一种新型吸油烟机集烟方式的数值研究*

（西安交通大学 能源与动力工程学院）

0 引言

室内空气质量及温度舒适度是影响居民健康安全的两项重要指标，烹饪过程中产生的大量油烟是导致室内空气质量恶化的一个重要原因[1-3]。烹调油烟成分非常复杂，含有大量多环芳香烃类有机物PAHs[4-5]，能够破坏人体的免疫功能，具有强烈致癌作用，严重影响人体健康[6-8]。为了有效改善烹饪过程中的空气质量，降低可能吸入人体的污染物浓度，厨房内通常安装吸油烟机。通风量是影响吸油烟机排烟性能的一个关键因素。Donghyun[9]运用实验方法发现开启状态的吸油烟机可将油烟浓度降低一半，大的通风量可有效提高超细颗粒（直径小于100nm）的衰减率（Particle Reduction Effectiveness）。Rahman[10]采用数值方法研究并发现一定量的强制通风可降低呼吸点处的温度达6℃，且将呼吸点处CO2浓度控制在安全生命线（5 000ppm）以下。因此，充足的通风量对降低厨房内污染物浓度至关重要。但从Cao[11]关于吸油烟机使用情况的问卷调查可知，目前约89%的居民仍抱怨在烹饪过程中总存在油烟泄漏现象。这说明，不断加大排风量并不能从根本上解决吸油烟机油烟泄漏问题，而且排风量的增大容易产生上下层之间的回流。

许多研究发现，设计一些特殊的结构可使厨房内部气流分布更为合理，从而明显降低工作区域的污染物浓度。Chiang[12]发现，引入气窗（transom）可将灶台附近聚集的CO气体顺利排放。Cao[11]采用强制引导吸油烟机进口附近气体流动的方法可加强集烟腔拢烟效果，降低人体油烟吸入率（Intake fraction）。综上可见，合理控制吸油烟机进口处气流可有效提高吸油烟机排烟性能。因此，本文研究的主要目的是运用数值模拟的方法分析厨房内部的气流流动规律和温度、油滴颗粒浓度的分布情况，从而探究一种在换气量一定的条件下，吸油烟机排烟性能更优的集烟方式。

1 数值模型及方法

本文研究对象是一个中国传统式三维厨房，其结构主要包括窗户、灶台、厨具、吸油烟机，如图1所示，其中吸油烟机是关键部分，该几何模型和吸油烟机的尺寸如表1所示。

表1 厨房和抽油烟机的几何尺寸Tab.1 Geometric dimensions of kitchen and range hood

图1 中国传统式厨房吸油烟系统模型Fig.1 Schematics of a typical Chinese kitchen-range hood system

在瞬态模式下，为了对该厨房内流速、温度和油滴颗粒浓度的分布进行准确的预测，本文采用连续性、动量和能量的非定常三维控制方程，并结合湍流和多相模型来对研究的物理模型进行描述。其中，采用标准k-ε模型及壁面函数法来求解紊流，同时考虑浮力效应，采用粒子漂移通量模型以获取油滴颗粒浓度。鉴于多相流混合物模型能够很好地适用于低加载率情形，再结合有限的计算资源，本次研究选取混合物模型作为多相流模型进行计算。引入模型后的混合相（空气与油滴颗粒的混合流体）控制方程如下：

1）连续方程：

ρm是混合密度：

2）动量方程：

其中，μm是混合分子动力粘性系数：

3）能量方程：

其中，ek=hk=Cp,kT，为内热源项。

4）粒子漂移通量模型方程：

首先将第二相（p）的速度相对于主相（q）的速度定义为相对速度：

τqp为粒子的弛豫时间：

其中dp为第二相颗粒直径fdrag称为曳力函数，是雷诺数的函数。

第二相的体积分数方程：

同时，第二相（p）与主相（q）体积分数满足：

方程(1)～(7)主要用于求得混合相的密度、时均质量平均速度、压力及温度，而离散相/第二相（油滴颗粒）的相关物理量则由方程(8)～(14)求得，其中速度均为时均速度。这些方程通过变量进行耦合，共有25个变量，其中，混合相的质量平均变量包括7个：；单一相的变量包括18个：。

为了封闭上述控制方程，并求解上述变量，还需要给定适当的边界条件，本模型中，风机叶轮转速为1900r/min；在窗户进口设定为压力为一个标准大气压，温度为293K，只有空气流入，在厨具出口为油滴发生处，设定油滴产生速率为5×10-5kg/s，油滴温度为393K；在抽油烟机出口，设定负压为-114Pa；在厨具壁面速度满足无滑移边界条件，热流密度4×104W/m2；其余壁面速度均满足无滑移边界条件，均为绝热边界。

