厨房集中排烟道系统局部合流阻力数值模拟研究

焦春玲 苏 伟

(1.中国水电顾问集团西北勘测设计研究院，陕西西安 710065;2.中煤西安设计工程有限责任公司，陕西西安 710054)

1 研究背景

近年来，随着人口城镇化的发展趋势，多层、高层建筑逐渐成为今后城市住宅的主要趋势。高层建筑的普及在缓解紧张的土地资源的同时，也给居民厨房排烟带来了新的问题。目前高层住宅普遍使用集中排烟气道进行厨房排烟。国内常用的集中排烟气道有子母型烟道、变压式烟道、变截面烟道、等截面烟道等几种形式［1］。等截面烟道由于其结构简单、安装方便、排烟顺畅等优点而逐渐被广泛应用。等截面排烟气道即从底层到顶层排烟气道截面积一致。在等截面排烟气道内部通常安装防止烟气回流的止逆阀与导流构件。

集中排烟气道自身也存在一些问题，如主烟道截面尺寸过小导致用户排烟困难;导流构件结构设计不合理等原因致使底部用户排烟困难。集中排烟气道系统层数很多时，烟气在烟道内部流动时所克服的阻力很大。由于吸油烟机压头有限，要解决用户排烟不畅的问题，必须降低烟气在流动过程中所克服的阻力。集中排烟气道是由多个动力源汇流而成，在主、支管汇流处合流局部阻力很大。对于合流阻力计算，可以通过经验公式计算所得，也可通过《实用流体阻力手册》查取。但由于烟道厂家推出导流构件形式多样化致使经验公式很难准确计算合流局部阻力。因此，本文通过查阅一些常用的烟道标准图集，选取了一些性能比较好的导流构件为研究对象，并利用Fluent软件对各类型排烟气道合流局部阻力进行模拟计算。

2 住宅厨房集中排烟气道导流构件性能分析

2.1 物理模型

本次模拟选取四种烟道模型进行分析，模型一、模型二选自国家标准住宅排气道设计图集，图集号为07J916-1［2］，模型三、模型四选自陕西省某烟道厂家产品。图1，图2分别为四种类型烟道示意图与三维效果图。四种模型主烟道截面尺寸均为500 mm×400 mm，排烟支管直径为150 mm。在主、支烟道交接处设置了不同类型的导流构件。厨房内的烟气被吸油烟机排出后进入排烟支管与主排烟道内烟气汇合后共同向上排出。

2.2 数学模型

本次模拟以空气作为流体介质，考虑厨房烟道内烟气温度不是很高，热压作用较小，故不考虑热压对排烟的影响［3］。模型采用标准κ—ε湍流模型进行计算，其基本控制方程［4］如下:

连续性方程:

动量方程:

湍流能量传递方程:

图1 四种类型烟道局部示意图

图2 四种类型烟道三维效果图

湍流动能耗散率传递方程:

其中，ui，uj均为速度，其中 i，j为张量下标，i，j=1，2，3;μ 为粘滞系数，kg/(m·s);μt为湍流引起的粘滞系数，kg/(m·s);ρ为流体密度，kg/m3;ε为湍流脉动动能耗散率，m2/s3;k为湍流脉动动能，m2/s3。

2.3 边界条件的设置

1)进口边界条件。

经实验测定，深吸罩式吸油烟机排烟量为300 m3/h时能保证厨房很好的排烟效果，同时也可以保证在冬季不会有过多的热损失［5］。本次模拟设排烟支管进气口vent-1为速度进口类型(velocity-inlet)，支管速度为 v1=4.72 m/s。

主排烟气道进气口vent-2设置为速度进口类型(velocity-inlet)。通过对西安某几家烟道厂家33层等截面烟道的现场测试发现，主排气道内气体流速一般小于12 m/s，本次模拟取v2=0.85 m/s～12 m/s。

2)出口边界条件。

主排烟气道出气口vent-3设置pressure-outlet，出口静压值为0 Pa。

3)壁面边界。

主、支排烟道壁面取无滑移壁面边界(wall)类型。目前烟道一般采用玻纤增强水泥混凝土烟道，经试验测试并考虑工程应用的安全性，设计时取烟道内壁粗糙高度K=1.5 mm是合理的［6］，故本次模拟取壁面粗糙高度K=1.5 mm。

烟道模型边界条件设置示意图见图3。

2.4 计算机模拟结果分析

1)主烟道截面尺寸为500 mm×400 mm工况下各类型烟道导流构件局部合流阻力。

假设每层支管排风量为300 m3/h，即支管气体速度为4.72 m/s，通过改变vent-2的速度大小进行模拟计算，求得入口vent-1，vent-2，出口vent-3全压值，并将模拟结果按式(5)，式(6)进行计算，即得出各类型排烟气道局部合流阻力系数 ξ1，1－3，ξ2，2－3。

图3 烟道模型边界条件设置示意图

其中，P1，P2，P3分别为相应断面全压值，Pa;v1，v2，v3分别为相应断面的平均速度，m/s;λ1，λ2，λ3分别为相应管段管壁摩擦阻力系数;d1，d2，d3分别为相应断面的当量直径，m;ξ1，1－3，ξ2，2－3分别为合流的局部阻力损失，例如ξ1，1－3表示气流从入口1断面到出口3断面的局部阻力系数。烟道管壁摩擦阻力系数λ采用阿里特里苏经验公式计算［7］，公式如下:

