的風(fēng)量相差150m 3/h，排煙效率相差17.3%，樣機(jī)2和樣機(jī)3的風(fēng)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(dāng)排油圖5 檢測裝置示意圖44煙機(jī)的排風(fēng)量達(dá)到一定大的時候，再一味地增加排風(fēng)量對提高排煙效率作用甚微。3 結(jié)論通過對不同排風(fēng)量下油煙濃度的模擬和實(shí)測可知，增加排油煙機(jī)的排風(fēng)量對改善廚房的排煙效果有很好的作用，但是當(dāng)排風(fēng)量增加到一定值的時候，再一味增加排風(fēng)量不僅浪費(fèi)能量，而且對改善排煙效果作用不大。在進(jìn)行廚房通風(fēng)設(shè)計(jì)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(fēng)量，既不浪費(fèi)能量又能有效排