全新吸油烟机气动布局研究

（宁波方太厨具有限公司 浙江省健康智慧厨房系统集成重点实验室）

0 引言

吸油烟机是现代厨房的重要设备，可以大幅降低厨房油烟对人们健康造成的危害。现有吸油烟机存在着静压低、油烟逃逸等问题，为提高产品的吸净率，需要开发全新高效的吸油烟机产品。

当前主流油烟机的风机采取竖直摆放，这种摆放方式便于增大风机直径，提高风量。这样其实进入一个误区：即风量越大吸油烟效果越好，且根据相似原理：流量与叶轮直径的三次方成正比，那么不断增大风机直径就可以解决油烟机跑烟问题。

而吸油烟机的排风量代表的是一分钟能够排出单位立方米的空气，烟量过大，吸油烟效果反而不好。因为，当新鲜空气横向流速远大于油烟上升吸入烟机的速度，还会导致吸入的空气含量多于油烟含量，这会严重扰乱油烟气体的流动方向，造成油烟扩散、逃逸。而且提高风量会带来尺寸、成本的增加。

另一方面，风机竖直摆放，进风口距离油烟发生区域较远，油烟需要拐弯才能进入风机，沿程阻力大，流动损失大，风机所产生的宝贵负压没有作用在烹饪区域而被浪费。根据实验发现，欧式机的跑烟现象较严重，在集烟罩外边缘区域尤其明显。

相比于大风量，吸得净、不跑烟才是消费者关注的重点。而要做到不跑烟、大吸力，最主要的研究是将负压区域外扩至集烟罩外，进行整机的气动外形设计来提升拢烟效果，并且合理利用负压和减少流动损失，将风机的负压利用最大化。

顶吸式油烟机用另外一种风机摆放形式，风机卧式布置，油烟路径较短，负压集中且正对烹饪区域。有必要对风机竖直摆放和卧式布置两种气动布局进行对比分析，优选一种形式来有效改善跑烟现象，改善中式厨房环境[1]。

现有的欧式机整流罩的蝶翼板是为欧式机设计，它能起到一定的加速气流、负压外扩作用[2-3]。但也阻碍了油烟机进气，破坏了顶吸方案的负压分布，不适合风机卧式布置。因此，为顶吸方案，需要重新设计油烟机的集气装置。

此外，风机卧式布置时，为了防止用户碰头，需要对风机深度进行约束，因此蜗壳扩压段有必要进行收缩，水平放置的蜗壳存在横向尺寸过大的问题，顶吸方案无法满足橱柜设计标准。因此，在原顶吸方案基础上，有必要对蜗壳进行小型化设计。

1 建模

采用仿真计算方法对原始方案进行性能评估。划分流域网格，保证挡板和集烟腔内壁等重要区域的网格细分，控制总体网格数量。吸油烟机内的流动属于低速流动，壁面网格尺寸较小会导致相应Y+值过小，可酌情处理不划分边界层网格。根据实际情况建立计算模型，选择理想气体工质代替成分复杂的烟气，选择K-epsilon湍流模型[4]，进行稳态绝热计算，环境压力为1atm，环境温度为25℃。具体边界条件设置情况如下。

2 气动布局设计

油烟机的气动布局影响到集烟腔的负压范围，而集烟腔的负压范围是决定整机吸油烟效果的关键因素，好的气动布局可以使得集烟腔进口处负压下移，并拓宽至集烟腔外部，防止油烟逃逸[5]。为此，笔者对某一款欧式机气动布局进行建模，并对3种气动布局进行对比，从而优选最优方案。

表1 边界条件设置Tab.1 Boundary condition setting

原始方案：吸油烟机箱体由拢烟腔和上部腔体组成，拢烟腔内含一块蝶翼板，左右居中，前宽后窄。风机进口位于上部腔体内，偏向右侧（正视），油烟由下部被吸入拢烟腔后，改变方向水平由出口（风机进口）进入风机。

