住宅厨房油烟浓度的数值模拟和实测

1、40住宅厨房油烟浓度的数值模拟和实测朱明亮 朱培根(解放军理工大学内设教研室，南京 210007摘要本文运用CFD软件对不同排风量下厨房内油烟的浓度场分布进行了数值模拟，利用有限容积法和SIMPLE算法对微分方程进行离散求解，对模拟结果进行了分析，并结合实例对排烟效率这一指标进行了检测，为住宅厨房通风设计提供了一定的依据。0 引言随着人们生活水平的提高和住宅条件的改善,人们对厨房的排烟问题越来越重视。烹调时的油烟气是室内空气污染的主要来源之一，有效地排除油烟显得至关重要。各户使用排油烟机将油烟排至集中排烟竖井，油烟经竖井排至屋顶释放。这是目前普遍采用的方式1。关于排油烟机的排风量问题，在国家标

2、准GB/T17713-1999抽油烟机中，对风量的要求是7m 3/min，但是对于住宅厨房来说，究竟需多大的排风量才能既保证有好的排烟效果又不浪费能量。针对这个问题，本文运用CFD软件对不同排风量下油烟的浓度场分布进行了数值模拟，并结合实例对排烟效率这一指标进行了检测。1 油烟浓度场的数值模拟模拟对象为某住宅厨房，空间结构如图1所示。房间尺寸为5m×3m×3m(长×宽×高，北墙开设一个窗户，作为自然进风口。 1.1 物理模型厨房内的气体流动基本为低速流动，可将其视为不可压缩流体；同时空气温度变化不大，即密度变化不大，因此可认为室内空气流动符合Boussi

3、nesq 假设，密度变化并不显著改变流体性质；在动量守恒方程中，密度的变化对惯性力项、压力差项和粘性力项的影响可忽略不计，而仅考虑对质量力项的影响；气体流动属于湍流流动，粘性不可忽略，并且假设粘性具有各向同性，粘性系数可作为标量处理。 1.2 数学模型图1 厨房空间结构简 图411.2.1 控制方程本文采用-双方程模型2进行模拟计算，控制方程式在上面假设的基础上，得到-湍流数学模型的各时均值控制方程，以张量形式表示如下：连续性方程：0x u ii= (1 动量方程： +=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 为室内空气速度，m/s；k 为湍流脉动动能，m 2/s2；为湍流脉动动能耗散率；T 为室内空气温度，K ；为层流动力粘度，P a·s；t 湍流动力粘性系数，P a·s ；p 为空气压力，P a ；空气密度，kg/m3； p C 为定压比热容，kJ/(kg·K；q 为热流密度，W/m2；为流体体积膨胀系数；Pr 为普朗特数。1.2.2 边界条件固体壁面在靠近壁面处采用壁面函数法进行处理，进风口为压力边界条件，排风口处采用速度入口。模型采用六面体进行网格划分，利用

5、有限容积法和SIMPLE 算法对微分方程进行离散求解。 1.3 模拟结果与分析 1.3.1 模拟结果对厨房内的油烟浓度场进行了数值模拟，以下给出了不同风量下典型截面(x=3.65m上的油烟浓度场模拟结果，分别见图2、图3、图4。 图2 排风量为300m 3/h时x=3.65m断面处浓度场 分布 42 1.3.2 模拟结果分析由图2可知当排风量为 300m 3/h时，油烟机边沿处的油烟浓度达3.27 mg/m3左右，厨房内的油烟本底浓度值也较高；当排风量增加到450m 3/h，由图3可知油烟机边沿处的油烟浓度显著降低，只有1.25 mg/m3左右，厨房内的油烟本底浓度值也接近于0；当排风量由45

6、0m 3/h增加至600m 3/h时，由图4可知油烟机边沿处的油烟浓度和厨房内的油烟本底浓度值基本不变。通过上面的模拟结果可知，增加油烟机的排风量能显著地改善排烟效果，但是当排风量增加到一定程度后，再增加排风量对改善排烟效果作用甚微。2 排烟效率的检测为了验证油烟浓度场数值模拟结果的准确性，我们进行了实际检测。为了直观地反映出排烟效果的好坏，给出了排烟效率这一指标，它是排油烟机开机时排走的油烟量占未开机时产生的油烟量(未开油烟机时进入房间的油烟量的百分比，用表示。 2.1 检测方法当排油烟机未开启时，测出其边沿处的油烟浓度值1C (锅中产生的油烟浓度值；图3 排风量为450m 3/h时x=3.

7、65m断面处浓度场分图4 排风量为600m 3/h时x=3.65m断面处浓度场分43当排油烟机开启时，测出其边沿处的油烟浓度值2C (油烟不能全部排走时，外溢油烟的浓度值；最后测出厨房空气中油烟的本底浓度值0C 。于是排烟效率可按下式计算：%100C C C C 0121×= (42.2 检测装置检测装置以准确测出排油烟机边沿处外溢油烟的浓度值为目的，为了防止外界气流的干扰，在灶台与排油烟机之间的四周设置挡板(见图4。挡板与排油烟机之间留有一定的缝隙a，在四周的缝隙间各设置一个采样点，共四个采样点取其平均值为测试工况下的油烟浓度值。在挡板的下部与灶台之间留有150mm的间隙，作为开机

8、运行时的空气入口。油烟浓度测试缝隙a的大小与排油烟机的外形尺寸有关，可按下式计算取整得出:2B 5A . 107. 3 B 2/A (a 52×+= (5式中 a 挡板与排油烟机之间缝隙宽度，mm；A 排油烟机外形长度，mm；B 排 油烟机外形宽度，mm。2.3 检测实例为了 进一步验证不同风量对排烟效率的影响，选择了三台不同风量的排油烟机进行了试验，运行风量分别为300m 3/h，450m 3/h，600m 3/h，检测结果见表1。表1 排烟效率检测结果油烟浓度平均值,mg/m3样机号 风量 (m3/h 0C2C1C排烟效率(%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，样机1和样机2的风量相差150m 3/h，排烟效率相差17.3%，样机2和样机3的风量相差同样为150m 3/h，然而排烟效率却只相差3.8%。此结果表明当排油图5 检测装置示意图44烟机的排风量达到一定大的时候，再一味地增加排风量对提高排烟效率作用甚微。3 结论通过对不同排风量下油烟浓度的模拟和实测可知，增加排油烟机的排风量对改善厨房的排烟效果有很好的作用，但是当排风量增加到一定值的时候，再一味增加排风量不仅浪费能量，而且对改善排烟效果作用不大。在进行厨房通风设计时，一定要根据厨房的具体情况和排烟系统阻力，确定合适的排风量，既不浪费能量又能有效排