多层住宅厨房排烟道内烟气流场仿真研究

于利刚,张 燕,王杰光

(桂林理工大学土木与建筑工程学院,桂林 541004)

多层住宅厨房排烟道内烟气流场仿真研究

于利刚,张 燕,王杰光

(桂林理工大学土木与建筑工程学院,桂林 541004)

利用Ansys软件中FLOT RAN CFD对多层住宅厨房排烟道内流场进行三维模拟仿真,得出了在排油烟机提供不同风速和处于不同工况时烟道内气流的速度分布图和压力分布云图,分析了气流在烟道内的速度和压力的分布规律及排入的油烟对其上、下层住户的影响.

多层住宅;三维;流场;Ansys;

随着生活水平的提高,人们对住宅室内环境要求也日益提高,由烹饪和串烟产生的油烟是影响室内空气的重要因素之一.因此,作为住宅厨房烟气集中排放的排风道系统,其空气动力性能的好坏决定了室内空气品质的好坏.GB50096-1999《住宅设计规范》明确规定:“当排油烟机的排气管排至竖向通风道时,竖向通风道的断面应根据所负担的排气量计算,应采取支管无回流、竖井无泄漏的措施”.目前对集中排烟气系统的研究的文献有许多,而对烟道内烟气流场仿真的研究大多数采用的是二维模型,文献[7][8]在κ-ε湍流模型及两相流理论基础上利用Fluent软件对烟道内烟气进行了二维模拟仿真,其做法不考虑烟道厚度方向上的变量.这样模拟虽然数学模型简单,计算量小,但是忽略了沿烟道厚度方向上的尺寸效应,很难达到真实仿真的效果.本文作者在考虑烟道的结构特点与实践要求的基础上,运用ANSYS有限元大型软件对烟道内流场进行三维仿真分析,借助分布图比较直观的对流体特性进行理论分析,掌握流场中流速、压力分布规律,可为烟道设计提供理论参考.

1 烟道内气体流动的控制方程

烟道内的气体可以看成空气相和油烟相的混合物,根据质量守恒原理可推得混合气体连续性方程[2]:

根据动量守恒原理可推得混合气体动量守恒方程[2]:

根据能量守恒原理可推得混合气体的能量守恒方程[2]:

根据气体状态方程可得到混合气体的状态方程[3]

公式(1)、(2)、(3)、(4)中:ρ为密度 ;μ为动力粘度;ui为速度矢量;Si为动量方程的广义源项;T为气体温度;k为传热系数;cp为比热容;z为压缩因子;R为气体通用常数.

使用上述公式对烟道中气体进行数值计算可以求解速度与压力未知量,为验证计算方法需与实测值进行对比,而实测的对象来自正在使用的排烟道系统,截面尺寸、排油烟机性能、环境等都是影响实测的因素,给实测工作带来困难.利用Ansys可以对各种工况下烟道内流场模拟仿真,更直观的去分析烟气在烟道中的运动以及烟道内部压力、速度的分布情况,能够为烟道研究提供理论参考,减少实际监测带来的不便.

2 FLOTRAN CFD功能简介

ANSYS程序中的FLOT RAN CFD分析功能是一个分析二维及三维流体流动场的先进工具,能够对流场的各种问题进行分析,其中的FLUID 141和FLUID 142单元类型,可以用来解算单相粘性流体的二维和三维流动、压力和温度分布.其主要步骤为:①确定问题的区域;②确定流体的状态;③生成有限元网格;④施加边界条件;⑤设置FLOTRAN分析参数;⑥求解[4]

3 Ansys模拟过程与分析

3.1 建立烟道模型

图1 实体模型

多层住宅的烟道类型可以分为:主次式烟道、变压式烟道、等截面式烟道和止逆阀式烟道 ,其中主次式烟道最为普遍,本文模拟的对象亦为主次式烟道,根据《住宅设计规范》中对烟道设计技术参数的规定,建立烟道的实体模型(以3层为例):烟道入口为0.3 m×0.15 m×0.3 m,次烟道为0.3 m×2.8 m×0.3 m,主烟道为 0.3 m×10.55 m×0.3 m.如图1所示.

3.2 生成有限元网格

计算模型所选元素类型为142号单元,为了得到更精确的解,主烟道采用的是映射网格,单元形状为8节点六面体,在次烟道不能用映射网格的部分用了单元形状为4节点四面体自由网格.放大后网格化的模型如图2所示.

图2 网格模型

3.3 施加边界条件

流体边界需要施加速度或压力边界条件.本模型进口处速度按流量计算,分别施加速度v1=2 m/s,v2=2.5 m/s,v3=3 m/s,v4=3.5 m/s;在出口处节点上施加零压力荷载,在其他面上施加无滑移边界条件.

