基于数值模拟的油烟机排烟性能评价方法研究

林娟 余锐生 肖剑

（珠海市鹿鸣智慧科技有限公司宁波分公司）

0 引言

油烟机作为厨房电器，主要用于排出烹饪时产生的油烟，减少烹饪时的油烟空气污染。评价油烟机的性能参数主要有风量、最大风压、噪声、气味降低度等。目前很多厂家仅追求大风量，误导消费者认为油烟机的风量越大越好。风量越大，油烟机的吸力越大，但吸力大并不代表油烟机的排烟效果好，且风量越大，噪声和能耗也越大。

如何评价一款油烟机的排烟效果？目前，国内外的测试标准均采用气味降低度指标进行评价。国标GB/T 17713-2011吸油烟机中气味降低度测试方法是在一定的空间内、基于全面通风，且排放至自由空间条件下进行的。而油烟机实际使用时，限于厨房的各种实际工况，如厨房空间大小、补风情况、公共烟道的阻力等，因此气味降低度测试难以真实反映吸油烟机实际的排烟效果。

另一种评价油烟机排烟效果的方法就是通过数值仿真。目前国内外大多采用设置监控点及提取部分截面，分析监控点和面上的油烟浓度分布、速度分布特性以及压力分布特性，从而从侧面反映油烟机的排烟能力[1-12]。刘逸[9]在研究不同方案的油烟机气动布局对吸油烟机排烟效果的影响时，采用截取特定的截面进行油烟浓度、负压分布和流场分布的观察对比，从而对比出最有利于排烟的气动布局方案。陈雪江[10]在研究新型吸油烟集烟方式时，在数值分析上采用监测人体所处的呼吸位置的三条直线、及三个平面上的计算结果来对比不同方案的排烟性能。

以上定性评价方法可靠与否，一方面取决于监测位置的代表性或准确性，另一方面取决于分析者的分析能力。定性评价无法直观定量对比出排烟性能的差异，且由于油烟分布高度不对称性，测试浓度不稳定，仅分析空间中的部分点或面，无法反映整体的油烟浓度情况，可靠性不足。

本文提出一种基于数值模拟的排烟效果评价新方法，定义了评价呼吸区空气质量的指标参数——油烟扩散体积比，可以直观地体现区域中被油烟污染的空气体积范围，从而体现油烟机的排烟效果。另外定义了可控的最大出烟速度v0和匹配的最佳风量Q0，v0，Q0绘制成的油烟机排烟性能特征曲线，可以反映油烟机在不同出烟速度下的排烟性能。

1 排烟性能数模模拟评价方法

本文基于fluent 仿真软件对厨房空间流场进行模拟计算。采用压力基隐式求解控制方程。所需求解的控制方程包含连续性方程、动量方程、能量方程和组分方程。计算模型采用Realizable k-e湍流模型进行稳态计算，采用SIMPLE算法求解压力和速度耦合问题。

边界条件设置如下：厨房门窗作为自然补风进口，设置为0Pa 压力边界条件。锅具平面作为油烟源和热源，设置为速度进口，以N2代表油烟，设置一定的进口速度和温度。油烟机的蜗壳出口设置为速度出口，使得油烟机风量保持在给定的风量值。

为了更精确地分析烹饪者的呼吸环境以及厨房的整体油烟情况，对厨房空间进行分区，将整个厨房划分为烹饪区、呼吸区和厨房活动区。如图1，将灶台之上，油烟机之下，宽度为900mm 的区域定义为烹饪区。烹饪区包含了油烟源以及油烟升腾空间，该区域流场复杂，油烟浓度值及浓度梯度较大，用户一般不直接呼吸到该区域的气体，故在分析厨房环境情况时，一般不对该区域进行统计分析。呼吸区定义如图2，包含了烹饪者的呼吸空间，直接影响到烹饪者吸入的空气质量，在分析厨房环境时，需要重点对该区域的油烟情况进行分析。除了将烹饪区以外的厨房剩余空间定义为厨房活动区，表示人员的可活动空间，厨房活动区的油烟情况表征了厨房大环境的空气质量。

图1 烹饪区定义Fig.1 Definition of cooking area

图2 呼吸区定义Fig.2 Definition of breathing area

图3 厨房活动区V(c＞0.02)和呼吸区V(c＞0.01)所占空间Fig.3 Space occupied by V(c＞0.02) of kitchen area and by V(c＞0.01)of breathing area

