247 引射流对厨房排烟影响的数值模拟

1引射流对厨房排烟影响的数值模拟北京建筑工程学院许捷[1]赵静野摘要：在传统的厨房抽油烟机系统中增加向上的引射流，可以利用引射流的卷吸作用带动烟气向上流动，从而达到增强抽油烟机排烟能力的效果。本文利用CFD技术对增加引射流的厨房排烟系统进行了数值模拟和计算。对于不同的送风速度下所模拟出的厨房烟气浓度、密度以及气流组织进行了对比分析，提供了一个相对理想的速度值作为参考。通过模拟结果可以得出，增加引射流能够改善厨房排烟系统的排烟能力，在此基础上提出了一种新型家用厨房抽油烟机系统。关键词：厨房排烟；引射流；CFD模拟NumericalinvestigationofthecitationjetimpactonthekitchenhoodsystemBeijingInstituteofCivilEngineeringandArchitecture,JieXu,JingyeZhaoAbstract:Foraddingupwardcitationjetintotraditionalkitchenrangehoodsystems,Entrainmenteffectofcitationjetisusedtobringthegas,sotheabilityofdischargingsmokeisincreased.Inthethesis,CFDisintroducedtonumericalsimulateandcalculatetheaddedkitchendischargingsystems.Accordingtoanalysistheconcentration,densityandcurrentarrangementmodeledinvaryvelocities,anidealvelocityisgotforreferencing.Wecanconcludethatthekitchen’sdischargingabilityisincreasedbyaddingthecitationjet.Onthisbasis,weintroduceanewdomestickitchenrangehoodsystems.Keywords:Kitchenexhaust;citationjet;computationalfluiddynamics(CFD)0引言随着人民生活水平的提高，厨房排烟问题越来越受到重视，相关的研究也逐渐多起来。而且一般家庭中空气主要污染源来自厨房。特别是贯通式客厅和起居室的布局的室内空气受厨房的影响非常大。在烹饪过程中，不论是灶具排放出大量的有害气体（CO，NO），及油烟的挥发都对人体健康危害极大。加强厨房的通风是非常有必要的。本文通过对居民厨房中增加向上引射流的抽油烟机排烟系统进行了数值模拟计算，研究了不同引射流速对房间烟气分布的影响。1模拟计算方法1.1物理模型的建立2本模型选定的厨房尺寸为3m×3m×3m（L×W×H），计算中涉及到的两个上底为0.3m、下底0.2m、高为0.05m的锥形锅，抽油烟机排油烟出口尺寸为0.25m，引射流出风口采用条缝型风口，风口尺寸为0.4m×0.3m（L×W），取风口的中心为原点（0，0，0），采用三角形非结构化网格进行面网格划分，体网格采用Tgrid划分方案，网格质量评价常用标准EquiAangleSkew（等角失真）值平均在0.5左右，属于高质量网格，划分的网格数为179,957个，厨房结构及网格分布如图1所示。1.2数学模型的建立为了对抽油烟机油烟控制效果进行研究，本文对抽油烟机在不同的工作状态下厨房内气流速度场进行了计算。通过使用CFD软件进行计算时,对房间网格的划分采用均匀网格（如图2），湍流模型选用标准k—ε两方程和壁面函数法湍流模型,控制方程离散采用一阶迎风差分格式,对压力与速度的非耦合采用SIMPLE算法求解。为简化计算，作如下假设：(1)室内气流流动为稳态紊流；(2)采用Boussinesq假设,认为密度变化仅对浮生力有影响，控制方程选择考虑浮升力的方程；(3)室内的气流属于常温常压及低速下的流动，可以视为不可压缩流动，忽略能量方程中由流体黏性力做功所引起的能量耗散。模型控制方程采用以下三个方程:(1)质量守恒方程()()()0uvwxyz(1)式中：u,v,w分别为x,y,z三个方向的速度；ρ为密度。(2)动量方程()()()uvwSxyzxxyyzz(2)式中：Γ为广义扩散系统；S为源项。(3)能量方程(a)厨房结构（b）网格分布图1厨房结构及网格分布图3kSTpzwhyvhxuhgraddivdivU(3)式中：λ为流体的导热系数；Sh为流体的内热源；pdivU为表面力对流体微元体所做的功，一般可以忽略；φ为由于粘性作用机械能转化为热能的部分，称为耗散系统。1.3边界条件对于速度，按照固体壁面无滑移边界条件处理。由于油烟的主要成分为CO2，故设锅油烟释放出口(inlet_1)的介质为CO2，并设定为质量流量入口（massflowinlet）；厨房窗户(inlet_2)为压力入口（pressureinlet）；引射射流出口(inlet_3)设定为速度入口边界条件（velocityinlet）；抽油烟机排油烟出口(outlet)设定为排风扇出口（exhaustfan）；假定厨房门是关闭的，围护结构保温性能良好，壁面按绝热边界处理。