3.4 基本条件与初始假设

本文利用Ansys对如表1所示3种工况进行模拟分析.根据设计要求每个支烟道都可以独立地向主烟道中排放油烟,排放的气体中空气相与油烟相的体积比为7∶3,所排风量中绝大部分为室内环境温度下的空气,且烟气进入烟道后会被烟道冷却,因此以下计算不考虑热压作用.目前常用结构形式的排油烟机的实际排风量在250 m3/h以上,若要达到较好的排烟效果,则排烟量应在300 m3/h以[6],且排油烟机提供的风速v支入口=q/s支,则施加的速度符合实际要求;计算时选用κ-ε湍流模型;在烟道出口处的大气压强为101250 Pa,烟气入口处的压强为101325 Pa,同时忽略烟道出口处风速对于烟道内气体流动的影响.

表1 工况

3.5 结果与分析

图3、图 4中 Aa、Bb、Cc分别为工况一、工况二、工况三的压力、速度分布示例图.从图3中的压力分布云图可以看出,在烟道入口与次烟道内压力较大且在工况1时主烟道底部压力大于其它情况,楼层越往下越不利排烟;由矢量图4可见,油烟由入口垂直射入子烟道,且在正对入口的次烟道内壁中产生高压区.正是在此高压区的阻、推作用下,油烟沿着次烟道向上流动,再进入主烟道,油烟在主烟道内上、下流动并串入停机的楼层造成串烟现象.由于流入主烟道油烟的剪切作用,主烟道内在紧邻次烟道出口的位置有旋涡产生.

由表2可见,由于长长的次烟道对倒流的油烟有较大的阻力,主烟道中的油烟七成以上都能通过烟道出口排放到大气中,约有三成的油烟则会"串入"停机的住户中,从而对其产生不同程度的影响.在工况1中,一楼排放的油烟对其上住户均有影响,其中对二楼住户的影响尤为突出.工况2和工况3中由于重力场的作用,油烟会在烟道的底部积聚,下层停机住户最容易发生倒烟串味,其中工况2中对一楼住户的影响尤为严重.顶层住户受到的影响要轻微.通过表2中各流速下的串烟量对比可知,提高排油烟机的功率有助于加大排烟量,但是串入其它住户的油烟量也有所增加.

表2 各工况在不同流速时串入的油烟量

4 结 论

本文针对多层住宅采用主次烟道排油烟的实际情况,在建立数值模型和烟道实体模型的基础上,通过Ansys软件模拟了住户排油烟时主、次烟道内的流场分布,并根据该流场分布特点研究了对其上、下层住户的影响.结果表明:长长的次烟道对倒流的油烟有较大的阻力,而使倒风量减少了;排入的油烟对上、下层住户均有不同程度的影响,在主烟道中越是靠近底层,烟气的静压越高,下层停机的用户处最容易发生倒烟串味;提高排油烟机的性能可有效地加大排烟量而串入其它住户的油烟量也随之增加.可见,油烟机性能的差异是导致串烟的主要原因之一.此外,安装了止逆阀的住户在不做饭时一定要将其关闭,以阻止油烟串入影响室内空气质量.

[1]GB50096-1999.住宅设计规范[S].

[2]王福军.计算流体动力学分析[M].北京:清华大学出版社,2004:7-11.

[3]童景山,李 敬.流体热物理性质的计算[M].北京:清华大学出版社,1982:33-43.

[4]刘 涛,杨凤鹏.精通Ansys[M].北京:清华大学出版社,2002:381-410.

[5]徐文华,沈雪峰.住宅厨房排烟的研究及系统设计方法[J].建筑热能通风空调,2001,46(1):46-48.

[6]保 伟.住宅厨房厕所排风问题[J].暖通空调,1994,24(1):8-10.

[7]李成植,张海峰.多层住宅住户排油烟对其上、下层住户影响的研究[J].沈阳化工学院学报,2008,22(1):70-72.

[8]张海峰,李成植,邱金梁.多层住宅烟道内流场的仿真研究[J].沈阳化工学院学报,2007,21(3):204-207.

The Numerical Simulation of Smoke Liquid-field in Flue of Multilayer Residential Kitchen

YU Li-gang,ZHANG Yan,WANG Jie-guang
(College of Civil Engineering and Architecture,Guilin University of Technology,Guilin 541004,China)

The scattergram of velocity and cloud graph of pressure in different rate of wind and working condition supplied by the kitchen exhauster filter in the flue of multilayer residential kitchen are given in the 3D numerical simulation by the FLOTRAN CFD of Ansys soft.And the distribution rule of the rate and the pressure of the airflow in the flue are analyzed.The effect on the upstairs or the downstairs taken by smoke is resolved.

multilayer residence;three dimension;liquid-field;Ansys

TP39

A

1671-119X(2010)02-0091-04

2009-09-02

广西建筑工程检测与试验重点试验室资助项目(桂科能07109005-05)

于利刚(1981-),男,硕士研究生,研究方向:土与结构共同作用分析.