基于fluent对吸油烟机过滤网特性的探讨

2023-12-22周骏尧

日用电器 2023年11期

周骏尧

（广东万和新电气股份有限公司佛山 528300）

引言

随着我国经济的快速发展和社会生活质量的显著提升，中国吸油烟机的消费市场不断壮大；据相关资料显示，我国家用吸油烟机市场在过去几年呈现稳健增长态势，在2023年吸油烟机市场规模接近5 000万台，虽然受到疫情等因素影响，市场出现短暂下滑，但趋势仍然是向上的；伴随着人们生活水平提高，厨电产品的升级及用户体验升级的步伐不断加快，智能化、绿色环保、多元化成为行业的发展趋势。预计未来，消费者对吸油烟机产品需求更加倾向于高质量、高效率、低噪音。

吸油烟机的工作原理是，电机驱离心叶轮在蜗壳内旋转并在烟机进烟口处产生负压区，从而使室内经灶具加热产生的烟气不断被排至室外。其中，吸油烟机过滤网主要过滤油烟中的固体颗粒、油脂等杂质，通常由金属、塑料等耐高温材料制作而成。由于市场销售的吸油烟机过滤网普遍设置在吸烟的流道中，并通过机械作用过滤烟气中的杂质及起到保护蜗壳内部零件的作用，其开孔形状特性、通孔面积等参数，影响吸油烟机整体性能。

本文通过在吸油烟机蜗壳前设置过滤网，使用 fluent数值模拟软件对其工作状态进行模拟，依据计算结果，探讨不同类型过滤网前后的流场分布和压力分析，为过滤网的设计和优化提供依据。

1 理论方程

本文所研究的过滤网设置在蜗壳前，空气流动速度较低，认为不可压缩气体，流场连续方程及动量方程（N-S）：

采用标准的k-ε湍流模型：

其中涡粘性系数用μt表示：

式中：

xi、xj-i和j方向的坐标；

ui、uj-瞬时速度，m/s

t-时间，s；

p-静压，Pa；

ρ-密度，kg/m³；

gi-单位质量的重力，m/s²；

Ε-耗散；

Μ-动力粘度系数，Pa；

Gk-因平均速度梯度而产生湍流动能生成项，J。

2 数值模拟

2.1 模型建立与网格划分

本文研究所采用是家用吸油烟机，其蜗壳内部设置有电机、叶轮、导风圈等零部件，在蜗壳进风口前面100 mm处设置过滤网，并建立500 mm×500 mm流体区域，为研究不同的开孔形状特性对流速的影响，总开孔面积及开孔数量不变的前提下，分布以不同开孔特征，如表1所示。

表1 不同开孔特征表

接下来对不同开孔特征的性能对比，以及提高其开孔率，观察其流动速度情况。

建立模型如图1所示。把三维模型导入到ANSYS中，使用SpaceClaim打开并编辑，利用体积抽取命令，提取蜗壳壳体内流体域作为蜗壳区域。通过boolean运算删去蜗壳区域内的叶轮等实体模型，创建叶轮集合拓扑结构定义为叶轮区域；为使空气流入蜗壳速度更均匀，以及蜗壳出口动能充分转化，提高数据准确性，对蜗壳进口及出口添加延长段并把它划分为进口和出口延长区域；这样整个离心蜗壳的计算区域分为进口区域、叶轮区域、蜗壳区域、出口区域。定义进口壁inlet和出口壁outlet，其他壁面wall，待网格生成后进行光顺和网格质量检查。为了保证网格密度的情况下，为减少网格数以缩短计算时间和计算量，只取过滤网的一部分进行计算，并进行加密网格划分，定义最小单元为0.5 mm，边缘膨胀为5层，增长率为0.5，采用逐渐加密网格的方式，随着网格数的增加，发现计算网格划分质量逐渐趋于稳定，为保证计算结果准确性的同时加快求解速度，最终确定网格总数为 14 080 万，网格单元质量0.103。

图1 模型图

2.2 边界条件

本文选用边界条件类型：环境温度15 ℃，进口与出口的压力为0 Pa、压力出口边界调节为计算域壁面，旋转速度为900 r/min。因仿真过程不考虑热交换，假设空气在蜗壳内流动是稳定的,并且旋转域与蜗壳域作用是近似平均，只需要求系统的近似解场合，故选择 MRF 多重参考系方法，SIMPLEC 算法；湍流耗散项、湍流动能和动量方程的离散均采用二阶迎风格式。在 fluent 软件中同时监控了迭代残差、关键截面的压力、轴向设置的速度等。当观察迭代残差降低趋势情况，同时监视的风机出口的流出空气质量变化量少于0.5 %时，则认为收敛，计算结束。

3 结果与分析

3.1 不同开孔特征的影响

仅改变开孔形状特性下，其他参数不变，蜗壳内叶轮转速以900 r/min旋转，过滤网前形成负压区；空气流入滤网前的速度均匀，过滤网前不同开孔特征速度流场相似，当空气流经过过滤网孔，空气速度增加，压力下降，这是由于空气在低速流动时，可认为不可压缩气体，根据质量守恒定律，流入量与流出量相同，空气通过孔时，导致其流动速度增加即动能增加，压力下降。

如图2所示，分别是方形、五边形、六边形、圆形孔形状特征的速度云图，方形孔与五边孔在轴向方向出现湍流回流区，其原因过滤网两侧空气经过滤网速度增加且两侧不断向中间挤压，形成湍流区域；但空气经过六边孔与圆孔的过滤网，能在较短距离达到稳定，过滤网后方没有形成明显得湍流区域；所以随着过滤网的开孔形状边数量越多，气体流过孔，越快达到稳定状态，湍流区域越小。

图2 不同开孔形状的速度云图

为进一步探究不同开孔特性的阻力特性，过滤网设置在-150 mm处，分别在过滤网前方20 mm至过滤网后方90 mm，每隔10 mm提取各个面的平均压力值，并描绘成曲线。图3曲线可见，流体经过不同形状特征过滤网，其压力曲线走势基本一致；但空气经过方形过滤网的降压最大，五边孔次之，圆形最小，然后在-120 mm处回到相同的压力值，随后空气越靠近蜗壳进口，负压逐步升高，各个截面的压力逐步升高。由此可见此型号离心蜗壳，相同开孔率，不同形状特征的过滤网，会造成不同程度湍流区域及压差值。如果过滤网与蜗壳进口距离较小，空气经过滤网而形成湍流区必叠加蜗壳进口速度突变区，会引起更复杂的乱流区，增加振动及噪声。

图3 滤网前后各截面压力曲线

3.2 不同开孔率的影响

为进一步研究过滤网的特性，依据上文已经得到圆孔与其他开孔形状过滤网相比，它具有快速稳定及压差小的特性，后续研究开孔率的影响，故选用圆形孔为基础的过滤网。把开孔率分别设置为13 %，22 %，33 %，41 %，51 %，61 %，70 %，并分别提取过滤网前方20 mm至过滤网后方90 mm，每隔10 mm提取各个截的空气平均速度数据，并描绘成曲线见图4。

图4 滤网前后各截面速度曲线

从上曲线可见，过滤网的开孔率从13 %到51 %，空气经过孔后流速均出现急速增加，随着开孔率增加，经过过滤网后的速度突变越小；在-130 mm处回到稳定值，随着越靠近蜗壳进口，空气流速又逐渐升高；当开孔率大于51 %时，可得到随着开孔率不断增加，过滤网对空气流动的影响不断降低，其速度变成光滑上升直线。此外，大部分空气由过滤网内中心区域流入，过滤网四周的空气流入速度逐渐降低，见图5。