方案2：风机进口居中，以期降低吸油烟机腔体内的紊乱程度，减小流动损失。

方案3：风机进口置顶卧式布置，以期降低吸油烟机腔体内的流动损失。

图1 原始方案Fig.1 Original case

图2 方案2（居中）Fig.2 Case 2（middle）

图3 方案3（顶吸）Fig.3 Case 3（Top suction）

观察方向与平面位置（风机进口）如图4所示，3种方案竖直平面负压分布如图5～图7所示。

图4 观察方向与平面位置（Z=-300mm，距前缘214mm，平面上边距拢烟腔底部平面50mm）Fig.4 Viewing direction and plane position

图5 原始方案Fig.5 Original case

图6 方案2（居中）Fig.6 Case 2（middle）

图7 方案3（顶吸）Fig.7 Case 3（Top suction）

观察方向与平面位置（Z=-300mm，距前缘214mm，平面上边距拢烟腔底部平面50mm），体积流量7.5m3/min，流线与竖直平面负压分布。

根据负压分布图可以看出，方案2和方案3（顶吸）的负压范围都有一定程度的改善，方案3（顶吸）负压明细外扩最明显，可以延伸到集烟罩外侧，防止油烟外溢。且负压区下移，风机卧式布置可以将宝贵的负压区正对下方烹饪区域，负压得到最大化利用。

图8 观察方向与平面位置（原始方案和方案2）Fig.8 Viewing direction and plane position(Original case and case 2)

图9 观察方向与平面位置（方案3风机进口）Fig.9 Viewing direction and plane position(case 3)

图10 原始方案Fig.10 Original case

图11 方案2（居中）Fig.11 Case 2（middle）

图12 方案3（顶吸）Fig.12 Case 3（Top suction）

流量分别为7.5m3/min和15m3/min时，各方案出口（风机进口）平均总压如表2所示。

表2 体积流量15m3/min，出口（风机进口）负压分布Tab.2 Negative pressure distribution of outlet when the volume flow is 15m3/min

结合流线分析出口（风机进口）总压与总压分布：2种方案都不同程度的改善了流动的均匀性，方案2效果较好，方案3最佳。相同流量下，方案3出口总压绝对值最小，说明其腔体内流动损失最小，最有利于油烟快速排出，适合中式厨房爆炒环境。

小结：根据仿真计算得知，风机卧式布置可以明显拓展集烟腔的负压分布范围，负压可以延伸到集烟罩外侧，减少油烟外溢。且负压区下移，负压区正对下方的烹饪区域，负压得到最大化利用。另外，风机卧式布置风道内流动性较好，流动损失小，有利于油烟的快速排出。

3 集气装置设计

原有的欧式机（风机竖直布置）集烟罩利用蝶翼板来对气流进行整流，蝶翼板减小了集烟腔的进风面积，烟气越过挡板，经过某些直角或曲率较大区域时，流动分离生成分离涡，产生流动损失。此类区域主要集中在挡板边缘、集烟腔与进风室连接处等区域。烟气进入进风室的过程中，不同方位的流动状态不同。汇集到进风室时，不同压力和速度的气流相互影响，流动失去稳定。流线显示，越过挡板后，流动变得十分紊乱，整个流场都存在着大量的涡旋。

图13 原始的蝶翼板流线图Fig.13 Original streamline of wing plate

在顶吸方案中，首先沿用了的原始集气装置设计，但试验中发现，在顶吸方案中，在大风量的情况下，蝶翼板阻碍了油烟机进气，依然有跑烟现象，吸烟效果较差；当去除蝶板后，顶吸方案在大风量情况下，油烟机吸烟效果显著增强，无跑烟现象，且具备一定的抗干扰能力。因此，为顶吸方案，需要重新设计油烟机的集气装置。

