054防住宅排烟道烟气倒灌的模拟研究正文

防住宅排烟道烟气倒灌的模拟研究中国建筑科学研究院空调所胡小明彭荣王智超摘要：我国住宅排烟道在并联多个排油烟机且不设总排风机的工况下，尚存在防烟气倒灌能力低的问题。目前，北京某厂家推出一种内置引射诱导器的通风排烟系统，并由国家空调设备质量检测中心实地进行空气动力性能检测，证明其防烟气倒灌的效果比较好。本文选取上述空气动力性能检测中的某一近似工况，运用CFD软件模拟引射诱导器的工作原理，分析烟道、引射器中的静压与排风量间的变化规律，及研究引射器的引射特性。模拟结果表明，管道排风量与静压变化规律和实地检测的变化规律基本一致。从而证明在实验结论的支持下，用CFD模拟代替繁杂的物理模型实验是可行的方案，这对今后通风排烟系统的开发设计具有重要意义。关键词：防烟气倒灌引射诱导器排风量静压变化规律CFD模拟1前言目前住宅建筑中出现的厨房、卫生间排气道，主要存在防倒灌、防串烟串味的能力低，尤其在20层以上的住宅建筑中昀明显，用户反映不满意。以往许多学者曾对此问题做过不少研究开发，但对此问题解决不够完善，只在10层以下的住宅建筑中还有效果。有的为了解决这一问题，还在排烟道进口处，又增设了逆止阀装置，即排油烟机关闭时，逆止阀也关闭，阻止了通风道中油烟的倒灌，但时间一久，由于中国式的烹饪习惯所产生的油烟将逆止阀的阀片牢牢沾死，再也无法排风了，油烟机只耗电，排不了风，给用户造成不良后果，其通风效果可想而知。为此，北京某厂家经上百次地试验，研发出了既能防倒灌、防串烟串味，又能满足避风能力的排烟道系统[1]。其系统不设总排风机，是由多节土建风道、油烟机和风帽组成，每节风道2.8m且内置一引射诱导器（由导流板、引射器及排烟支管构成，详见图2）。该系统中引射诱导器的工作特性类似于文丘里流量计的工作特性[2]。文丘里流量计如图1所示，是由一段渐缩管，一段喉管和一段渐扩管，前后相连而成。当流体通过此流量计时，由于喉管断面缩小，流速增加，压强相应减低，用压差计测定压差，根据喉管尺寸可计算出流速和流量。若在喉管开一小孔，当进气（V1）通过喉管时，在气流（V2）的诱导作用下，将垂直管中的空气（V3）抽入水平管中，变成V2+V3=V4的气流流出。当油烟机关闭时，气流经过导流板喉部渐缩空间的风速变大，静压相对应地减低，从而在引射器周围形成低静压带，同时风道内气流流过引射端管表面时，借助喉部高风速对引射器内的空气起到诱导作用，在引射器内形成负静压，即达到了防烟气倒灌的效果；当油烟机不同层开机时，通过引射诱导器将油烟机的排风量变成主烟道内的喷射射流，在不同烟道高度上，形成多股射流的接力通风效果。根据烟道在不同高度层上，可调节导流板与引射器之间的峡缝宽度，以利达到顺畅的排风作用。1其理论推导如下：gvpZgvpZ2222222111++=++γγ………………………………（1-1）由于Z1=Z2=0,并移项得：hgvgvppΔ=−=−22212221γγ………………………………（1-2）又因为，22221144dvdvQππ×=×=………………………………（1-3）转化为，42121222122)(2/2/ddgvgvvv==………………………………（1-4）代入能量方程（1-2）式中得：4122)(12ddhgv−Δ=………………………………（1-5）由（1-5）式可看出，当风量一定时，缩小喉管尺寸，通过喉管的风速V2增大，△h也增大。喉管静压P2变小了，但同时管内阻力增大，喉管前部的渐缩管内静压P1也增大，所以对于实际的排烟系统来说，一味地缩小两导流板间的喉部尺寸，增大喉部风速，减小喉管静压，以期达到防倒灌的效果是不容易实现的。必须通过多次物理模型试验或模拟计算，分析出喉部尺寸、喉部静压和烟道静压等综合因素的变化规律，才能得出昀佳的防烟气倒灌设计方案。2建立模型假设：1）烟道内烟气为理想状态下的空气，且不考虑烟气的重力因素；2）不考虑烟道的阻力因素。根据上述排烟道的结构特性和工作原理，运用计算机建立以下计算模型（如图2）。