严寒地区住宅厨房油烟颗粒物扩散机理和沉积特性的数值模拟分析

2022-08-12李慧星王元博冯国会刘欣怡

沈阳建筑大学学报(自然科学版) 2022年3期

李慧星，王元博，冯国会，刘欣怡

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁沈阳 110168)

烹饪过程会向室内空间排放大量的有害物质。燃料燃烧散发出有害气体和颗粒物，油和食物加热过程产生油烟[1-2]。中餐独有的煎、炒、烹、炸等方式所散发的有害气体和颗粒物更为严重。烹饪过程中会产生温度较高的热羽流，迫使大量颗粒物集中在烹饪人员呼吸区域并被吸入，对人体呼吸系统和心血管系统产生不利的影响[3-6]。计算流体力学(CFD)是一种获取室内环境详细信息的经济有效的方法。一些研究通过烹饪源释放条件来预测颗粒物的空间分布[7-8]。数值模拟预测烹饪颗粒物的浓度对评估室内空气品质有非常大的帮助。但是很少有研究单个烹饪颗粒物的扩散机制，即空气分布如何影响颗粒物扩散，缺乏对特定烹饪过程中颗粒物动力学机制的理解和量化。沉积是空气中颗粒物的重要空气动力学特征之一。一方面沉积会减少室内悬浮颗粒物的数量；另一方面沉积量过高会增加室内污染，形成非常难看的污垢。笔者通过计算流体动力学的方法，预测烹饪过程产生的颗粒物在住宅厨房中的分布，并基于滑移通量模型和半经验沉积模型，量化颗粒物的运动特性。通过模拟厨房中的门窗不同开闭情况，分析不同空气分布下烹饪颗粒物的扩散机理。

1 数值模拟分析

1.1 厨房模型

住宅厨房采用的布局形式为一字型。厨房长宽高分别为3 m×1.8 m×2.4 m。烹饪人员简化为长方体多块模型，人员站在距离灶台0.10 m处[9]。采用八叉树法(Octree)划分非结构化网格，并对窗、门、燃气灶和排气口局部加密，以增加计算的精确度。

1.2 模拟工况

模拟不同通风模式下的9种工况如表1所示。吸油烟机的排气量是控制厨房污染物的关键，选取304.3 m3/h、518.4 m3/h和777.6 m3/h排气量进行分析[10]。实际厨房中的扰流通常来源于人员移动、开着的门或窗等[11]。采用3种不同的门窗开启条件，以提供不同的空气分配策略。在厨房中选取一些平面和截面交线显示整个空间的流动特性和颗粒物特征，线位置划分如图1所示。

表1 模拟工况设定

图1 厨房线位置划分示意图

1.3 边界条件

设置厨房边界条件类型和数值。将污染物/热源边界的入口速度设置为0.1 m/s[12]。通过用户自定义标量标准化烹饪源处的初始浓度，以评估厨房颗粒物浓度分布。通风量分别为304.3 m3/h、518.4 m3/h和777.6 m3/h的吸油烟机排气口被定义为0.7 m/s、1.2 m/s和1.8 m/s的速度入口。将门或窗户设定为压力入口条件来实现不同的扰流条件，提供不同的室内气流模式。在当前的工作中，采用简化的烹饪过程，将其定义为油预热阶段。这个过程是一些传统的中高温中式烹饪的典型预热阶段。因此将烹饪过程合理地简化为油加热过程，油温设置为210 ℃。并根据个体的显热量50 W，将人员体表定义为热通量为27.7 W/m2的壁面边界。模拟中假设厨房几乎不透气，厨房围护结构定义为传热系数1.5 W/(m2·K)，温度295 K的壁面。边界条件中湍流规范方法设置为湍流强度和水力直径。

2 数学模型的建立

2.1 气流模型

通过ANSYS Fluent软件，基于有限体积法将整个厨房作为计算域进行数值模拟。在湍流两方程模型中，相比于标准模型和可实现模型，重整化群(RNG)模型被认为可以在仿真和实验测量之间获得更好的一致性[13]。因此采用RNG模型和标准壁面函数求解厨房三维气流场。在典型的室内环境中，颗粒物的体积分数约为10-10，遵循单向耦合假设，利用SIMPLE算法来耦合压力场和速度场[14]。

2.2 颗粒物传输模型

通过用户自定义函数将滑移通量模型嵌入到FLUENT中运行，来模拟室内颗粒物分布。滑移通量模型是一种欧拉方法，其控制方程与Navier-Stokes方程相似，不同之处在于它将颗粒物的重力沉降效应整合到对流项中。目前滑移通量模型已广泛应用在室内环境领域，验证模型的适用性和准确性[15]。然而，仅考虑重力沉降和扩散的滑移通量模型可能无法完整描述烹饪颗粒物的相间机理。因此，采用改进的滑移通量模型，该模型已经通过实验验证并考虑引起颗粒物滑移的所有机制[16]。

(1)

式中:Vj和Vslip,j分别为空气流速和颗粒物滑移速度；C为颗粒物浓度；εp为颗粒物的涡流扩散系数；Sc为源项。

采用半经验沉积模型来获得颗粒物沉积通量[17]。该模型基于通过壁面附近的浓度边界层的粒子通量，通量的表达式可以用菲克定律表示，其中扩散系数由布朗扩散系数和湍流扩散率之和为

(2)

