空气幕对厨房内PM2.5控制效果的模拟与分析

甘阳阳，李志生

（广东工业大学 土木与交通工程学院，广东 广州 510006）

近年来，室内空气品质问题备受关注。PM2.5是室内空气的主要污染源，可进入人体呼吸系统，对人体健康造成很大威胁。厨房烹饪是PM2.5的重要来源，高温烹调油和食物能释放各种有害的颗粒物和有机化合物，包括挥发性有机物、油脂、烃类、醛酮类和多环芳香烃[1-2]等。国内外对于厨房颗粒物的研究主要集中在了排放特征[3-5]、油烟散发实测[6-7]、浓度影响因素分析[8-10]等方面，关于厨房内气流组织、温度和PM2.5浓度分布的数值模拟研究不足。深入研究厨房PM2.5的运输、分布特征及其控制策略，可以有效防治厨房PM2.5污染，减少人员暴露时间。

尽管现有的抽油烟机已经可以控制大部分烹饪烟气，但由于烹饪油烟散发快速且剧烈，厨房内依然存在空气质量不良和热舒适性差的现象[11]。利用空气幕射流[12]作为动力进行补风，可将PM2.5输送到抽油烟机排风口，帮助其排除；同时，利用射流产生的风幕阻隔、控制PM2.5的扩散。Simone等[13]研究表明，预测平均投票数/不满意者百分数(predicted mean vote/predicted percentage of dissatisfied, PMV/PPD)指数并不适用于厨房热环境。Zhang等[14]研究了空气幕的风量和喷射角对烟气控制的影响。Zhou等[15]结合实验和数值模拟，研究了空气幕对CO2的控制效果，结果表明：空气幕射流速度在0～1 m/s，4个射流角都为90°时，控制效果最佳。

本文研究对象为典型民居厨房，面积适中，窗户在烹饪区侧后方，区别于前人研究较多的侧面通风。基于计算流体动力学(Computational fluid dynamics，CFD)的数值模拟在预测空气运动和颗粒物模拟方面较实验研究具有优势，并在流场分布及其优化控制研究上得到广泛应用[16-17]。因此，为对厨房PM2.5污染物和余热进行有效控制，采用空气幕送风方式，使用Fluent 16.0软件对其控制效果进行模拟分析，以期改善厨房内的空气质量和热舒适性。通过气流组织分析揭示了空气幕的作用原理与效果，量化分析了3种空气幕射流速度的降温幅度和PM2.5排除率。研究结论可对厨房PM2.5控制策略提供参考，为空气幕送风系统的研究提供模拟数据和理论依据。

1 研究方法

1.1 物理模型

民居厨房尺寸为2.0 m×2.2 m×2.4 m(长×宽×高)，内部布局为L型，厨房门、窗尺寸分别为1.96 m×0.69 m×0.1 m和1.27 m×0.75 m×0.15 m。厨房物理模型在实际测量的基础上参考相关文献[15,18-19]进行了适当简化，结果如图1所示。厨房内有大气嵌入式双眼灶，灶简化为两个尺寸为0.24 m×0.22 m×0.07 m的污染源。抽油烟机为侧吸式，双风机结构，拥有两档标称排风量15 m3/min和17 m3/min。排风口直径为0.22 m，侧面布置；油烟分离板、油槽等均被简化。空气幕放置在烹饪源周围，位于抽油烟机正下方，如图2所示。空气幕由2个长槽和2个短槽组成，长度分别为0.84 m和0.39 m，槽宽均为0.03 m。人体高度168 cm，高度划分遵循以下比例：身体头部部分18%，上半身40%，下半身42%；与操作台外围的水平距离为0.2 m。

1.2 网格划分

图 1 厨房灶台实物及简化物理模型Fig.1 Physical diagram of kitchen’s hearth & simplified physical model of kitchen

图 2 空气幕安装示意图Fig.2 Air curtain installation diagram

网格划分是数值模拟的前提和重要组成部分，划分质量将直接决定计算的精度、时间和收敛性。本文采用灵活性较高的非结构化网格，利用ICEM CFD软件进行划分。为确保模拟结果的合理和准确，对网格质量和数量进行了管理和控制，具体如下：

(1) 模型表面和内部空间分别使用三角形和四面体网格单元。(2) 对排风口、空气幕、门和窗附近速度梯度较大的区域进行网格局部加密。(3) 对颗粒物散发源即炉灶及附近区域、温度梯度较大区域和人体进行网格局部加密。(4) 通过不断调整设置因子和最大允许数值排除网格质量不好的单元。(5) 控制网格参数纵横比和扭曲率等处在良好或可接受范围内。