重点关注厨房活动区和呼吸区的油烟扩散情况。以V(c＞0.02)来评判厨房活动区的油烟污染情况，即表示厨房活动区中油烟浓度大于等于0.02 的空气所占的总体积；以r0.01来评判呼吸区的油烟污染情况，即表示呼吸区中油烟浓度大于等于0.01的空气总体积占呼吸区域总体积的比例（%）。需要说明的是，油烟扩散体积和油烟扩散体积比受厨房空间大小的影响，在对比分析不同工况时，只有在所定义的区域空间相同时，指标才有可对比性。

根据实测经验和主观感受，本文以呼吸区的r0.01来对烹饪者呼吸环境情况进行油烟污染情况等级划分。当呼吸区的r0.01≤1%时，空气较优；当1%＜r0.01≤10%时，空气油烟轻度污染；当10%＜r0.01≤50%时，空气油烟中度污染；当50%＜r0.01≤100%时，空气油烟重度污染。

定义呼吸区的r0.01≤1%时，对应的最小风量值为该出烟速度下的最佳匹配风量Q0，对应的出烟速度定义为该风量下的可控最大出烟速度v0，Q0和v0为一一对应关系。当厨房环境一定时，每款油烟机都对应一组Q0和v0，将这一组参数绘制成曲线，定义为该厨房环境下，此油烟机的Q-v曲线。Q-v曲线表征了油烟机在一定厨房环境下的排烟特性，即油烟机的排烟性能。

2 同一风量下，油烟机的排烟效果对比分析

研究对象如图4，这两款油烟机的产品铭牌参数见表1，油烟机A 的风量和最大静压值均高于油烟机B，但是其常态气味降低度却小于油烟机B。以下通过数值模拟方法，分析该现象。

图4 油烟机A和BFig.4 The range hood A and B

表1 油烟机铭牌参数Tab.1 Brand parameters of range hood

厨房布局如图5，厨房尺寸为2m×3m，厨房设有一个门和一个窗户与外界连通，作为自然补风口。灶台左侧设置一个炒锅，锅面设置为100℃的热源，以N2代替油烟，出烟速度为0.4～1.0m/s，代表烹饪时不同的油烟量，右锅不出烟。设置油烟机运行风量为10m3/min。仿真计算结果如表2和图6。

图6 不同出烟速度下的厨房活动区V(c＞0.02)和呼吸区r0.01Fig.6 The V(c＞0.02) and r0.01 at different smoke exhaust speeds

表2 10m3/min时，不同出烟速度对应的厨房活动区V(c＞0.02)和呼吸区r0.01Tab.2 The V(c＞0.02) and r0.01 at different speeds of exhaust smoke when the flow rate is 10m3/min

图5 厨房布局Fig.5 The layout of a kitchen

如图6，在油烟机风量10m3/min 时，随着锅出烟速度的加大，V(c＞0.02)，r0.01随之增大，且出烟速度增大到一定程度时，两款油烟机的厨房活动区V(c＞0.02)最终趋于一致，呼吸区r0.01最终都趋于100%。当出烟速度为0.4m/s、0.5m/s 时，油烟机A的V(c＞0.02)，r0.01略小于油烟机B，当出烟速度为0.6m/s～1.0m/s 时，油烟机A的V(c＞0.02)、r0.01明显大于油烟机B，油烟机B 在出烟速度vout≥0.9 m/s 时，呼吸区油烟严重污染，而油烟机A在出烟速度vout≥0.8m/s 时，呼吸区就已经严重污染。综上，当油烟机风量为10m3/min，左锅出烟速度vout≤0.5m/s 时，两款油烟机的排烟效果较佳，且油烟机A 有微弱的优势，当vout≥0.6m/s，油烟机B 的排烟效果明显优于油烟机A，且随着出烟速度增加，两款油烟机的排烟效果差异先大幅增大，后随着出烟速度的进一步加大，10m3/min 的风量已远远控制不了过大的出烟速度，导致油烟的大量逃逸，排烟效果趋于一致。

3 排烟效果评价方法对比

为了对比油烟机排烟效果的评价方法，本文取文献[9]中的截面，即过两个灶眼中心，且与墙面平行的截面进行压力分布分析，截面位置见图7，此处对比排风量10m3/min，出烟速度为0.7m/s 时的仿真结果，压力分布云图如图8，从图可见，两款油烟机的压力分布结构有明显的差异，油烟机A 的有效负压区主要集中在中央的进风口区域，且在垂向位置上更靠近灶台。油烟机B 的有效负压区主要分布在集烟罩的四周。综合对比，无法直观地分析出哪个油烟机的排烟效果更好。

