南华大学城市建设学院
摘要：通过数值模拟方法，建立典型居民厨房的三维物理模型，研究风幕式抽油烟机在3种不同射流角度(150，300，450)下的厨房气流速度场、流线和污染物浓度分布规律。模拟结果呈现以下规律：与传统上吸式抽油烟机相比，在相同排风量情况下，厨房区域各点对油烟的捕捉速度增大24%以上，烹饪操作区域油烟浓度显著降低，且风幕的存在抑制了边角区域涡流的形成；当射流角度a=300时，控制速度提升最快，油烟既能顺利排出，又防止了油烟排出路径过于靠近墙壁而粘附的二次污染。
关键词：风幕式抽油烟机射流角度数值模拟
抽油烟机通过局部排风改善厨房内的气流组织，并能有效捕集油烟等污染物，防止向其他房间扩散。因此，抽油烟机排气时所具有的气流特性决定了排风系统能否有效捕集、排出有害物。目前市场上的抽油烟机一般都带有集烟罩，根据吸气口汇流流动速度与距吸气口的距离成反比理论，增加集烟罩可以增加对油烟的控制速度进而提高捕捉效率。但集烟罩在不同程度上影响了烹饪者的视野和操作空间。本文通过利用射流风幕代替集烟罩，研究风幕在3种不同射流角度(150，300，450)下的厨房内的气流组织和污染物浓度分布规律。
1 数值计算模型
1.1物理模型
本文所建立的三维物理模型以典型家居厨房布局为基础，见图1，模型的长宽尺寸为3.0 mx2.0 m，模型只考虑吊顶以下区域，高度为2.5 m。厨房油烟污染源为圆面，直径是0.32 m。上方排风口尺寸为0.60 m x0.30 m，3个条缝型射流风幕出口宽度为0.03 m，前壁面X=2 m为补风面，a为风幕的射流角度。模型网格划分采用混合网格划分方法，并根据需要对油烟释放面、风幕射流出口以及排风口附近等关键区域进行分区加密划分网格，见图2，油烟释放面、风幕射流出口附近以0.01m加密划分网格，排风口区域网格按0.02 m进行划分，其他区域按0.05 m划分，网格单元总数约为3.4x104。
1.2数学模型
为了获得厨房排烟时的气流特性和油烟扩散规律，对此，本文做出以下假定：空气流动过程，属于低速不可压缩流动，不考虑能量方程中由于粘性作用所引起的能量耗散。计算区域三维流场作用过程的控制方程求解包括连续性方程、动量Navier-Stokes方程、湍流k-ε方程和组分运输方程，离散方法采用SIMPLEC算法对压力和速度进行修正，湍流动能K和湍流耗散率ε选择二阶迎风格式求解，数学模型使用以下简化的通用方程表示：
式中：u为进口平均速度；I为湍流通量；L为湍流积分尺度。
1.3边界条件与运算参数
1)模型边界条件设置，如图1所示，排风口设置为压力出口pressure-outlet，值为-20 Pa;条缝型射流风幕喷口设置为速度入口velocity-inlet，大小为2m/s，射流角度a分别设置为150、300和450进行分析；油烟面源设置为圆面，人口组分设置为100%，烟气初始速度为
0.3 m/s，温度为330 K;平面X=2 m为厨房补风面，其他面皆设置为壁面；风幕射流喷口、壁面及补风的温度均为273 K;本文通过Y=2 m切面对厨房流场的速度场、流线规律和污染物浓度分布情况进行研究。
2)计算精度设置，由于网格单元数量较大，为了达到合理的计算时间和计算效率，迭代次数设定为3000，此时各流动项残差已收敛到10-4以下。
2 模拟结果及分析
图3至图6是厨房中心切面Y=2 m的速度等值线图，分别研究了在相同排风速度下无风幕和有射流风幕（a=150，a=300，a=450）时速度场。图3为无风幕时，在抽油烟机和烟气初始速度作用下，离排风口0.5 m(A点)处的排风控制速度衰减到0.45 m/s，B点处的控制速度为0.08 m/s，C点则为0.06 m/s，接近于空气半无限大汇流的速度场。图4为射流风幕(a=150)时，各点的控制速度为V A=0.55 m/s，VR/0.14 m/s，V c= 0.08 m/s，与没有射流风幕情况相比分别提高了24%,73%和33%，即在相同排风速度下，射流风幕的作用大大增加了排风口对油烟的控制效果。图4到图6可看出，随着射流角度的增加，A、B、C三点的控制速度都呈现先增大后减少的规律，控制速度最大的是当射流角度a=300时，VA=0.57 m/s，VB=0.18 m/s，VC=0.10 m/s。当a=450时，由于射流与补风面来流的抵消作用在三者中最大，此时，A、B、C三点处的控制速度最小。
图7为排风口附近的来流流线图，无风幕时，流线上密下疏，大部分空气都没有经过灶台上方把油烟带走而是直接从上部被抽走，且在吊顶和灶台下方角落地方形成涡流区，油烟不易被排走；与无风幕相比三种不同射流角度下的气流由于有射流风幕的作用，灶台附近气流量增大且控制速度得以加强，没有出现气流旋涡区域；随着射流角度的增大，在排风口处的流线分布情况越分散，且越靠近壁面，油烟易于粘附在壁面上。当a=300时，灶台上方的风场流线不仅最密且又集中于排风口中心区，能顺利排出油烟而不粘附在墙壁上。
由图8可知，无射流风幕时，烟气浓度等值线呈半球形，油烟大量积累不能顺利排出，捕捉效率较低，蔓延到灶台以外的烹饪操作区的组分浓度达到0.022，且在角落涡流区域有少量油烟积累。设置射流风幕后，油烟污染区域减少，浓度等值线与垂直气流方向一致，风幕射流把油烟控制在灶台以内，C点的组分浓度降低到0.012以下，降幅50%。射流角度不同时，1.5 m高以下区域浓度分布情况基本相同，1.5 m以上区域随着射流角度的增大，油烟越贴近墙壁，排风口处最为明显，此处，当射流角度为a=300时油烟能顺利排出而不过于靠近墙壁，这与流线图7的结果相一致。
3 结论
1)通过CFD模拟结果表明，在相同排风量情况下，相比于传统上吸式抽油烟机，风幕式抽油烟机大大改善了厨房的气流组织，对烹饪操作区域油烟的控制速度提高24%以上，当射流角度a=300时，对油烟的控制速度提升最快，能有效隔离油烟扩散区域与操作区域，提高油烟的捕集率。
2)射流风幕的增设抑制了厨房角落处涡流的形成，减少了油烟的积累，且通过调节射流角度来控制油烟顺利排出而不粘附墙面造成二次污染。就本文厨房布局，当射流角度a=300时，控制效果最好，此时，灶台上方的空气流线较密，油烟汇集到排风口时的位置也相对集中。
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