排烟支管（管道静压测点）s.dP#n-1n+1##nQtVtdQYXOutletInlet引射诱导器端管导流板XZ图2排烟道X-Y平面、X-Z断面图2注：1）图2中n#表示第n层，n-1#表示第n-1层，n+1#表示第n+1层,层高为2800mm；2）X-Z断面尺寸：500mm×400mm，Qd为烟道内排风量；3）引射器出口尺寸：Φ125mm，引射器进口尺寸：Φ100mm，Vt为引射器的喉口风速，Qt为引射器的风量，即油烟机排风量（本文规定Qt=150m3/h）；4）PS.d为烟道内静压（亦称烟道平均静压，测点位置如图所示），PS.t为引射器内静压。3模拟计算3.1模拟引射诱导器工作原理设定Qd=3000m3/h，Qt=0m3/h(即Vt=0m/s)，分析烟道静压、速度场分布状况（如图3、4所示）。图3X-Y平面烟道静压场分布图图4X-Y平面烟气速度场分布图当一定风量经过一段内无障碍物的管道时，由于只受到管壁摩擦力的作用，其管道内静压分布应呈现均匀衰减的规律。但在图3中，当烟气经过引射诱导器时，烟道阻力增加，在诱导器的前方“屯”积了压力，其前后形成了明显的静压梯度场。部分风量通过导流板和管壁间的空隙，静压、速度场分布相对均匀，而部分风量通过导流板与引射诱导器间的喉部时，在喉部产生较高的风速（如图4所示），相应地产生较低静压。从图4很明显地看出，引射器的喉口位置有一片低静压带，导流板和管壁间的静压相对较高，所以，当烟气经过引射诱导器时，阻止了烟气倒灌到引射器内，对引射器内的静压起到了“保护”作用。同时，由于导流板间的喉部风速较高，流过引射器表面时，在端管喉口边缘处产生多重复杂的旋涡，静压较低（如图5所示），端管内的空气沿着管壁被“诱”出，而且沿着管壁流出的风速较中心处风速要高（如图6所示）。3图5X-Z平面烟道静压场分布图图6X-Y平面烟气速度矢量分布图3.2模拟分析烟道内排风量与静压的关系我们曾对北京某工地的排烟道系统进行实地检测，该系统由18节土建风道连接组成，每节风道长2.8m且内置一引射诱导器。检测分5个工况进行，烟机开机率分别为：16.7%、33.3%、50.0%、66.7%和83.3%。本文选取开机率为33.3%、50.0%时的检测数据，详见表1、表2。表1烟机开机率33.3%楼层检测工况123456789烟道静压(Pa)-3.9-5.80.00.00.02.92.90.01.9排烟支管内静压(Pa)-1.0150.60.0-1.0127.40.00.0152.5-1.0油烟机排风量(m3/h)关机371关机关机363关机关机336关机楼层检测工况101112131415161718烟道静压(Pa)1.90.00.0-2.9-3.9-4.8-4.8-5.8-6.8排烟支管内静压(Pa)-1.0133.2-2.9-7.7131.3-1.9137.1-1.9-2.9油烟机排风量(m3/h)关机329关机关机315关机312关机关机表2烟机开机率50.0%楼层检测工况123456789烟道静压(Pa)0.03.97.712.610.612.610.65.83.9排烟支管内静压(Pa)0.0153.0149.11.9133.63.9139.40.0139.4油烟机排风量(m3/h)关机358296关机294关机278关机371楼层检测工况101112131415161718烟道静压(Pa)10.85.84.8-1.9-1.9-3.8-3.8-4.8-5.7排烟支管内静压(Pa)0.0137.5-1.9131.7-1.9145.2145.2-2.9-3.9油烟机排风量(m3/h)关机324关机339关机359359关机关机4从表1、2可看出，开机率由33.3%变成50.0%时，开机数增加了3台，通过第17、18层的排风量由2026m3/h增加到2978m3/h，烟道内静压对应地增加了近1Pa，而排烟支管内负静压降低了近1Pa（表中第17、18层出现较大的负压绝大部分是由排烟道顶层的风帽引起的），而且开机率50.0%时每层的烟道静压都比开机率33.3%的要高。