图7 分析截面位置示意图Fig.7 The schematic diagram of section position

图8 截面的压力分布云图Fig.8 Pressure distribution nephogram of the section

另外，根据文献[10]的分析方法，设置呼吸点为离地1520mm，位于左锅中心面上，且离灶台110mm 的位置，本文分析过呼吸点的三条监控直线的油烟浓度，分别为LineX、LineY、LineZ，具体位置如图9。这里只取三个典型工况进行分析对比：分析油烟机排风量为10m3/min，左锅出烟速度为0.5m/s、0.6m/s、0.7m/s工况下的结果，见图10-12。

图9 Line X、Line Y、Line Z直线位置示意图Fig.9 The schematic diagram of Line X,Line Y,Line Z

如图10-12，对比得出，油烟A在出烟速度为0.5m/s的工况下，监控直线处的油烟浓度小于油烟机B，其它工况下，均大于油烟机B，即：当出烟速度为0.5m/s 时，油烟机A 的排烟效果优于油烟机B，当出烟速度为0.6m/s、0.7m/s时油烟机B的排烟效果较优，该结果与本文评价结果一致。

图10 Line X上的油烟浓度分布，从左到右出烟速度依次为：0.5m/s、0.6m/s、0.7m/sFig.10 Oil fume concentration distribution on Line X,the exhaust smoke speed from left to right is:0.5m/s,0.6m/s,0.7m/s

图11 Line Y上的油烟浓度分布，从左到右出烟速度依次为：0.5m/s、0.6m/s、0.7m/sFig.11 Oil fume concentration distribution on Line Y,the exhaust smoke speed from left to right is:0.5m/s,0.6m/s,0.7m/s

图12 Line Z上的油烟浓度分布，从左到右出烟速度依次为：0.5m/s、0.6m/s、0.7m/sFig.12 Oil fume concentration distribution on Line Z,the exhaust smoke speed from left to right is:0.5m/s,0.6m/s,0.7m/s

4 油烟机的排烟性能分析：Q-v曲线。

本文研究该厨房环境下这两款油烟机的Q-v曲线，从而体现油烟机的整体排烟性能。左锅出烟速度设置为0.4m/s～1.2m/s，右锅不出烟。风量在一定范围内，每0.5m3/min 设置一个仿真计算。首先仿真计算出r0.01=1%所对应的风量Q的取值范围（0.5m3/min的跨度范围内），再通过线性插值计算出r0.01=1%对应的Q，即为Q0。r0.01=1%所对应的风量Q的取值范围如表3。根据此计算结果，线性插值出r0.01=1%对应的Q0的值，结果如表4，绘制成Q-v曲线如图13。

表3 油烟机A、B的r0.01 仿真结果Tab.3 The simulation results r0.01 of range hood A and B

表4 油烟机的Q0-v0值Tab.4 The Q0-v0 value of range hood

图13 油烟机A、B的Q-v曲线Fig.13 Q-v curves of range hoods

如图13，油烟机A 和B的Q-v曲线相交于（0.55，9.76）附近，即，当出烟速度小于0.55m/s 时，油烟机A的所需的最佳匹配风量略小于油烟机B，即认为此时油烟机A 的排烟性能略优于油烟机B。当出烟速度大于0.55m/s 时，油烟机A 的所需的最佳匹配风量略大于油烟机B，即此时的油烟机B 的排烟性能优于油烟机A，且随着出烟速度的增加，油烟机B 的优势更加明显。这也解释了油烟机A 的铭牌风量虽然大于油烟机B，但是其常态气味降低度却低于油烟机B 这一现象。

5 结论

本文提出一种排烟效果的数值模拟评价方法，提出呼吸区的概念，重点关注烹饪者的呼吸环境，定义了评价排烟效果的指标，以及反应油烟机排烟性能的Q-v曲线。

v为锅的不同出烟速度，Q为该出烟速度下对应的最佳风量。通过计算Q-v曲线，可以避免通过盲目增大风量来提高排烟性能，造成舒适性的牺牲和效率的损失。

通过本文的排烟效果数值模拟评价方法，分析了市面上两款油烟机的排烟特性，分析结果与油烟机的铭牌参数性能相符。分析了这两款油烟机的Q-v曲线，在出烟速度小于0.55m/s 时，油烟机A 的排烟性能略有优势，当出烟速度大于0.55m/s时，油烟机B的排烟性能优于A，且随着出烟速度的增加，油烟机B 的优势更加明显。

一般认为影响油烟机排烟能力的因素有：油烟机的运行风量、厨房的补风条件、油烟机的具体结构。利用本文的数值模拟评价方法，可以对这些因素进行具体研究。需要说明的是，本文的呼吸区的定义只作为参考，严格定义呼吸区，需要根据人员的身高等实际情况进行调整。