基于CFD 技术的射流特性及在家用油烟机污染物控制中的应用研究

宫伟 张晓棠 张蕊

（1.青岛海尔智能技术研发有限公司，山东青岛 266101；2.数字化家电国家重点实验室，山东青岛 266101）

随着我国居民生活条件的改善，人们对健康环境的要求越来越高。厨房中式烹饪过程会产生大量油烟，导致厨房室内环境质量比较低。近年来，人们对厨房环境质量也越来越重视。当前，厨房室内污染物主要依靠吸油烟机净化后排出，吸油烟机是依据热羽流升腾原理进行设计的，主要包括风箱、集烟罩、油烟净化设备、烟道等部件[1,2]。通过吸油烟机市场用户调研，油烟机吸不净，尤其从集烟罩两侧跑烟问题是用户的一大痛点。吸得净、不跑烟已是目前消费者关注的重点。许多相关机构研究人员对此进行了深入研究，蒋磊等[3]研究了近吸式吸油烟机两侧拢烟效果的差异；史漫兴对风幕油烟机拢烟效果的评价和优化进行了深入研究[4]；管国虎等研究了吸油烟机不同安装高度下的排烟效果[5]。

为了解决家用油烟机油烟外溢的问题，本文提出了一种基于CFD 技术的射流负压风幕控制油烟污染物扩散方法，分别研究了喷口形状、喷口个数、喷口角度、喷口位置、喷口气流速度及方向对油烟机性能及厨房环境的影响，最终获得了有效控制油烟污染物扩散的家用油烟机射流负压风幕设计最佳参数。

1 问题分析

家用吸油烟机距离灶面的安装高度有一定要求，顶吸欧式机一般为650 mm～850 mm，假设热源为灶具上的炒锅，锅内放入植物油油面直径D 为0.24 m,油面至灶台高度为0.1 m，吸油烟机的安装高度0.7 m，吸油烟机下沿距油面的距离d1为0.6 m，抽油烟机为高伞型罩［6］。当热羽流向上流动时，卷吸周围空气形成的热羽流直径及总气流量都随升腾高度的增加而增加。热羽流在吸油烟机集烟罩下沿的直径Dc 可由下式计算[7]：

式中：d1为吸油烟机下沿距离油面的距离，单位：m；d2为油面到地面距离，单位：m。

Dc 也可按中国医学科学研究院卫生所提出的公式计算[7]：

若再考虑热羽流上升过程的偏斜、外界横向气流、吸油烟机集烟罩吸口中心与灶具中心的对正误差等影响因素，实际热羽流直径会比现有集烟罩尺寸大的多，这是目前吸油烟机集烟罩尺寸难以达到的。吸油烟机内部的离心风机运行会在集烟罩吸风口处产生负压，对油烟的捕集可近似地看成点汇形式抽吸。在实际生产实践过程中，许多研究人员都曾对各种吸气口的气流规律进行了大量实验研究。吸气口外某点处气流速度与该点距吸气口距离的平方成反比，控制点远离吸气口时，控制速度呈指数下降，使吸风所影响的区域范围变得很小，所以吸油烟机安装高度距离污染源越近，吸油烟效果就越好[8]。然而，由于烹饪人员身高的限制，吸油烟机的安装高度不能过低，安装高度过低会妨碍烹饪过程，这就导致油烟机集烟罩两侧不可避免的有油烟外溢的现象。

2 数学模型

2.1 几何模型

本文简化了厨房空间模型，该模型主要包括吸油烟机、灶台、炊具简化模型，在灶台面设置两个进风口来简化模拟炊具模型，代表油烟气流入口。本文通过优化结构设计主要研究射流气幕不同设计参数对集烟罩两侧拢烟效果的影响，吸油烟机简化内部结构，主要针对吸油烟机外形结构进行建模。

为提高吸油烟机集烟罩两侧吸烟能力，在集烟罩的下表面两侧安装缝隙式射流孔，如图1所示。未安装整缝隙式射流孔时，部分油烟会从吸油烟机集烟罩两端侧面向外逃逸；安装整缝隙式射流孔时后，烟气到达吸油烟机集烟罩下表面两侧时，会在射流卷吸作用下被吸入吸油烟机内部，经净化后排出。

图1 吸油烟机和缝隙式射流孔

2.2 计算模型

本研究采用商用CFD 仿真软件star ccm+求解，运用realizable k-E 湍流模型进行三维不可压缩流体求解计算。在本计算中对流场做了如下假设：流场为气体，且密度恒定，气体不可压缩，忽略重力、浮力影响，不考虑环境温度。

基于如上假设，流场须满足质量守恒与动量守恒，即满足连续方程与动量方程。

2.2.1 连续性方程

2.2.2 动量方程

2.3 网格生成及边界条件

本算例中网格为star ccm+经典的12 面体网格，网格数约为1 700 万，网格精度较高，其中缝隙式射流孔进行了局部加密。流动控制方程在空间上的离散采用有限容积法，其中对流项的守恒部分、扩散项和源项采用二阶中心差分格式，非守恒部分采用二阶迎风格式，在方程求解过程中，采用多重网格技术加快计算的收敛，当求解变量的最大残差小于10-4时，认为计算收敛。inlet1，inlet2 缝隙式射流喷口设置表压力20 Pa；inlet3，inlet4 模拟简化炊具，设置速度1 m/s，方向垂直向上，压力101 325 Pa，温度500 K；outlet 为油烟机出口，设置温度为 293.15 K，真空度 80 Pa。具体的数值计算用吸油烟机模型如图2 所示。