式中：D为布朗扩散系数；vs为颗粒物沉降速度；i值的大小取决于壁面的朝向。

3 模拟结果分析

图2为9种工况的住宅厨房空气流速轮廓图。从图中可以看出，烹饪过程会导致在炉具处产生较大的温度梯度，形成强烈上升的热羽流。吸油烟机排气口处会产生不断扩大的负压区，使得厨房内部的空气向烹饪区流动。在开门的工况下，补充空气主要从门的下半部分进入厨房。这部分空气在进入烹饪区域后，在热羽流和吸油烟机周围气流的浮力作用下向上流动。而开窗时，部分流入的空气与烹饪区气流直接混合，部分空气补充下半部被吸油烟机排出的空气。

图2 工况1-工况9住宅厨房空气流速轮廓图

4 油烟颗粒物分布

4.1 颗粒物扩散机理

图3为各因素引起滑移通量的平均影响阶数。由湍流引起的颗粒波动导致动量传输的滑移通量为SM；由对颗粒物的热泳力引起的滑移通量为FTH；由重力引起的滑移通量为G；由颗粒相每单位体积的动量变化率引起的滑移通量为D。从图3可以看出，颗粒物在住宅厨房热环境运动时受力的量阶大小有很大的差异。对不同粒径的颗粒物，FTH的平均阶数约为10-14，量阶太小而无法显著影响空间内颗粒物的运动。通过对住宅厨房气流场的分析能够发现，除烹饪热源周围的区域外，厨房各平面平均气温相差不大，导致远离热源处的温度梯度太小，使得热泳力对颗粒物在室内的传输过程影响很小。由重力引起的滑移通量阶数大小与颗粒物的直径直接相关，随着粒径的减小，G的量阶也变小。PM2.5下G的平均阶数大小约为10-4，而PM0.1下G的平均阶数大小约为10-7，表明了重力对细颗粒物和超细颗粒物影响的显著不同。相比于热泳力的影响，颗粒相每单位体积的动量变化率引起的滑移通量的阶数明显更大，PM2.5的平均阶数约为10-5，并且对比不同粒径发现，D与G的平均阶数相差不大。由湍流引起的滑移通量的阶数在不同粒径下都很大，PM2.5的SM平均阶数约是D和G的350倍，表明湍流的影响对颗粒物在住宅厨房中的扩散起主导作用。

图3 各因素引起滑移通量的平均影响阶数

4.2 油烟细颗粒物分布

图4为PM2.5在各线上的浓度分布。

图4 工况1-9沿线PM2.5分布

从图4可以看出，不同气流场下颗粒物的空间分布有很大的差异。除线4外，线1到线6上的颗粒物分布表明在靠近天花板位置的无量纲颗粒物浓度C*较高，而靠近地板的位置处颗粒物浓度都很小。比较不同排气速度下的颗粒物浓度分布，排气速度的增加导致各线上颗粒物浓度降低。这是因为在排气速度较小的情况下，从窗户或门流入的空气会破坏热源上方的热羽流并削弱吸油烟机对颗粒物的控制作用，造成空气向外逃逸。由于气流在颗粒物的扩散运动中起主导作用，逃逸的空气会夹带着颗粒物在厨房中形成循环流，使得颗粒物扩散到周围。在热浮力的作用下空气向上流动，造成天花板位置浓度较高。随着排气速度的增加，吸油烟机容纳气流的能力增强，外部空气对热羽流的影响急剧下降，大部分的颗粒物随气流从排气口排出，少部分颗粒物随逸出气流扩散到周围环境。

4.3 颗粒物对壁面沉积分析

图5为PM2.5在各壁面的沉积。图5(a)为不同通风模式下PM2.5对厨房各壁面的沉积速度，其中Vdd、Vdu、Vdf和Vdb分别代表对天花板、地板、前壁面和后壁面的沉积速度。在不同工况下颗粒物对相同壁面的沉积速度几乎没有变化，近壁面附近的颗粒物浓度成为沉积通量的最大决定因素。沉积速度的大小取决于摩擦速度和重力沉降速度，而对于同一粒径的颗粒物，重力沉降速度相同。摩擦速度定义为壁面切应力与空气密度之比的平方根，由近壁速度梯度决定。PM2.5对不同壁面的沉积速度差异很大，其中对地板的沉积速度Vdu总是最大的。这一差异能够归结于近壁面的湍流速度不同，既受住宅厨房特殊的通风模式影响。图5(b)为不同通风模式下PM2.5对厨房各壁面的沉积通量。其中Jdd、Jdu、Jdf、Jdb分别代表对天花板，地板前壁面和后壁面的沉积通量。对比不同工况PM2.5对前壁面和地板的沉积通量总是很大。对地板的沉积量大能够归结于沉积速度处于较高的数值。与开窗和门窗都开的工况比较，仅开启门时对地板的沉积量总是处于最大值，介于1.5×10-5～2×10-5。因为不同于开窗时流入的空气与烹饪区气流直接混合，开门时气流会从厨房地板流向天花板。这种气流形式起到了类似于置换通风的作用，导致地板近壁面速度梯度更大。前壁面的沉积通量大是因为距离烹饪源近，近壁面颗粒物浓度高。对相同壁面的沉积通量主要取决于颗粒物的浓度分布，而颗粒物分布与通风形式密切相关，说明通风形式也显著影响烹饪颗粒物的沉积。