典型船舶厨房通风系统气流组织数值模拟

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

中式厨房烹饪产生的高温油烟和蒸汽往往不能及时排除，导致厨房空气品质和舒适性较差，影响厨房内工作人员的工作效率和身体健康[1]。相比陆上建筑厨房，船舶厨房空间更为狭小和封闭，无法通过自然进排风来解决通风换气问题，进排风与烟气控制设计具有更大的难度，因此，厨房通风在船舶空调通风系统设计时应重点关注[2]。基于计算流体动力学(CFD)的气流组织仿真是空调通风设计时常用的优化设计手段[3-6]。CFD 方法目前被应用于对陆上厨房空气分布情况进行模拟和预测[7-9]，得到房间内速度、温度、湿度以及有害物质量浓度等物理量的详细分布情况。大型船舶的厨房包含舱室种类众多、送风量大、通风系统设计复杂，目前的相关研究主要都集中在集气罩本身的性能[10-13]，对船舶厨房整体气流组织情况进行模拟的研究尚不多见。为改善船舶厨房空气品质，提高厨房烟气控制效果，创造适宜的膳食加工环境，利用Airpak软件对船舶典型厨房区域空调通风系统气流组织数值模拟研究，为厨房区域的气流组织设计提供参考。

1 典型厨房区域计算模型

1.1 设计参数

厨房通风采用厨房专用空调装置对厨房送风进行集中处理。厨房用空调装置采用全新风设计；在厨房炉灶等可能产生油烟、水汽的设备上方，需设置集气罩；餐厅送风通过厨房负压排出，厨房区域四周餐厅的风会通过舱壁上布置的通风格栅进入厨房区域，餐厅空调风可起到维持厨房负压，辅助厨房冷却的作用。

选取的典型船舶厨房区域空调通风设备布置见图1。

图1 典型厨房区域空调通风设备布置

该区域长16 m、宽15 m，由5个舱室组成。舱室1和舱室4为处理间；舱室2和舱室3是厨房灶台的布置区域；也是油烟产生的区域，舱室5的操作过程中会产生水蒸汽，需要在上方布置蒸汽集气罩及时排除蒸汽。厨房通风的主要末端装置包括油烟收集净化装置、集气罩、球形布风器3种：对舱室2、3、4、5的主要操作部位采用23个额定风量为300 m3/s球形布风器送空调冷风措施以改善工作环境，舱室2和舱室3的炉灶上方布置有6台油烟净化装置集气罩，其中5台的额定风量为4 000 m3/s，其余1台的额定风量为2 000 m3/s，总额定排风量为22 000 m3/s；舱室5布置有5台蒸汽集气罩，每台集气罩风量为800 m3/s。油烟净化集气罩具有两档风量切换控制的功能，其低档风量是额定风量下的一半，烹饪工况下按额定风量运行，非烹饪工况下按低风量档运行。由于油烟净化集气罩风量对厨房气流中组织影响较大，需对额定和低档风量时的气流组织情况分别进行讨论。

2.2 计算模型

Airpak是专门用于模拟室内气流组织的CFD软件，目前在暖通工程和科学研究领域广泛应用。其湍流模型采用的是零方程模型，基本思想是将湍流黏度归结为当地平均速度和长度的函数，而与湍流的特性参数无关。该模型应用十分方便，计算量较双方程模型小很多[14]。

根据图1中厨房设备和厨房空调通风系统送排风口布置情况，在Airpak中建立三维计算模型。将5个舱室组成的16 m×15 m的矩形厨房区域作为计算区域。以结构化网格对空间进行划分，对出风口、布风器、集气罩等气流变化较为剧烈的地方进行加密处理，计算区域总网格数约为46万。见图2。