其中，K为烟道内壁当量粗糙高度，m;d为烟道当量直径，m;Re为烟道内气流的雷诺数。

如图4所示对比了四种类型烟道局部合流阻力系数ξ1，1－3。从图中可以看出，四种模型 ξ1，1－3值变化规律也是一致的，随着Q1/Q3的逐渐增大，ξ1，1－3值也相应的逐渐增大。在流量比近似或相同的情况下，模型一的ξ1，1－3值最大，数值介于2～8之间。由于其自身结构特点，模型一的导流构件的变径装置促使合流阻力ξ1，1－3有所增大。模型四的 ξ1，1－3值最小，数值介于 － 4 ～ 3 之间。模型四导流构件的弯管直径为100×150是这几种模型中最大的，其优点是在相同条件下，弯管管壁单位面积受到静压最小，这减小了气体在流动时所受阻力。此外，当主烟道内气体流速很大时，模型四主烟道内气流会对支烟道气流产生一定的引射作用，这些因素促使其合流阻力系数ξ1，1－3比较小。模型二、模型三的导流构件有些类似，其中模型三导流构件为圆弧直径为150 mm的半圆弧，圆弧口径面积较模型二导流构件小，相比其合流阻力也有所增大。

图4 四种类型烟道局部合流阻力系统ξ1，1-3

图5对比了四种类型烟道合流局部阻力ξ2，2－3。从图中可以看出 ξ2，2－3与 ξ1，1－3变化规律有所不同，随着 Q1/Q3的逐渐增大，ξ2，2－3值是逐渐减小的。在流量比近似或者相同的情况下，模型一的 ξ2，2－3值最小，数值介于 － 12 ～ 1 之间;模型四的 ξ2，2－3值最大，数值介于 －5～1之间。当 Q1/Q3值不大时，四种模型 ξ2，2－3相差不大。随着Q1/Q3逐渐增大，五种模型ξ2，2－3值差距也会迅速增大，其中模型一ξ2，2－3值也比其他几种模型小得多，这主要是模型一导流构件增加的引射装置增大了支管气体对主管气体的引射作用。

图5 四种类型烟道局部合流阻力系统ξ2，2-3

排烟系统的排烟困难主要是针对底部住户而言，而上部住户基本不存在排烟困难问题。要想使底部用户排烟顺畅，必须要克服底部用户排除烟气所受的阻力，而底部用户所克服局部合流阻力主要为各层主管合流局部阻力ξ2，2－3。当底部用户Q1/Q3值较大时，模型一ξ2，2－3值小于其他模型。模型一导流构件增加的引射装置一定程度上改善了底部用户排烟状况，使整个排烟系统排烟更加均衡。但由于模型一ξ1，1－3值较大，这种引射装置是否能提高各层整体的排烟能力，还有待进一步评价。

2)主烟道截面尺寸对排烟气道导流构件合流阻力的影响。

针对建筑不同的楼层数，排烟气道系统主烟道截面尺寸也有相应的变化。经计算发现不同截面尺寸的合流局部阻力系统相差很大，图6，图7列举了不同主烟道截面尺寸下模型三导流构件局部合流阻力 ξ1，1－3，ξ2，2－3变化规律。

图6 各截面工况模型三局部合流阻力ξ1，1-3

从图6可以看出，当流量比Q1/Q3不变时，主排烟气道截面尺寸越大，对应局部合流阻力系数ξ1，1－3越大。当Q1/Q3比较大时，各截面工况局部阻力系数ξ1，1－3变化幅度很小;随着Q1/Q3逐渐减小，截面尺寸小的主烟道内气体对排烟支管内气体引射作用更加明显，从而导致ξ1，1－3迅速减小。从图7可以看出，当流量比Q1/Q3不变时，主排烟气道截面尺寸越大，对应合流阻力系数ξ2，2－3越小。当Q1/Q3很大，主烟道截面尺寸也较大时，在相同条件下主烟道内气体流速更低，排烟支管内气体对主烟道内气体引射作用更加明显，从而导致ξ1，1－3比较小。因此，对于排烟情况不理想的排烟气道系统，适当增大主烟道截面尺寸可以明显改善排烟状况。

图7 各截面工况模型三局部合流阻力ξ2，2-3

3 结语

模型一导流构件增加的引射流装置，一定程度上可以提高底部用户排烟能力，但由于合流阻力系数ξ1，1－3较大，对系统的整体排烟能力会有一定抑制，尤其是对上部用户影响很大。建议当主烟道截面尺寸较大，底部吸油烟机初始压头较小时应用此类型导流构件。对于主烟道尺寸较小，排烟系统整体排烟能力不足时建议应用模型二、模型三。模型四烟道ξ1，1－3虽然较小，但不利于平衡排烟系统整体排烟能力，而且其导流板圆弧曲率较其他类型要大，可能会造成各层用户间出现串味情况。

对于高层、超高层建筑而言，厨房排烟问题更加严重。在条件允许时，建议适当增大主烟道截面尺寸，同时通过导流构件与止逆阀对各层用户排烟均匀性做适当的调节，合理抑制上部楼层用户排烟的同时，改善底部楼层用户的排烟状况。

［1］ 刘 宁.住宅卫生间集中式排烟道计算机模拟研究［J］.山西建筑，2009，35(30):179-181.

［2］ 中国建筑标准设计研究院.国家建筑标准设计图集07J916-1住宅排气道(一)［S］.

［3］ 龚延风，陈丽萍，国君杰.住宅厨房集中排烟道内烟气流动特性分析［J］.南京建筑工程学院学报，2002(3):8-12.

［4］ 傅德董，马延文.计算流体力学［M］.北京:高等教育出版社，2002.

［5］ 彭 荣.厨房排烟中几个问题的探讨［J］.通风除尘，1995(4):42-43.

［6］ 辛月琪，徐文华.等截面水泥烟道沿程阻力研究［A］.2006全国暖通空调制冷学术年会［C］.2006:194-200.

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