双风机吸油烟机风量和静压的研究

万博臣 莫远忠 贾铌 廖晶

珠海格力电器股份有限公司家电技术研究二院 广东珠海 519070

1 引言

吸油烟机已成为现代家庭生活中不可缺少的厨房电器之一。吸油烟机的主要功能就是迅速将厨房产生的油烟吸入，并排到公共烟道中。吸油烟机最主要的两大性能指标是风量和静压。大风量的吸油烟机的吸烟效果好，能迅速将油烟吸入；大静压的吸油烟机能克服较高的管网阻力，使得吸油烟机在高背压的状态下仍能保证较大的风量。

随着产品竞争激励，各大厂家不断提高吸油烟机的性能，为了吸引消费者购买而不断提高风量和静压。但是仅仅通过优化风机、风道系统，传统单风机的吸油烟机的性能很难再有飞跃式的提升。

本文将某公司的一款单风机侧吸式吸油烟机作为参照，在此基础上改造成一款双风机吸油烟机，如图1所示。通过理论、仿真和实验三个方面，研究双风机对比单风机的性能差异，主要针对吸油烟机的风量和静压进行对比分析。

2 双风机吸油烟机风量和静压的理论分析

双风机系统采用并联工作的形式，采用两个相同的风机，并且让两个风机的转速保持一致。根据风机的工作原理，两个风机并联工作时，与单风机相比，可以达到静压相等，风量增加的效果[1]。

现有的侧吸式单风机吸油烟机，单风机对应一个吸风口，吸风口在灶台中心，风量提升有限。双风机吸油烟机的设计思路在于，双风机对应两个吸风口，吸风口能直接对准灶台，期望达到大风量，吸排油烟效果佳的目标。

但从理论上说，当风机并联工作时，想要增加较大的风量，只能在管网阻力较小的管路中使用[2]。若管网的阻力较大，则风量难以得到明显提升。如图2所示的P-Q（静压-风量）曲线上可以看出单风机与双风机的特性。图中a、b、c代表3种不同管网阻力的管道特性曲线。从图2中可见：曲线a代表阻力小的管网，它与双风机曲线的交点为A2，此时风量为QA2比单风机工作时的风量QA1要明显大许多；曲线b代表阻力稍大的管网，它分别与双风机曲线和单风机曲线相交时，交点风量QB1和QB2的大小较为接近；曲线c代表阻力较大的管网，此时双风机与单风机的风量没有明显差别，风量大小基本相等。

综上所述：理论上双风机并联工作时，想要获得较大的风量，需要在管网阻力较小的状况下运行，否则风量不会有明显提高。

图1 吸式单风机与双风机吸油烟机示意图

图2 理论的单风机与双风机吸油烟机的P-Q曲线

图3 单风机与双风机吸油烟机仿真简化模型

图4 仿真的单风机与双风机吸油烟机的P-Q曲线

3 双风机吸油烟机风量和静压的仿真分析

根据实际侧吸式单风机吸油烟机建立简化模型。在ICEM软件中划分网格，导入FLUENT软件中进行设置求解。湍流模型采用RNG k-ε模型，进行稳态求解。数值计算过程中，采用分离求解器中的SIMPLE算法，对动量、湍流动能、湍流耗散率的差分格式都设为二阶迎风格式。不考虑温度的影响，计算域中的流体材料使用FLUENT中默认的air。计算域的进口定义为压力入口，压力设置为标准大气压。计算域的出口为排烟管末端，定义为流量出口。风机设定转动速度之后，通过设定不同的出口流量，模拟得到对应出口的静压，将仿真得到的多组流量与静压数据连接绘制成曲线，便得到了吸油烟机的P-Q曲线。

为了能较为准确地模拟出吸油烟机的风量与静压，与风机连接的排烟管不能被忽略。排烟管的管径采用标准的180mm尺寸[3]，由于吸油烟机烟管需要与公共烟道相连接，所以双风机的两个排烟管须要汇集成一根排烟管，如图3所示。两根烟管汇聚成一根烟管通道，此处会有较大的局部损失。

设定同一风机转速920rpm，对图3中两个吸油烟机的风量和静压分别进行计算机仿真模拟，仿真得出双风机吸油烟机的最大风量相对较高，比单风机吸油烟机的最大风量提高约5m³/min。仿真得到的风量与静压关系的曲线如图4所示。从图4可知双风机的最大静压与单风机相同，在静压较小的区间，双风机的风量比单风机要大；当静压增大时，双风机的风量与单风机十分接近。