图2 典型厨房区域Airpak计算模型

2 计算结果

2.1 集气罩额定风量下的计算结果

舱室2和舱室3有一面舱壁与餐厅相邻，舱壁分别布置有3个通风格栅，使餐厅的回风通过通风格栅直接进入厨房区域。集气罩额定风量下厨房不同水平截面处(离地高度1.5、2.2 m)的速度分布情况见图3。结果显示，舱室2和舱室3的气流扰动十分剧烈， 大量空气从上侧舱壁的空气格栅开口处涌入这2个厨房舱室，图3b)显示风口附近的最大风速达到了4.32 m/s。这是由于油烟净化装置集气罩对风量的需求很大，舱室2的4台集气罩的额定排风量达到14 000 m3/s，舱室3的2台集气罩的额定排风量达到8 000 m3/s，较大的排风量使舱室2和舱室3形成了局部负压，舱室2的平均压力为-13.1 Pa，舱室3的平均压力为-12.6 Pa。

图3 额定风量下的速度分布

空气龄是舱室内某点处空气在房间内已经滞留的时间，反映了室内空气的新鲜程度，可以综合衡量舱室的通风换气效果，是评价舱内空气品质的重要指标。集气罩额定风量下厨房不同截面处(离地高度1.5、2.2 m)的空气龄分布情况见图4。由于舱室2和舱室3的气流扰动强烈，空气新鲜度高，空气龄较小，基本在60 s以内，说明烹饪时下方灶台产生的油烟能够被集气罩迅速排出，不会在厨房内停留太长时间。空气龄较大的区域出现在舱室3的左下角和舱室4的右下角，其中最大空气龄255 s出现在舱室4的区域，说明舱室4部分区域的气流组织需要进一步优化。

图4 额定风量下的空气龄分布

3.2 集气罩低档风量下的计算结果

油烟净化装置集气罩在低档风量下的排风量降低到额定风量的一半，即舱室2的4台集气罩的排风量降到7 000 m3/s，舱室3的2台集气罩的排风量降到4 000 m3/s。集气罩低档风量下厨房不同截面处(离地高度1.5、2.2 m)的速度分布情况见图5。结果与图3类似，舱室2和舱室3的气流扰动相对其他舱室更为剧烈，大量空气从上侧舱壁的空气格栅开口处涌入这两个厨房舱室，图5b)显示风口附近的最大风速从图3b)中的4.32 m/s减小为2.07 m/s。这是由于集气罩排风量的减小使得舱室2和舱室3的负压值也减小，舱室2的平均压力降为-2.2 Pa，舱室3的平均压力降为-3.1 Pa。

图5 低档风量下的速度分布

集气罩低档风量下厨房不同截面处 (离地高度1.5,2.2 m)的空气龄分布情况见图6。排风量的降低使所有区域的空气龄都有所增加，与图4中的结果类似，舱室2和舱室3空气新鲜度高，空气龄较小，与图4中结果不同的是空气龄较大的区域出现在舱室1，舱室1的大部分区域空气龄略大，空气组织情况不佳，主要是因为舱室2的风量需求显著减少，使通过舱室1和舱室2之间舱壁的通风格栅进入舱室2的风量减少，导致舱室1气体扰动不足，空气在该舱室滞留时间增大。

图6 低档风量下的空气龄分布

3.3 两种工况下的气流流线

图7给出了额定风量下的气流流线情况。图7a)中额定工况下舱室2和舱室3的压力最低，气流会通过舱壁格栅从其他舱室汇入集气罩。从图7b)给出的低档风量下的气流流线发现，舱室3中有部分气体通过通风格栅进入舱室5，可能会导致灶台的油烟进入其他舱室内，并有可能被吸入而污染蒸汽集气罩。这种情况应该避免，因此，建议取消舱室3和舱室5之间的通风格栅，同时在舱室5的左侧舱壁上增加通风格栅，以保证换气量。

图7 两种工况下的气流流线

4 结论

采用流体计算仿真软件Airpak对额定风量和低档风量2种工况下典型厨房区域的气流组织情况进行仿真计算和分析，计算得到速度场、空气龄场。计算结果表明，在额定风量下油烟净化装置集气罩所在的厨房舱室气流扰动强烈，空气龄较低，油烟可以被迅速排出厨房区域；在低风量工况下，含油烟的气体有可能通过舱壁的通风格栅进入临近舱室，所以格栅的位置还需要进一步优化。