不同有效风量的吸油烟机外流场特性对比研究

2018-03-21吴灵辉何立博

风机技术 2018年1期

吴灵辉何立博郑聪王磊

（1.浙江省健康智慧厨房系统集成重点实验室；2.宁波方太厨具有限公司）

0 引言

吸油烟机是厨房中不可或缺的一种家用电器，可有效排出烹饪过程中产生的有害气体，减少厨房油烟污染，其聚拢、吸烟效果与吸油烟机工作时下方油烟的流动情况息息相关。影响吸油烟机下方气流的主要因素是风速大小及其分布情况[1-2]。因家庭排烟管道中存在止逆阀、管道等沿程和局部压力损失，直接影响用户实际使用时的风量（称为有效风量）从而影响吸油烟机的使用效果。因此有必要选择用户条件下的风量范围，研究同一使用条件下不同有效风量的吸油烟机下方控烟区流场特性从而来合理改善提升吸油烟效果。

CFD数值模拟技术是研究吸油烟机气流流场的重要手段，且目前取得了不少的成果[3-5]。马晓阳[6]、陈建[7]等采用RNGk-ε湍流模型数值模拟了油烟机风机系统内部流场，很好地揭示了多翼离心风机内的气流流动及参数分布情况。陈聪聪等[8]采用Fluent模拟手段研究倾斜蜗舌对油烟机性能的影响，得到倾斜蜗舌下倾角越大越有利于降噪的结论。

本研究在实验数据的基础上，采用数值模拟的方法对比分析在相同排烟管道、不同有效风量下的吸油烟机下方控烟区的流场特性，为研发者在设计改进风机系统以提升吸油烟机吸烟效果时提供参考与依据。

1 空气动力性能测试实验

本实验采用GB/T17713-2011标准中外排式吸油烟机空气性能试验方法测量吸油烟机的空气动力性能数据[9]。

1.1 实验装置

本研究使用的实验设备有吸油烟机、风量测试台和转速显示器，其中风量台包含有连接器、十字整流器、扩散段、调节器、减压筒和出口孔板。在规定试验条件下，调节减压筒下游孔板的开孔直径，可测得每一个工况点的测试数据并通过计算可得到标准空气状态（环境温度为20oC，大气压力为101325Pa）下的吸油烟机的空气动力性能数据。

1.2 实验数据

风量测试台有编号为0#到10#共计11块出口孔板，代表了11种不同的管道阻力情况。其中，5#出口孔板下的管道阻力情况比较接近大部分家庭用户实际使用时烟道、止逆阀及烟管等带来的阻力情况，因此本研究以5#孔板下的空气动力性能数据代表有效风量和风压。试验中通过控制吸油烟机中直流电机的档位来调整风量，测取4种不同有效风量下的风压、转速等数据。

图1 外排式吸油烟机空气性能试验装置Fig.1 The performance test device for the air extraction range hood

2 计算模型及数值方法

2.1 CFD模型

本研究以市面上某款欧式吸油烟机为原型，该机型集烟罩下方配有倾斜的整流板。配合灶台和外部流动区域以真实模拟用户使用状况，从而构建了数值模拟用的流体域。整个流体域划分为部分房间区、集烟罩、过滤网、风机架、叶轮内电机区、叶轮旋转区、蜗壳、出风罩和出口延长段9个部分，坐标原点位于叶轮最前侧的中心位置，如图2所示。

图2 几何模型图Fig.2 The geometric model

2.2 网格划分

采用Gambit软件对上述9块流体区域进行网格划分，由于集烟罩和叶轮内电机区域结构较为复杂而采用四面体非结构化网格，其余部分均采用六面体结构化网格划分。其中，叶片、蜗舌、集烟罩和整流板附近局部加密，保证局部流场的准确性。对网格进行无关性验证后，部分房间区、集烟罩、过滤网、风机架、叶轮内电机区、叶轮旋转区、蜗壳、出风罩和出口延长段9个部分的网格数分别约为85万、124万、12万、68万、83万、102万、79万、9万和44万，总计600万左右。

2.3 计算模型

本研究采用有限体积法离散控制方程，采用SIMPLEC算法求解速度与压力的耦合，采用PRESTO格式处理压力项，采用二阶迎风差分格式处理动量、湍流动量和湍流耗散率。叶轮旋转区域采用基于稳态求解的MRF动参考系模型，湍流模型采用RNGk-epsilon模型，用标准壁面函数处理近壁区域[10-12]。