水滴是大自然最常见的物理现象之一，其气动外形表征了水滴在下落过程中受到空气阻力后，液体表面在阻力和张力影响下，形成的稳定的气动外型，使得空气稳定附体绕流。

鉴于水滴下落速度与油烟机进气速度接近，故借鉴水滴的气动外形来进行集气装置的导流器设计。同时，除导流作用外，还可用作集油用途，解决去除蝶板后集油功能缺失的问题。

图14 水滴流线Fig.14 Streamline of water-drop

图15 水滴速度矢量Fig.15 Velocity vectors of water-drop

本文进行了三种方案的对比，以验证水滴形导流器的可行性。

原始方案（方案1）——蝶板方案如图16所示。

导流方案（方案2）——极致方案水滴形导流方案如图17所示。

图16 蝶板方案正视图Fig.16 Front view of wings case

图17 蝶板方案侧视图Fig.17 Side view of wings case

图18 水滴方案正视图Fig.18 Front view of water-drop case

图19 水滴方案侧视图Fig.19 Side view of water-drop case

导流方案的计算域原始方案相同，采用水滴形的导流锥代替引流折弯板。导流锥中心线与出口中心线重合，底面接近吸油烟机进口面。

各方案计算域如图20所示，考察过出口中心线的两截面（基准面4，5）与吸油烟机进口水平面（基准面6）上的负压分布及集气装置的压力。

图20 考察区域截图Fig.20 Screen shot of investigation area

图21 蝶板方案左视图Fig.21 Left view of wings case

图22 水滴方案左视图Fig.22 Left view of water-drop case

图23 蝶板方案正视图Fig.23 Front view of wings case

图24 水滴方案正视图Fig.24 Front view of water-drop case

图25 蜗壳流线Fig.25 Volute streamline

图26 蜗壳透视图Fig.26 Volute perspective drawing

1）方案1的负压区主要集中在蝶翼折弯板周边，在水平方向上范围较大；方案2的负压区集中在进气平面中心，在竖直方向上范围较大。

2）方案1的总压损失较大，方案2的总压损失明显减小。可以推测同样的出口条件下，方案2的流量要比方案1大。

综上，水滴形导流方案与离心风机卧式布置方案匹配性较好。

4 蜗壳小型化设计

下一步需要解决的问题是顶吸方案下，水平放置的蜗壳横向尺寸过大的问题，原顶吸方案无法满足橱柜设计标准。因此，在原顶吸方案基础上，需要对蜗壳进行小型化设计。

左右方向尺寸是影响蜗壳尺寸的重要因素[6]，如果蜗舌迎风面角度较小，会在蜗壳内形成绕流，气流与蜗壳蜗舌碰撞，降低风机工作效率；如果蜗舌迎风面角度太大，风机流量也呈下降趋势,而适当的蜗舌倾角有利于提高风机的效率[7-8]。

原始蜗壳长宽尺寸为370×452mm，小型化蜗壳长宽尺寸为：331×406mm，与原始方案对比如图27～图30所示。

图27 原始蜗壳侧视图Fig.27 Lateral view of original volute

图28 原始蜗壳俯视图Fig.28 Vertical view of original volute

图29 小型化蜗壳侧视图Fig.29 Lateral view of small volute

图30 小型化蜗壳俯视图Fig.30 Vertical view of small volute

蜗壳形状如图30所示，水平尺寸限制为406mm，竖直尺寸限制为333mm，蜗舌圆角半径8mm。通过调整图示中的Theta角来改变蜗舌处的流通面积。蜗壳出口分为水平和倾斜外扩两种情况[9-10]。

水平和外扩的情况下的Theta角都选择0°，10°，20°，33°，据此对不同蜗壳参数进行组合，并对体积流量进行计算。

表3 不同蜗壳方案Tab.3 Comparison of different volutes

表4 出口背压150Pa的计算结果Tab.4 Results of 150Pa back pressure of outlet

图32 外扩型蜗壳Fig.32 External expansion volute

从图33可以看出：在适宜的Theta角范围内（20°左右），蜗壳才具有较大的流量，Theta过大过小都会使流量降低。蜗壳出口形式（外倾，水平）对流量有影响，在不同Theta角下影响不同，但总体看来影响并不明显，不是关键因素。