同时也可看出，开机率分别为33.3%、50.0%时，第18层都比第17层排烟支管内负静压要低。通过第17、18层的风量恒定时，导流板喉部风速的变化不大，“诱”出引射器内空气的效果近似，但由于第17层烟道内静压比第18层的高，所以经过多方面因素的综合影响，显示出第18层引诱导射器的诱导效果比17层要好。根据实地检测工况的数据分析，我们运用CFD软件模拟上述的近似工况，分析烟道内排风量与静压的变化规律与实地检测呈现的规律是否一致。模拟工况：设定n+1#～n+n#烟道阻力恒定（即第n+1至n+n层油烟机全部关闭或部分开启，不改变其工作状态），从Inlet流入的风量Qd为稳定流态。关闭第n-1、n、n+1层油烟机，改变Qd（分别设为900、1050、1200、1350、1500m3/h）。按图2所示，运用CFD软件建立流体计算模型，经计算得到烟道排风量与静压的相关数据，详见表3。表3风量（m3/h）静压（Pa）9001050120013501500P(n-1)s.d6.102E-018.497E-011.188E+001.688E+001.972E+00P(n)s.d3.529E-014.922E-016.836E-019.748E-011.139E+00P(n+1)s.d4.618E-026.206E-028.129E-021.141E-011.339E-01P(n-1)s.t7.327E-102.231E-105.341E-11-1.028E-09-3.904E-09P(n)s.t-3.006E-01-4.124E-01-5.994E-01-8.520E-01-9.992E-01P(n+1)s.t-5.521E-01-7.723E-01-1.114E+00-1.588E+00-1.860E+00排风量Qd与烟道、引射端管内的静压关系曲线，如图7、8所示。-0.500.000.501.001.502.002.509001050120013501500PS.d(Pa)第n+1层第n层第n-1层Qd(m3/h)图7排风量与烟道内静压的关系曲线5-3.00-2.50-2.00-1.50-1.00-0.500.000.509001050120013501500Qd(m3/h)PS.t(Pa)第n+1层第n层第n-1层图8排风量与引射器内静压的关系曲线经模拟分析可得知，随着排风量Qd的增加，烟道内静压逐渐增大（如图7所示），而流过引射器表面的风速逐渐增大，引射器内的负静压值逐渐增加（如图8所示）。恒定风量流过每一层时都具有一定的静压损失，即烟道平均静压比上一层降低，引射器内的负静压值也呈现比上一层增加的趋势。所以经过近似工况的模拟计算，分析出烟道内排风量与静压的变化规律与实地检测呈现的规律是基本一致的。从表2也可看出，第6层的烟道静压为12.6Pa，排烟支管内静压为3.9Pa，该楼层出现了烟气倒灌的可能，而第6层可能是该开机率下系统中的昀不利点。我们可以运用上述模拟方法，模拟近似工况下的排烟系统，找出系统中的昀不利点，和实测数据进行比对。本文不作详细模拟分析。3.3模拟分析引射器的引射特性所谓引射，即从油烟机排出的风量经过引射器喉口形成射流，诱导烟道内滞留的烟气流出，减小烟道静压。模拟工况：设Qd=750m3/h为恒定，n-1#油烟机开启且恒定Qt=150m3/h,改变引射器出口尺寸，使Vt分别以2m/s、4m/s、6m/s、8m/s射出，分析n-1#引射器喉口风速Vt与n#、n+1#烟道、引射器内的静压变化规律数据。模拟计算得到的相关数据详见表4。表4风速（m/s）静压（Pa）02468P(n)s.d3.529E-013.274E-01-1.108E-01-1.514E-01-2.422E-01P(n+1)s.d4.618E-025.905E-02-4.545E-02-4.623E-01-4.282E-