此外，为确保网格数量差异对计算结果没有影响，对厨房模型进行了网格独立性检验。从计算精度、时间和对计算器的要求3个方面综合考虑，在数值模拟中选择了427 896网格数量的方案。网格划分情况如图3所示。

图 3 厨房网格划分示意图Fig.3 Kitchen interior meshing chart

1.3 数学模型

引入雷诺平均模拟法，将瞬时Navier-Stokes方程对时间进行统计平均，连续相模型选用常见的RNG k-ε，组建包括连续性方程、能量方程、动量方程、k方程和ε方程在内的一整套封闭方程组。近壁面区的流动计算采用壁面函数法。颗粒相模型选择离散相模型(DPM)。DPM基于欧拉-拉格朗日方法，对大量颗粒轨道进行统计分析，计算得到颗粒群的运动特征。但由于逐一计算单个颗粒的运动轨迹，计算量较大，要求颗粒相的体积分数小于10%。颗粒相在X方向的运动控制方程如式(1)所示。

式中， up、u 分 别为颗粒相、空气的速度，m/s；t为时间，s； FD为 斯托克斯阻力系数，即弛豫时间，s-1； ρp、ρ 分别为颗粒相、空气的密度，kg/m3； gx为重力加速度，m/s2； Fx为颗粒相所受其他单位质量力，m/s2。

1.4 工况及边界条件

模拟工况共设置4组，工况1、2、3的空气幕射流速度分别为0.3 m/s、0.6 m/s、0.9 m/s，工况4作为没有使用空气幕的对照组。由于单、双灶的差异主要体现在PM2.5的散发数量级上，对气流组织影响相对不大，故为减少变量，4种工况启用的均是左边的炉灶和抽油烟机。边界条件设置参考了相关文献[15,18-21]。厨房维护结构为固体壁面边界，关闭房门，传热系数均为1.5 w/(m2·k)。窗户保持开启，为压力出口边界。假设人体站立并做少量机械功，设为恒温31 ℃的壁面边界。操作台定义为绝热边界。考虑油烟分离板等的影响，抽油烟机排风口设为速度入口边界，方向为负值，风速为2.5 m/s。将炉灶定义为污染源和热源，设为速度入口边界，速度为0.6 m/s，温度为50 ℃。空气幕同样设为速度入口边界，射流角度为90°，温度为25 ℃。

实际灶眼以圆形居多，但由于烹饪期间食物的PM2.5散发量远大于灶眼，故可以忽略灶眼形状的影响；同时为与现有文献所使用的方形散发源作对照，并假设使用平底锅，故将散发源简化为面源[18-19,21]。不考虑室外颗粒物通过门、窗或维护结构的渗透效应。颗粒物粒径设为2.5 μm，材料为默认无烟煤细颗粒，密度为950 kg/m3，散发量为3×10-8kg/s[21-22]，接近煎炒烹饪方式。颗粒相与连续相的耦合采用双向耦合方式。连续相迭代10次后，对颗粒物进行一次轨迹计算，采用稳态追踪方式。速度出口和压力出口的DPM边界条件设为逃逸，其余设置为反射。

2 结果与讨论

2.1 对厨房内气流组织的影响

图4是以空气幕作为流线出发点的室内流线云图，可以看出：工况1、2、3情况下，空气幕射流气流对烹饪区域产生了很好的包裹效应。气流垂直均匀向上运动，一部分气流被排风口所吸入，另一部分则继续向上运动到达天花，在厨房内产生绕流或经窗户流出。工况2、3的流线相较工况1更均匀，但有不同程度的绕流。因此可见，空气幕提供了均匀、稳定的流场；良好的气流组织可以使PM2.5和热流得到更好的控制。主要原因是：(1)空气幕射流可以使室内外压差减少，降低窗户进气量，使烹饪区内部获得稳定低压区域，有利于抽油烟机排出更多油烟。(2)由于PM2.5受空气分布影响很大，所以空气幕射流能够有效阻隔PM2.5的扩散。

2.2 对厨房内温度分布的影响

工况1～4下厨房内的温度分布见图5，可以看出：与工况4相比，使用了空气幕的工况1、2、3的温度明显更低。温度分布以操作台为界线大致分为两部分。一部分是操作台上部，烟气主体在烹饪区域内部能达到50 ℃，随着空气幕射流速度的增加，烟气上部截面逐渐变窄；在烹饪区外围，工况1、2、3的温度约在28～35 ℃，而工况4在36 ℃左右。另一部分是操作台外部，人体周围的空气温度较低，约在25～29 ℃；呼吸区域的温度约在29 ℃，小于工况4的31 ℃。此外，工况3相比工况2温度更高，可能的原因是空气幕射流速度偏高，排风口难以将所有气流排出，致使烹饪烟气外泄，温度升高。因此可见，空气幕很好地控制了高温气体的蔓延，改善了人体呼吸区域的热舒适性。