图33 不同Theta角下的体积流量Fig.33 Volume flows of different Theta angles

另外，在对原有的蜗壳进行流场仿真时发现：气流在蜗壳出口转弯的同时伴随着绕流动方向的旋转运动，这使得一侧的流动容易产生分离，对离心风机流量具有重要影响[11-13]。因此，在小型化蜗壳基础上，对三种蜗壳出口形式进行了研究。其中出口扭转型蜗壳可以扭转从叶轮流出的旋转气流,使一部分偏转气流动能变为静压。出口导流板蜗壳可以对气流整流，改善紊流状况，减少风量损失。

图34 原始出口方案Fig.34 Original outlet case

图35 出口扭转方案Fig.35 Twist outlet case

图36 出口导流板方案Fig.36 Guide vane outlet case

对这三种蜗壳进行仿真计算，其出口流场分别如图37～图39，出口背压150Pa的情况下的出口流量如表3所示。

图37 原始出口方案流线图Fig.37 Streamline of original case

图38 出口扭转方案流线图Fig.38 Streamline of twist case

图39 出口导流板方案流线图Fig.39 Streamline of guide vane case

表5 出口背压150Pa的计算结果Tab.5 Calculations of 150Pa back pressure of outlet

根据计算得出，扭转型出口方案扭转难以消除出口的流动分离，且会降低流量；弯板导流方案也难以完全抑制流动分离，只能轻微提升流量。因此仍然选用原始出口方案。

5 小结

1）出口扭转方案难以消除出口的流动分离，且会降低流量；弯板导流方案也难以完全抑制流动分离，轻微提升流量。因此，在小型化蜗壳的设计下，顶吸方案蜗壳出口段的流动状况和流量主要受左右方向尺寸的影响。

2）在适宜的Theta角范围内（20°左右），蜗壳才具有较大的流量，Theta过大过小都会使流量降低。

3）蜗壳出口形式（外倾，水平）对流量有影响，在不同Theta角下影响不同，但总体看来影响并不明显，不是关键因素。

6 实验验证

为了进一步验证仿真结果，笔者所在公司搭建试验台，进行吸油烟效果测试。整个实验测试是模拟真实高层住宅的厨房工况。通过把菜籽油烧热后用针管注水来发烟，并把管道背压增加至130Pa，来测试吸油烟效果。根据实验结果可以看出，风机卧式布置拢烟效果更好，与仿真结果相符合。并且根据测试，瞬时气味降低度应为86%，高于国家标准（50%），油脂分离度为93%，高于国家标准（80%）。其中所谓瞬时气味降低度，是指在规定的试验条件下，当实验室异常气味浓度达到最大时，开启吸油烟机，3min内降低室内异常气味的能力。

图40 实验测试图Fig.40 Experimental test

从图40的实验结果可以看出，风机卧式布置如图40（b）的吸烟效果为锥形，且对于瞬时气味降低度改善明显，明显改善了油烟逃逸问题。

表6 优化前后抽油烟机实际测试效果对比Tab.6 Comparison of range hood’s test results before and after optimization

7 总结

为设计开发全新高效的吸油烟机，本文采用计算仿真方法，对吸油烟机原始进行了性能评估，对其流场分析总结，找到优化改进的方向，将风机竖直摆放改为卧式布置，改善了负压分布，减少了流动损失；并且进行实验验证，风机卧式布置的确改善了吸油烟效果，提升了笼烟能力，减少了油烟的逃逸。另外，本文对进气流道和蜗壳小型化分别行了创新设计，颠覆了原有的蝶翼导流板，创新的使用水滴导流方案，较好的匹配风机卧式布置气动布局。最后改进措施实施方便，新方案吸油烟机进风道与挡板结构新颖，具有流线型风格，外形美观，符合现代审美观念。

创新点：1）颠覆传统油烟机风机竖直布置方式，风机卧式布置明显扩大集烟腔负压范围，改善了油烟逃逸问题。2）对于风机卧式布置创新设计了水滴导流方案，导流效果好，进一步扩大了负压范围。3）针对风机卧式布置设计了小型化紧凑蜗壳，选取最优蜗壳外扩Theta角，提升了流量。