在吸油烟机正常工作时，由于风机对气流的抽吸，会在吸风口处产生负压区域，油烟被负压区所吸引，然后被吸入吸油烟机中再被排走。因此吸风口处的负压区的大小，直接影响吸油烟机的吸烟效果：负压区域较大则吸烟效果好，负压区域较小则吸烟效果较差。因此用计算机仿真模拟单风机与双风机吸油烟机吸风口处产生的负压区域的大小并进行对比分析。

为了方便进行对比分析，设定同一风量16m3/min，在三维仿真结果中截取吸风口处的横截面，观察对比横截面上的静压分布云图，如图5所示。在图5中，颜色由红偏绿的区域代表着负压区域，可见单风机吸油烟机产生的负压区域明显较大。这是由于在相同的风量下，并联工作的双风机存在两个吸风口，分散了负压区。负压区域被分散之后，导致两个负压区都偏小。单风机由于仅存在一个吸风口，负压区域集中且负压较强，这样对油烟的吸引力更强，吸烟效果也会较好。当双风机系统的两个吸风口均能提供如单风机系统相当的负压时，才能提供强于单风机的捕烟能力，这就需要双风机达到比现在的系统大很多的风量。

综上所述：通过仿真分析得知双风机并联工作时，与单风机相比最大风量有所提高，最大静压相同。从仿真的P-Q曲线上可知，双风机在较高的管网阻力下，风量与单风机十分接近。另外在风量相同的情况下，双风机系统由于存在两个吸风口，负压区被分散而变弱，导致吸油烟的效果较差。

图5 同风量下的吸油烟机截面静压分布云图

图6 在风机同转速下实测的单风机与双风机吸油烟机的P-Q曲线

图7 在同风量下实测的单风机与双风机吸油烟机的P-Q曲线

4 双风机吸油烟机风量和静压的实验分析

为了测试双风机吸油烟机的真实性能，按照模型设计打造了一套双风机吸油烟机样机进行实验测试分析。

对单风机吸油烟机和双风机吸油烟机分别进行风量与静压测试，记录并绘制P-Q性能曲线进行对比，如图6所示。双风机和单风机统一设定转速为920rpm，将图6与图5对比可以看出实测与仿真的最大风量非常接近，并且P-Q性能曲线的趋势也与仿真结果基本趋于一致。在图6中添加两条吸油烟机管网阻力曲线a和曲线b，分别代表较低的管网阻力与较高的管网阻力，夹在曲线a和曲线b之间的椭圆区域为用户在家中常用的实际工况。在实际工况下，单风机曲线高于双风机曲线的部分略大，代表着单风机能抵抗阻力的能力更优，因此在实际工况下认为单风机略优于双风机。

通过调整转速，对同最大风量状态下的单风机与双风机吸油烟机继续进行测试。以单风机最大风量为基准，单风机吸油烟机的风机转速保持920rpm不变，把双风机的转速从920rpm调低至680rpm，目的是让双风机与单风机在最大风量相近的情况下对比两个系统的静压差异。如图7所示为根据实验测试结果绘制的P-Q曲线图，可见单风机的静压始终比双风机大，并且在椭圆区实际工况内，单风机系统的静压要比双风机大许多，意味着单风机在同风量的状态下能抵抗更大的管网阻力。

综上所述：在转速相同的情况下，虽然双风机吸油烟机的最大风量较高，但是最大风量是在实验室中测得的没有后端阻力的理想风量。在用户实际使用的情况下，管网阻力不会为0，因此不会达到最大风量的状态。吸油烟机后端弯曲的烟管，位于较低楼层上排油烟的狭长管道，以及公共烟道的堵塞等现象[4]，都会导致较高的管网阻力。而双风机吸油烟机在用户家中常用的实际工况下，抵抗阻力的能力不及单风机，导致风量不能得到有效提高。

5 结语

本文通过理论、仿真和实验三个方面，对双风机吸油烟机的风量与静压，与单风机吸油烟机进行对比分析，得到了以下结论：

（1）双风机并联工作的吸油烟机，其最大静压相近，最大风量提高。但是在实际用户工况下，双风机吸油烟机抵抗管网阻力的能力略差，导致风量并不能得到有效提升。

（2）双风机系统由于存在两个吸风口，负压区被分散成两个。在同风量情况下，会导致两个吸风口处的负压区都偏小，捕烟效果要比单风机差。

（3）双风机吸油烟机由于多了一个风机，成本上升，而性能却不能得到有效的提高。其性价比较低，因此目前市面上的双风机吸油烟机非常少见。