船用集气罩空气幕送风速度优化的数值研究

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(1. 海军装备部，北京 100841;2. 中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

集气罩是船舶厨房排除油烟等污染物的重要设备，可以防止污染物和异味向船舶其他舱室扩散；同时也与厨师的工作环境和健康息息相关。在集气罩上安装空气幕能够有效地提高集气罩的抽吸效率[1]。空气幕的送风风速是一个很重要的参数，送风风速对防止污染物的溢出，厨师的舒适性，以及排风量的减少都有很大的关系。本文采用计算流体力学软件Airpak，采用数值方法研究了某集气罩空气幕送风速度的优化方法。

1 数学模型

目前在室内的气流组织数值计算中，MIT零方程模型[2]得到了较多的应用，因为该模型将湍流粘度归结为当地平均速度和长度尺度的函数，应用起来非常方便，并且计算量较小。为了简化问题，作如下假设。

1)室内空气低速流动，可视为不可压流体且符合Boussinesq假设[3]。

2)热边界按第一类边界处理。

3)室内空气为辐射透明介质。

采用零方程模型描述气流运动，基本方程为

①质量方程：

(1)

②动量方程：

(2)

③能量方程：

(3)

④传质方程：

(4)

式中:Vi——xi方向的时均速度,(i=1,2,3)；

t——时间；

ρ——空气密度；

p——空气压力；

ueff——等效粘度；

μ——空气层流动力粘度；

μt——空气湍流动力粘度；

β——空气热膨胀系数；

gi——i方向的重力加速度；

T——空气温度；

ΓT.eff——温度的扩散系数；

q——热源；

cp——比热；

Preff——等效普朗特数，等于0.9；

φ——该组分的体积分数；

ΓC.eff——该组分的扩散系数；

SC——该组分源项；

v——时均速度；

l——距壁面最近的距离。

2 集气罩的物力模型和结构

某船用典型集气罩结构见图1，空气幕在前面和两侧的条缝中喷出，由空气幕风机提供风量。排风格栅和滤油器斜45°布置，污染物在排烟风机的作用下通过倾斜式排风格栅流进排气空腔。

图1 集气罩结构示意

包括集气罩在内的计算区域网格划分见图2。

图2 计算区域网格划分

3 空气幕送风风速对污染物溢出的影响

集气罩空气幕的送风条缝的总面积是0.15 m2，设计排风量为5 000 m3/h时，分别取不同的送风速度，得到0.3～1.2 m/s送风速度下集气罩下方的温度云图和速度矢量图,见图3。

图3 不同送风速度下的温度云图和速度矢量图

由图3可知，送风速度为0.3和0.4 m/s时，空气幕的阻隔效果较差，从温度云图和速度矢量图可以看出，会出现油烟气外溢到室内的现象。当送风速度大于0.4 m/s，油烟的排出效果较好，基本不会出现外溢的现象。并且，送风风速越大，油烟的排出效果越明显。

4 空气幕送风风速对厨师的影响

空气幕送风风速过大，会使厨师产生强烈的吹风感，不利于厨师的身体健康。一般来说，当风速大于0.2 m/s时，人体会较为产生明显的吹风感[4]，但是考虑到厨师工作的环境，风速上限可以适当提高，这里取0.3 m/s为舒适风速的上限。为此，分别取不同的送风速度，计算出与之对应的厨师头部位置(垂直方向距离地面1.7 m，水平方向距离集气罩外侧0.15 m)的风速，见表1。

表1 不同送风速度下的厨师头部风速 m/s

由表1可知，当速度大于0.8 m/s时，厨师头部风速大于0.3 m/s，会产生较强的吹风感，会对长期在空气幕附近工作的厨师舒适性和健康产生一定影响。

5 空气幕送风风速对减小排风量的影响

增加空气幕风速，可以有效降低排除油烟所需要的排风量。以空气幕送风速度为0.8 m/s为例，对不同排风量进行计算，结果见图4。

图4 空气幕送风速度为0.8 m/s时不同排风量情况下的温度云图

由图4可见，在送风速度不变的情况下，排风量在一个较大范围内可以保证污染物不溢出，在这个前提下，可以尽量减小排风量。例如，当送风速度为0.8 m/s时，在满足空气幕隔绝效果与室内要求下，排风的最小风量为4 300 m3/h，小于该值，就有可能会出现污染物溢出的现象。

不同空气幕送风速度下对应的最小排风量见图5。

图5 不同空气幕送风速度下对应的最小排风量

由图5可见，对在空气幕的送风速度增加能够有效降低最小排风量，但是空气幕的送风速度大于0.8 m/s，最小排风量随送风速度增加的变化趋势趋于平衡，通过增加空气幕送风速度来减小排风量的效果大大降低。

6 结论

在工程应用中，往往通过增大集气罩排风量来进行厨房污染气体的排出控制，增大了系统的初始投资和运行费用。本文通过数值仿真计算证实了空气幕可起到加强集气罩抽气效果，降低集气罩排风量的作用。

对于典型船用集气罩，当空气幕送风速度大于0.4 m/s时，基本不会出现污染物外溢的现象；随着空气幕的送风速度增加，初期能够显著降低集气罩最小排风量;空气幕送风速度继续增加至大于0.8 m/s时，通过增加空气幕送风速度来减小排风量的效果大大降低。当空气幕的送风速度大于0.8 m/s时，厨师工作区域可能产生明显的吹风感，厨师舒适性下降。

因此，在集气罩空气幕的设计中，在考虑减小排风量的同时，还要兼顾污染物溢出效应和厨师的热舒适性，合理对空气幕送风速度进行设计和优化。建议船用集气罩空气幕送风速度设计在0.5～0.8 m/s之间，可起到提升集气罩烟气控制效果，满足厨师的舒适性要求的作用。

[1] 史 诺，李雅茹，乔丽洁.利用空气幕提高抽油烟机抽吸效率[J].轻工机械，2011，29(6)：95-98.

[2] CHEN Qing-yan,XU Weiran.A zero-equation turbulence model for indoor air flow simulation [J].Energy and Buildings,1998,28(1):137-144.

[3] 李念平,张敏慧,侯素娟,等.高层住宅中庭结构特性对其自然通风影响研究[J].广州大学学报:自然科学版,2010,9(3):60-65.

[4] ASHRAE.Thermal environmental conditions for human occupancy(ASHRAE Standard 55)[S].Atlanta:American Society of Heating,Refrigerating and Air-Conditioning Engineering,2004.