图 4 室内流线云图Fig.4 Interior streamline chart

2.3 对厨房内PM2.5浓度分布的影响

工况1～4下厨房内PM2.5浓度分布见图6。可以看出：虽然抽油烟机和空气幕有效控制了大部分PM2.5，但依然有部分PM2.5在散发过程中会向外逃逸，进而向周围扩散、悬浮或沉降。工况1、4的PM2.5分别在天花、地板和气流涡旋区有积聚。将工况1、2、3与工况4对比，可以看出空气幕显著降低了厨房内的PM2.5浓度，射流气流也有效阻隔了PM2.5向外的扩散。在烹饪区上部，工况4的PM2.5浓度可达到5×10-7kg/m3，工况1、2、3的PM2.5浓度约在1×10-7～2.5×10-7kg/m3；而在操作台外部，工况4的PM2.5浓度约在1×10-7～4×10-7kg/m3，工况2、3的PM2.5浓度基本在1.5×10-7kg/m3以下，说明使用空气幕后，PM2.5浓度明显降低。

图 5 厨房内的温度体绘制图Fig.5 Temperature volume rendering in kitchen

图 6 厨房内的PM2.5质量浓度体绘制图Fig.6 PM2.5 mass concentration volume rendering in kitchen

此外，工况2、3相比工况1对PM2.5的扩散有更好的阻隔，特别是在抽油烟机上部和人体前方。虽然工况3在天花附近较工况2有更严重的积聚，但依然可以看出：更高的空气幕射流速度导致了更低的PM2.5浓度；同时，有效降低了烹饪人员呼吸区的暴露量。

工况1～4下厨房内平均温度、PM2.5平均质量浓度及其控制效果见表1。从表1可知：在0.3 m/s、0.6 m/s和0.9 m/s 三种射流速度下，三者的降温幅度分别为1.07、2.28和1.64 ℃；PM2.5的排除幅度分别为7.84×10-8kg/m3、1.33×10-7kg/m3和1.34×10-7kg/m3。与工况4相比，使用了空气幕的工况1、2、3的厨房平均降温幅度在1～2 ℃，PM2.5浓度排除率提高了44%～75%。以上结果说明空气幕的使用有效改善了厨房内的热环境和空气质量。

表 1 不同工况下厨房内的平均温度和PM2.5平均质量浓度Table 1 Average temperature & PM2.5 concentration in the kitchen under different cases

从表1还可以得知，当空气幕射流速度为0.3 m/s时，PM2.5的排除率和降温效果最差。但是，在0.6 m/s和0.9 m/s的情况下，PM2.5的排除率已相差无几；而0.6 m/s情况下的降温效果还要优于0.9 m/s。这是因为过高的射流速度会对烹饪烟气的运动产生扰动，可能导致抽油烟机难以将所有气流排出，从而导致PM2.5的排除率降低。显然，空气幕射流速度的选取并不是越大越好，存在控制效果最佳的射流速度。

此外，当送风速度大于0.3 m/s时还会对人造成吹风感[23]。在0.3 m/s、0.6 m/s和0.9 m/s 这3种风速条件下，风速越小则吹风感越低；而从能耗角度考虑，送风速度越高，意味着空气幕的能耗也越高。为降低厨房内污染物浓度，应同时提高抽油烟机的排风量，仅仅依靠提高空气幕射流速度是不合理的。综上所述，本文认为空气幕射流速度的最佳值为0.6 m/s是比较合理的。

3 结论

本文提出运用空气幕与抽油烟机结合的方式对厨房PM2.5进行有效控制。模拟得出了厨房内的气流组织、温度场和PM2.5浓度场。具体结论如下：(1) 气流组织对PM2.5分布影响很大，空气幕射流气流对烹饪区域产生了很好的包裹效应，提供了更加均匀、稳定的流场，可以阻隔PM2.5的扩散；同时减少窗户的进气量，有利于抽油烟机工作。(2) 使用了空气幕的工况1、2、3与没有使用空气幕相比，无论是在温度还是PM2.5的控制上都有显著效果，可以改善厨房内的热环境和空气质量。厨房平均降温幅度分别为1.08 ℃、2.28 ℃、1.64 ℃，PM2.5排除率分别为44%、74%、75%。(3) 从降温、控制效果、能耗和吹风感综合考虑，选择0.6 m/s作为空气幕的最佳射流速度。