291住宅厨房变压式排气系统的数值模拟

1、住宅厨房变压式排气系统的数值模拟邵治民-樊越胜i ,曲博21西安建筑科技大学，2西安青云产业有限公司摘 要：针对高层住宅厨房集中式排气系统串烟的问题，运用cfd技术对3种形式的 fpq型排气道进行了速度场和压力场的模拟计算，结果表明：只设导流装置的系统 使用效果较好，系统的平均排气量为371.7n?/h,用户最大与最小排气量的差值为176.3 n?/h;若以吸油烟机油烟捕集效率为90%的排气量作为设计值，即使对于排气效果 较好的上述系统，当同时使用系数为0.66时，约有60%的用户达不到设计排气量；未 开机用户支管的静压值在116.2197.3pa之间，出现串烟的可能性较大。关键词：排气道；进

2、气口；数值模拟；排气量共川竖向集屮排气系统是目前住宅厨房使用较多的一种通风排气方式。该系统的主耍动 力源是各家厨房的吸油烟机；排气道一般为定型产站，多数为等截而排气道，大都带有引射 导流装置和止逆构件，起到防倒灌、防串烟的作用；排气道出屋面后设置防雨或无动力风帽, 一般无屋顶风机叫 但是，实际使用屮这种系统还是存在不同住户间串烟、串味的现象，影响 居民的日常生活3j o国家建筑标准设计图集：07j916-1住宅排气道（一）中，有五种形式的排气道可供选择, 这五种定型产站都采取了相应的措施，來改善系统的排气效果和防止串朋、串味的发工，女1【： 图集屮的fpq型排气道就根据流体力学原理设置了变压板

3、和导流装置，且在各户的排气口处 安装防串烟止逆阀和导流式防火阀。本文针对fpq型排气道（模型1）进行了 fluent模拟 计算，并与无变压板、有导流装置（模型2）和无变压板、无导流装置（模型3）的排气道做 了对比，分析各口的使用效果。1物理模型及网格划分12层住宅厨房排气系统，模型如图1所示，层高取2.8im排气道的规格及附属件的尺寸 详见文献。使用gambit软件为cfd模拟生成网格模型。采用三维模拟，以结构化网格中 的六而体网格单元为主，主耍采用map. submap.和cooper网格划分类型叫 局部网格划分 结果见图2。图1物理模世因定減压式防傅虑 凤幅（成品）模码、卜第12s2 fl

4、uent i|"算说明2. 1求解器的选择和求解控制参数的设置选择分离式求解器的隐式方案进行控制方程的线性化。压力方程的离散格式采用standard格 式，压力-速度耦合采用simplec算法，动量、湍动能和湍动耗散率方程选择二阶迎风离散格 式。2. 2计算模型的确泄木模拟以空气代替汕烟为流体介质，空气可以认为是不可压流体、符合boussinesq假设、 满足理想气体状态方程。采用标准k-e湍流模型进行计算，在近壁区采用标准壁面函数法处理, 不考虑温度的影响7】。对于稳态不可压流动，其棊本控制方程冈如下：(1)连续性方程：色=0dxj动量方程：q丄(£" .) =

5、 dx jdxj 5xi 丿+ pg：湍动能k方程:小fex jdx jdkdxf湍流动能耗散率£方程:cxjoxjdsdxfdu- 5u+： k dxf dx ：dxf1 j1 7以上各式中,为速度，i, j为张量下标，取1, 2, 3； p为流体密度；“为粘度系数；"为湍流引起的粘度系数；r为湍流脉动动能；0为湍流动能耗散率。经验常数9 c=1.44, c2=1.92, c“=0.09, cra =1.0,乙=1.3。2.3边界条件的设置(1) 进口边界条件：当用户吸汕烟机开启时，进口边界取外部进气扇类型；当吸汕烟机 未开启时，假设止逆阀关闭严密，取壁面类型。借用文献1

6、0中对吸油烟机的检测数据，经多 项式拟合,得出风量全压特性曲线为:p =300.5+0.102 q-0.001 q2+6.8e-7 q3 (2=0.981)。根据体积流屋与流速的关系可得出全压流速关系式(5),将式(5)作为外部进气扇边界条件 中的压力阶跃函数。p=300+6.24v-3.75v2+06“(5)式中：p吸油烟机的全压，pa；v用户支管入口的流速，m/so(2) 出口边界条件：排气道出屋面设防雨雪、防倒灌功能的排气风帽，阻力系数在0.5 1.2之间,模拟中出口边界条件取排风口类型，阻力系数取；=1.0o(3) 壁面边界：壁面均取无滑移壁面边界条件。对于fi前普遍采川的玻璃纤维增强