2.4 物性参数及边界条件

1）考虑到吸油烟机进出口空气温度和流速不高，流体介质设为不可压缩空气，物性参数选用标准状态下的空气参数，与试验计算时采用的物性参数保持一致。

2）房间四周（除后壁外）设为压力进口边界条件，表压为0Pa；延长段出口设为速度出口，选用试验得到的速度值；叶轮区域选用旋转坐标系，给定转速，其余为静止区域，叶片各面设为MovingWall跟随旋转；采用interface处理交界面。

3 计算结果及分析

3.1 气动性能

在分析吸油烟机流场特性前需要评估判断仿真计算结果的可信度，将采用试验得到P-Q曲线与模拟得到的相应数据点进行对比，结果如图3所示。相同流量下，可进行对比的三个工况点的全压试验值和模拟值误差都在5%以内，可认为数值计算结果可信。

图3 吸油烟机气动性能的试验和模拟值对比Fig.3 Comparison of test and calculation results of the aerodynamic performance for range hood

随着有效风量的增加，静压、全压、有效功率、内部功率及其全压内效率[5]也发生变化，如表1所示。观察表1可知：在相同的排烟管道环境下，提高吸油烟机的有效风量，同时也将大幅度提升出口静压，即意味着需要克服更高的阻力损失。随着有效风量从6m3/min增至12m3/min，内部功率（即叶轮对气体所做功）逐渐增大，12m3/min时所需的内部功率达到6m3/min时的8倍左右，而全压内效率先增后减，在10m3/min出现了拐点。

表1 不同有效风量下的吸油烟机性能比较Tab.1 Comparison of the aerodynamic performance under different effective flow rate

3.2 流场特性

图4为同一排烟管道环境，不同有效风量的吸油烟机进气口附近Y=0截面的静压云图。从图中可以明显的看到，有效风量变化对整流板上方的集烟腔体内流场影响较大，随着有效风量的增大，整流板上方的负压随之增大，在油烟较大的情况下，较小的有效风量可能出现不能及时排走腔内油烟而恶化吸烟效果的情况。在整流板与集烟腔形成的四周进风口附近，以-0.1Pa等压线为基准，随着有效风量的增加，负压区不断外扩，但有效风量在10m3/min后，外扩速率明显减缓，对吸烟效果的改善帮助有限。

图4 不同有效风量的吸油烟机进气口静压云图（Y=0）Fig.4 The static pressure distribution of the range hood inlet under different effective flow rates(Y=0)

图5 不同有效风量的吸油烟机进气口速度云图（Y=0）Fig.5 The velocity distribution of the range hood inlet under different effective flow rates(Y=0)

图5则为同一排烟管道环境、不同有效风量的吸油烟机进气口附近Y=0截面的速度云图。图中表明，不同风量下吸油烟机外部速度场左右对称性较好，但小风量和大风量在速度分布上存在较大的区别。以等速线0.1m/s为基准，有效风量在6m3/min时，此等速线并未合拢，中间区域速度小于0.1m/s，而此等速线在8m3/min、10m3/min、12m3/min有效风量下为合拢状态，且风量越大，等速线越下移、靠近灶台。另外，整流板下方的气流静止区也随着有效风量的提升而减少，但10m3/min和12m3/min的区别已不大。这些同样表明，有效风量的提升能改善吸烟效果，但超过10m3/min后通过有效风量的提升来改善吸油烟效果并不是合理的途径。

同一排烟管道环境、不同有效风量下的吸油烟机进气口附近X=0截面的速度云图如图6所示，斜置的整流板对整流板下方的流场影响较大，左右两侧都存在负压区，但左侧负压区（靠墙壁）相比右侧的低。对比四个风量下的静压分布情况，风量越大，同值的等压线越往下移，移动规律上与正面静压分布规律保持一致。

图6 不同有效风量的吸油烟机进气口静压云图（X=0）Fig.6 The static pressure distribution of the range hood inlet under different effective flow rates(X=0)

综合来讲，吸油烟机外部无论静压还是速度都较小，这主要是这部分气流的通流面积较大且并未经过叶轮的做功状态。结合表1、图4、图5和图6的流场分布情况，增加有效风量能提升集烟罩下方控烟区拢烟效果和整流板上方集烟区的排烟效果，但增大到一定程度（本研究表明10m3/min为界限），其拢吸烟效果改善相对较少，而且效率在有效风量为10m3/min时出现了拐点，有效风量为12m3/min时，系统内部功率也是有效风量为6m3/min时的8倍左右，即需要匹配更高的电机输出功率。