图2 吸油烟机数值计算几何模型

3 结果与分析

射流负压风幕结构参数对吸油烟控制油烟污染物的逃逸具有重要的影响，在本文研究中，在原型机的基础上分别设计了7 种射流负压风幕方案，分别研究了喷口形状、喷口个数、喷口角度、喷口位置、喷口气流速度及方向对油烟机性能及厨房环境的影响，吸油烟机风量范围根据吸油烟机不同档位的风量确定。射流负压风幕安装在原型机集烟罩两侧边缘位置，原型机和带方案1 负压风幕的原型机压力分布图（数值计算结果）如图3 所示，从原型机和带方案1 负压风幕的原型机压力分布图可以看出，相比原型机，带有负压风幕集烟罩两侧负压区外扩下移，辅助捕烟效果明显，负压风幕比原型机具有更好的拢烟效果，可以减少集烟罩两侧跑烟的问题。

图3 原型机和带方案1 负压风幕的原型机压力分布图（数值计算结果）

本研究在方案1 的基础上，又优化设计了其他6 个方案，研究了喷口形状、喷口个数、喷口角度、喷口的位置、喷口气流速度及方向对于油烟机拢烟效果的影响，具体参数如表1 所示。方案2 是在方案1 的基础上，将单个喷口增加到两个喷口，研究了喷口的个数对拢烟效果的影响。方案3 是在方案1 的基础上在出口位置增加了鼓包设计，研究了喷口的形状对拢烟效果的影响。方案4 和方案5 是在方案3 的基础上改变了喷口的喷射角度，方案4 是喷射角度向里旋转10°，方案5 是喷射角度向外旋转10°，研究了喷口的喷射角度对拢烟效果的影响。方案6 和方案7 是在方案3 的基础上，将单个喷口的个数增加到方案6 的两个喷口和方案7 的三个喷口，研究喷口个数和喷口位置对拢烟效果的影响。

表1 方案1—方案7 结构图及设计参数

方案1—方案7 的油烟逃逸速度矢量图（数值计算结果）如图4 所示。对比方案1 和方案2 的油烟逃逸速度矢量图可以看出，在结构设计参数保持不变的基础上，仅将喷口的数量由单个改为两个，对拢烟效果的提升影响不大；方案3 是在方案1 的基础上在出口位置增加了鼓包设计，改变了喷口的形状，对比方案1 和方案3 的油烟逃逸速度矢量图可以看出，在出口位置增加鼓包设计，有助于提高拢烟效果。原因可能是方案3结构具有节流出风口和科恩达面，节流出风口产生高速薄空气层，由于附壁效应空气层吸附到科恩达面，流动方向改变，沿着科恩达面进入出风孔，此过程导致附近产生低压区域，吸引大量周围空气进入，从而提高了拢烟效果。

图4 方案1—方案7 油烟逃逸速度矢量图（数值计算结果）

方案4 和方案5 是在方案3 的基础上改变了喷口的喷射角度，方案4 是喷射角度向里旋转10°，方案5 是喷射角度向外旋转10°，对比方案3、方案4 及方案5 油烟逃逸速度矢量图可以看出，方案3 的喷射角度30°拢烟效果最佳；方案6 和方案7 是在方案3 的基础上，将单个喷口的个数增加到方案6 的两个喷口和方案7 的三个喷口，通过对比方案3、方案6 及方案7 油烟逃逸速度矢量图可以看出，两个喷口和三个喷口对拢烟效果的提升影响不大，说明仅将喷口的数量由单个改为两个或多个，对拢烟效果的提升影响不大，分析结果同对比方案1和方案2 结论一致。从方案1—方案7 的油烟逃逸速度矢量图可以看出，设计方案3 是最优方案，拢烟效果最佳，即设计的喷口速度13 m/s，与水平方向夹角为30°时，对油烟的溢流效果最明显。方案1—方案7 射流最大气流速度和速度方向如表2 所示。

表2 方案1—方案7 射流最大气流速度和速度方向

4 实验验证

为了进一步验证仿真结果，根据最终优化方案3 设计打样射流模块，选取一台原型吸油烟机，在集烟罩两侧加装方案3射流模块进行实验测试。射流模块实物图及在油烟机上的安装位置如图5 所示。

图5 射流模块实物图及在油烟机上的安装位置

从图6 的实验结果可以看出，发烟设备置于油烟机集烟罩侧面下方外侧发烟时，油烟机以最高档位运行，当在射流负压风幕不开启的状态下，油烟无法被油烟机吸走，当射流负压风幕开启时，油烟在上升过程中被油烟机吸走，明显改善了油烟逃逸问题。

图6 实验测试图

5 结论

为了解决家用油烟机油烟外溢的问题，本文提出了一种基于CFD 技术的射流负压风幕控制油烟污染物扩散方法，分别研究了喷口形状、喷口个数、喷口角度、喷口位置、喷口气流速度及方向对油烟机性能及厨房环境的影响，最终获得了有效控制油烟污染物扩散的家用油烟机射流负压风幕设计参数。通过仿真及实验结果验证，获得主要结论如下：（1）通过数值计算和实验测试结果的比较，定性地证实了本文数值计算方法和计算模型的有效性。（2）仿真结果分析表明，仅将喷口的数量由单个改为两个或多个，对拢烟效果的提升影响不大；在出口位置增加鼓包设计，有助于提高拢烟效果；从方案1—方案7 油烟逃逸速度矢量图可以看出，设计方案3是最优方案，拢烟效果最佳，即设计的喷口速度13 m/s，与水平方向夹角为30°时，对油烟的溢流效果最明显。（3）通过实验验证表明，在原型机上改装射流负压风幕，通过对比射流负压风幕不开启和开启两种状态，当在射流负压风幕不开启的状态下，油烟无法被油烟机吸走，当射流负压风幕开启时，油烟在上升过程中被油烟机吸走，明显改善了油烟逃逸问题。