2计算结果及分析在模拟中分别取引射流的流速为1m/s、3m/s、5m/s、7m/s、10m/s，以及无引射流的情况作为对比。为了方便计算和分析不同引射流度对厨房室内油烟散发的浓度场和速度场的影响，将的工况参数分为如表1所示的6种工况。表1工况划分工况1工况2工况3工况4工况5工况6是否有向上的引射流否是是是是是outlet绝对压力（Pa）-200-200-200-200-200-200inlet_1质量流量（kg/s）111111inlet_2绝对压力（Pa）000000inlet_3速度（m/s）\1357102.1不同射流速度下不同断面CO2所占的体积分数随房间高度的变化选取高度差为0.1m为一个断面，通过Fluent模拟可以得出各种工况下各断面的CO2所占的体积分数，如表2和图2所示。从图2可以看出，在距灶台高度为0-0.1m处时CO2的体积分数有个阶跃，这跟灶台处的锅油烟释放出口(inlet_1)产生的CO2有关。但随着高度的增加，CO2逐渐在空气中被工况1工况2工况3工况4工况5工况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表2不同工况不同高度的CO2所占的体积分数（%）图2不同工况CO2体积分数随空间高度的变化图不同工况CO2体积分数随空间高度的变化图0.001.002.003.004.005.006.007.008.009.0010.000.000.100.200.300.400.500.600.700.80距灶台的高度(m)CO2的体积分数（%）工况1工况2工况3工况4工况5工况64稀释，所以CO2的体积分数逐渐减少。对比表2中的数据可以看出，当引射流在低速时，随着流速的增加，CO2的体积分数逐渐减少，但当流速大于5m/s时，CO2的体积分数随着流速的增加而递增。由此可以看出，引射流在一定程度上，的确增加了抽油烟机对CO2的吸收，最佳引射流速度为3m/s左右。2.2不同射流速度下不同断面气体密度随房间高度的变化选取高度差为0.1m为一个断面，通过Fluent模拟可以得出各种工况下各断面的气体密度，如表3和图3所示。由空气的密度为1.225kg/m3，CO2的密度为1.7878kg/m3，可以知道，随着气体密度的增加，CO2的含量也随着增加。从表3可以看出当引射流速为3m/s时，气体的平均密度最小，所以，此时CO2的含量也最小。因此，通过对不同射流速度下气体密度的变化，可以从另一个角度验证了2.1所提出的结论。2.3不同射流速度下的烟气分布图对于这六种情况，分别取锅的中心面（x=3）的烟气的分布图来对进行比，如图4-图9所示。工况1工况2工况3工况4工况5工况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不同工况不同高度的气体密度（kg/m3）图3不同工况气体密度随空间高度的变化图图4无引射流时烟气的分布图5引射流速为1m/s时烟气的分布不同工况空气密度随空间高度的变化图1.20001.21001.22001.23001.24001.25001.26001.27001.28000.000.100.200.300.400.500.600.700.80距灶台的高度(m)空气密度（Kg/m3）工况1工况2工况3工况4工况5工况65从图4可以看出，当无引射流时，烟气的分布更加广泛，在人的操作区域附近存在着稀薄的烟气。通过图4到图9的对比可以发现，随着添加引射流以及引射流流速的增加，当引射流速在1-5m/s时，烟气的分布更加密集，也趋于向灶台靠拢，抽油烟机具有较好的抽烟效果。但当引射流速大于5m/s时，烟气场的分布逐渐向人的操作区域靠近，而且烟气的浓度很大。由此可以看出，低速的引射流可以利用卷吸作用带动烟气向上流动，从而达到增强抽油烟机排烟能力的效果。但当引射流速很大时，会加大抽油烟机的负荷，导致抽油烟机吸收了大量的空气而无法更加有效的吸收烟气。3结论1）通过采用CFD数值仿真计算方法，证明了引射流在一定程度上促进了抽油烟机的排烟效果；2）当引射流速以5m/s以下的低速流动时，可以利用其卷吸作用带动烟气向上流动，从而达到增强抽油烟机排烟能力的效果；3）当引射流速以5m/s以上的高速流动时，会加大抽油烟机的负荷，导致抽油烟机吸收了大量的空气而无法更加有效的吸收烟气；4）通过数值模拟可以得出，在所建立的厨房抽油烟机模型中引射流的最佳引射流速度为3m/s。图6引射流速为3m/s时烟气的分布图7引射流速为5m/s时烟气的分布图8引射流速为7m/s时烟气的分布图9引射流速为10m/s时烟气的分布6参考文献[1]陶文铨．数值传热学[M]第2版．西安：西安交通大学出版社，2001[2]杨吉，刘文斌．厨房通风的数值模拟[J]．制冷与空调，2007，(02)：91-93页[3]JuanAbanto,MarceloReggio.Numericalinvestigationoftheflowinakitchenhoodsys