烟气在浮力作用下从炊具上升到吸油烟机进口，存在较大的温差，这将导致空气的密度、比热容、粘度等热物性参数急剧变化，因此我们对空气采用了随温度变化的热物性参数，由于油滴颗粒的热物性在当前温度范围内受温度的影响不大，故设置为常数，具体数值如表2所示。

表2 油滴颗粒的热物性参数Tab.2 Thermal properties of oil-particles

本文研究使用商业软件FLUENT14.5求解厨房内的速度、温度、油烟浓度分布情况。由于本次模拟的物理区域为厨房（包括吸油烟机），几何空间较大，为了减少网格数量，提高计算精度及速度，在网格划分上全部采用结构化网格。文中选取了四套数量不同的网格（300万、350万、400万、450万）进行了网格无关性验证，最后从综合数据看，本文选择数量为400万的网格进行数值研究。

2 吸油烟机排烟模式的改进

本文研究的主要目的是对吸油烟机的旧集烟腔进行改进，以期提高吸油烟机的排烟性能。图2为初步改进后的吸油烟机集烟腔与原始集烟腔工作原理对比图，在图2(a)所示的原始集烟腔排烟模式（Original Exhaust Mode,OEM）下，烹饪污染物只能通过挡流板的周围通道排出，并且已经证明现有的挡流板使集烟腔工作更有效[13]。从根本上说，挡流板周围会自发产生限制性空气层，形成一个挡风玻璃，以防止烟气逸出。然而这样的限制性空气层很不稳定，容易消失，从而会导致大量高温烟气逸出，呼吸区的温度和油颗粒浓度升高。为了解决这个问题，我们提出了一种改进的排烟方式，即空气辅助集中排烟模式（Air-assisted Centralized Exhaust Mode,ACEM），这与OEM的结构相比，我们在挡流板的中央开了一方孔，如图2(b)所示。在这种新的排烟模式下，大部分烟气通过挡流板的中心孔流入集烟腔。从中心孔逸出的部分烟气将再次被周围的通道困住，同时，封闭的空气可以进一步避免烟气的逸出。这样的结构有利于产生的高温烟气可以顺利流入集烟腔内部，而不会因挡流板的存在发生转向，造成油烟逃逸。同时，挡流板与腔体间的缝隙又保证了良好的拢烟效果，从而可以真正实现“中央吸气、四周拢烟”的全新排烟效果。

图2 吸油烟机集烟腔排烟模式示意图Fig.2 Schematics of exhaust modes for range hood

3 研究结果与分析

为了更好地反映吸油烟机的排烟性能，我们选取烹饪时人体所处的呼吸位置作为油滴颗粒浓度的监测点，其相对位置如图3(a)所示。文中通过比较如图3(b)所示的三条直线（X-breath line、Y-breath line、Z-breath line）及三个平面（Plane XY、Plane YZ、Plane ZX）上的计算结果来分析说明排烟模式改进前后吸油烟机排烟性能的变化。在对比计算中，改进的ACEM结构中中央开孔的大小为220×189mm2。

图3 数据监测点与监测面示意图Fig.3 Schematics of monitoring point and plane

3.1 温度

在烹饪过程中，工作区域的温度是影响人体舒适度的一个重要因素，而吸油烟机的一个主要作用就是排除烹饪过程中产生的高温烟气。图4分别比较了集烟腔改进前后三个监测平面上的温度分布情况。从图中可以看出，对于改进后的集烟腔，在工作区域内温度总体上有所下降，高温烟气向工作区域逃逸的趋势也有所减弱，所以对高温烟气的排放能力得到了加强。相反，对于旧集烟腔，烹饪产生的高温烟气在浮升力的作用下垂直上升，烟气在挡流板下方发生堆积后，部分烟气在碰到挡流板后发生转向，然后通过挡流板与腔体间的缝隙被吸入集烟腔内部。一旦这些烟气所携带的动量超出了集烟腔的捕获能力，就会发生烟气逃逸现象。针对以上流动特点，采用在挡流板中央开孔的方法就可以确保垂直上升的大部分烟气直接通过方孔流入腔体内部而不发生堆积与转向，同时，挡流板周围的间隙又可以将少量发生转向的烟气吸入，起到拢烟的效果，最大限度地阻止高温烟气向工作区域逃逸和扩散。

图4 监测面上的温度分布Fig.4 Temperature distribution on monitoring planes

3.2 油滴颗粒浓度

图5 监测面上油滴颗粒浓度分布Fig.5 Concentration distribution of oil particles on monitoring planes