7、薄壁 水泥预制构件排气道，绝对粗糙度k=1.5mni时，流动阻力与实测结果基本吻合，故本模拟 中采用1.5mm。3模拟结果分析将模拟计算出的各用户排气量和入口处静压值，以节点平均值的形式输出，具体如图3、 图4所示。第10层用户主、管合流处静压分布见图5。由图3看出，模型1、3各用户的排气量变化趋势基木一致，模型3的不平衡情况最严重， 最大排气量用户与最小排气量用户的差值达323.2 m3/h,为系统平均排气量的85%；模型2各 用户的排气最变化趋势较平缓，最人排气最用户与最小排气最用户的羌值为176.3 n?/h,为系 统平均排气量的47%o因此不设变压板、冇导流装置的系统排气效果较好，而同

8、时设变压板 和导流装宜的系统却因系统流动阻力的増加，平均排气量反而是三者屮最小的，为347.9n?/h。 在图4中，模型1、2与模型3相比，系统静压值在未开机用八支管处出现突然降低，这是由于 设置的导流装置起到了动静压转换的作用；而r可以看出，越到上部静压值降低的幅度越大, 原因是随着主排气道内流速的增人，在相同的截面积变化最as下，动静压转换最zp变大。 图4中模型1与模空2相比，尽管模型1在主、支管合流处增设了文丘里变压板，使排气道截面 积减小了26.4%；但是只有在9层以上时，模型1未开机用户支管处的静压降才大于模型2 (如 图5所示，模型1由160 pa降低到了 lllpa,模型2由1

9、40 pa降低到了 116pa。)；这是因为：模型1 增加变压板后，下部用户的流动阻力明显增大，主排气道内的流速降低，变压板的变压作用 减若；而对于上部用户，随着排气道内流速的增大，变压板的动静压转换量ap逐渐变大。整 体上看，模型2系统排气道内静压值变化趋势较为平缓，未开机用户支管处的静压值也和对较 低，这有利于捉高系统防串烟、串味的能力。700650-505模缁1:模型2：模型3：同时设变压板和导流装 不设变压板，有导流装 不设变压板，无导流装-005so o5 0 5 0 4 3 3 2 2 (m/e)帕<盍丄圧弁45说明：同时使用系数取0.66,均匀开启:屋顶凤帽局部阴力系数ir

10、l.oonnnnn12图3 3种模型系统排气暈分布图380145967层数10 111213(£)爭-建哉，习二ef模型1 20-y（ 120-）一儿3、 / 十容一咲丿/（止建阀闭）1图4 3种模型系统筋压值变化图图5 z=0截面静压等值线图极醴3167 第10层/ （止逆冏闭168ar169k /170-、/y*文献1315表明，增加厨房排气量可以提高吸油烟机的油烟捕集效率。对于上排烟式厨 房的深型集气罩，排风量在370 m3/h以上时，油烟捕集效率在90%以上；而对于浅（薄）型吸 汕烟机，排风量为370 nwh时，汕烟捕集效率为74.8%130若以370 n"/h作为

11、设计排气量，则对 于排气效果较好的模型2系统，在中1.0、同时使用系数取0.66,且不考虑用户支管及各种阀门 的流动阻力情况下，计算表明只冇敲上部3个用户的排气量达到设计值，系统的平均排气虽为 372n?/h；当同时使用系数为1.0时，只有最上部2个用户的排气量达到设计值，分别为408.5 np/h、 476nwh,系统的平均排气量下降为280m3/ho另外，如果用户使用的是浅型吸油烟札则需 耍更大的排气量才能满足厨房通风排烟效果，阳对于冃前市场占有率较高的吸油烟机，风量 为420m¥h时，全压普遍在180230pa之间叫在不增人排气道截而积的前提下，下部住户 的汕烟捕集效率很难达到

12、90%以上。4结论（1）模型2与模型1、3相比，排气效果较好，系统的平均排气量为371.7nwh，用户最人 与最小排气量的差值为系统平均排气量的47%o模型2所设的导流装置对减小支管排气的气幕 阻力，以及对提高系统的排气平衡性和降低未开机用户支管处的静压值冇显著的作用。模型1 因流动阻力的增大，没有起到改善系统排气平衡性的作用，平均排气量也是三者屮最小的。（2）提高厨房油朋捕集效率是改善室内空气品质的关键问题，对于本文中排气效果较好 的模型2系统，在同时使川系数取0.66时，约有60%的川户达不到设计排气量，最小排气量出现在第2层用户，为317.4 nwh；未开机用户支管的静压值在116.21

13、97.3paz间，如果止逆阀 不严密，就可能出现串烟、串味现象。随着物业管理水平和白动控制技术的发展，建议设置 屋顶风机來改善竖向集中排气道内的静压分布，从而提高厨房排气效果，更好地改善室内空 气品质。参考文件：1 张卫国，关宏，路永军.住宅排烟道烟气倒灌与串味的原因分析j.建筑工人，2008(5)： 40-432 叶春，邱沈林，顾云杰.多层住宅排气道防窜味应用技术探讨j.建筑工程，2008 (30)： 2623 洪武开.高层住宅厨房集屮排烟若干问题的分析与对策j工程质量，2003 (8)： 24-264 国家建筑标准设计图集：0刀9161住宅排气道(一)s. 2007 王福军.计算流体动力学

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