烹饪过程中产生的油烟含有大量不同颗粒直径的油滴，而其中又以超细颗粒（直径小于100nm）为主[14]，这些颗粒很容易沉积到人体呼吸道内部，引起严重的健康疾病[15]，因此，降低工作区域的油滴颗粒浓度至关重要。图5分别显示了集烟腔改进前后三个监测平面上的油滴颗粒分布情况。与温度分布相似，改进后的集烟腔对油滴颗粒的捕获能力大为提高。由于油滴颗粒直径很小，跟随性好，会在高温气体的裹挟下一起向上运动，如果在进入集烟腔之前，有一定量的气体逸散到工作区域，其所携带的油滴颗粒必然会扩散到厨房内部。同时，油滴颗粒表现出的惯性大于气体微团，由于高温烟气在进入旧集烟腔之前流动方向会发生转变，这样使得油滴颗粒更容易发生逃逸现象。在挡流板上开孔则可以尽量使烟气直接向上进入集烟腔而不发生流动方向的变化。

3.3 集烟腔进口速度矢量

图6显示了集烟腔进口面的速度矢量，从图中可以发现，对于旧集烟腔，大量气体会在挡流板附近分为前后两股，而且速度非常集中，挡流板与腔体间的间隙根本无法容纳如此多的气流同时进入集烟腔，部分气体只能被“挤”走，导致气体外流，高温气体及油滴颗粒逃逸到厨房内部。因此，旧集烟腔存在固有的通流面积不足的缺陷；而对于改进的“中央吸气、四周拢烟”的集烟方式，大部分气体从挡流板中央孔道流入集烟腔内部，减轻了挡流板与腔体间间隙的流动负担，但间隙的吸力会有所降低，也会导致局部区域气体外流，但合理确定板上开孔面积的大小可很好解决这一问题。

图6 集烟腔进口面上速度矢量分布Fig.6 Velocity vector on the inlet plane of the range hood

3.4 Breath line上变量分布

图7与图8分别显示了X，Y，Zbreath line上温度及油滴颗粒浓度分布情况，图中的虚线所处的位置代表了人体呼吸点在厨房内的空间坐标。

从图7可以看出，对于两种集烟腔，三条breath line上的温度分布趋势较为一致，在X，Ybreath line上温度均在厨具位置附近达到最大，而且呼吸点的位置恰好处在温度最高点附近，而在Zbreath line上温度在集烟腔进口处达到最大。对于改进后的集烟腔，呼吸点处的温度较改进前大约降低3℃。同时，图8中油滴颗粒浓度分布显示，油滴颗粒浓度分布与温度分布相似，在X，Y方向上，人体呼吸点处的油烟浓度亦处在最大值附近。而对于改进后的集烟腔，breath line上的油烟浓度值与旧集烟腔相比大幅下降。

综上所述，旧集烟腔的挡流板会使上升的高温烟气发生转向，部分烟气很容易摆脱腔体进口的束缚而逸散到厨房内部；而采用在挡流板中央开孔的方式可以有效降低人体呼吸点处的温度及油滴颗粒浓度，但这种“中央吸气、四周拢烟”的集烟腔结构需要合理分配开孔面积才能保证挡流板周围的间隙起到良好的拢烟效果。

图7 breath line上的温度分布Fig.7 Temperature distribution on the breath line

图8 breath line上的油滴颗粒浓度分布Fig.8 Concentration distribution of oil particles on the breath line

3.5 中央开孔面积的选取

为了确定挡流板上开孔的面积大小，提高集烟腔的拢烟效果，本文选取了8种不同开孔面积的集烟腔结构：空腔（即腔内没有挡流板，此时开孔率为1，开孔面积最大，记为Max）、旧集烟腔（开孔率为0，开孔面积为零，记为 Min）以及其它开孔率 0.503，0.263，0.233，0.201，0.142，0.044，其对应的开孔面积（mm×mm）分别为 461×300，238×205，220×189，200×172，162×140，86×74。图9显示了呼吸点处油滴颗粒质量浓度随开孔面积的变化情况。从图中可以发现，随着开孔面积的增大，集烟腔的排烟能力先增强后减弱，并在开孔面积占集烟腔进口总通流面积的14%～20%时，集烟腔排烟效果最佳。

图9 不同开孔面积下呼吸点处油滴颗粒质量浓度Fig.9 Concentration of oil-particles at breath point for different area of hole

4 结论

本文运用数值模拟的方法研究了三维厨房内部流场及油烟浓度分布，并提出了一种提升排烟性能的集烟腔排烟模式，进一步对比分析了集烟腔改进前后厨房内部温度、油烟浓度的分布。分析结果表明，在原有集烟腔的挡流板的中央开孔，可以很好地解决油烟由于堆积和转向导致的逃逸扩散，实现“中央吸气，四周拢烟”的良好效果。改进后的集烟腔降低了工作区域的温度、油滴颗粒浓度，提高了人体在厨房内的舒适度。最后通过对开孔面积的研究和分析，获得了人体呼吸点处油滴颗粒浓度随开孔面积的变化规律，随着开孔面积的增大，集烟腔排烟能力先增强后减弱，最后确定在开孔面积占集烟腔进口总通流面积的14%～20%时，集烟腔排烟效果最佳。