（西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院）

0 引言

室內(nèi)空氣質(zhì)量及溫度舒適度是影響居民健康安全的兩項(xiàng)重要指標(biāo)，烹飪過程中產(chǎn)生的大量油煙是導(dǎo)致室內(nèi)空氣質(zhì)量惡化的一個(gè)重要原因[1-3]。烹調(diào)油煙成分非常復(fù)雜，含有大量多環(huán)芳香烴類有機(jī)物PAHs[4-5]，能夠破壞人體的免疫功能，具有強(qiáng)烈致癌作用，嚴(yán)重影響人體健康[6-8]。為了有效改善烹飪過程中的空氣質(zhì)量，降低可能吸入人體的污染物濃度，廚房?jī)?nèi)通常安裝吸油煙機(jī)。通風(fēng)量是影響吸油煙機(jī)排煙性能的一個(gè)關(guān)鍵因素。Donghyun[9]運(yùn)用實(shí)驗(yàn)方法發(fā)現(xiàn)開啟狀態(tài)的吸油煙機(jī)可將油煙濃度降低一半，大的通風(fēng)量可有效提高超細(xì)顆粒（直徑小于100nm）的衰減率（Particle Reduction Effectiveness）。Rahman[10]采用數(shù)值方法研究并發(fā)現(xiàn)一定量的強(qiáng)制通風(fēng)可降低呼吸點(diǎn)處的溫度達(dá)6℃，且將呼吸點(diǎn)處CO2濃度控制在安全生命線（5 000ppm）以下。因此，充足的通風(fēng)量對(duì)降低廚房?jī)?nèi)污染物濃度至關(guān)重要。但從Cao[11]關(guān)于吸油煙機(jī)使用情況的問卷調(diào)查可知，目前約89%的居民仍抱怨在烹飪過程中總存在油煙泄漏現(xiàn)象。這說明，不斷加大排風(fēng)量并不能從根本上解決吸油煙機(jī)油煙泄漏問題，而且排風(fēng)量的增大容易產(chǎn)生上下層之間的回流。

許多研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)一些特殊的結(jié)構(gòu)可使廚房?jī)?nèi)部氣流分布更為合理，從而明顯降低工作區(qū)域的污染物濃度。Chiang[12]發(fā)現(xiàn)，引入氣窗（transom）可將灶臺(tái)附近聚集的CO氣體順利排放。Cao[11]采用強(qiáng)制引導(dǎo)吸油煙機(jī)進(jìn)口附近氣體流動(dòng)的方法可加強(qiáng)集煙腔攏煙效果，降低人體油煙吸入率（Intake fraction）。綜上可見，合理控制吸油煙機(jī)進(jìn)口處氣流可有效提高吸油煙機(jī)排煙性能。因此，本文研究的主要目的是運(yùn)用數(shù)值模擬的方法分析廚房?jī)?nèi)部的氣流流動(dòng)規(guī)律和溫度、油滴顆粒濃度的分布情況，從而探究一種在換氣量一定的條件下，吸油煙機(jī)排煙性能更優(yōu)的集煙方式。

1 數(shù)值模型及方法

本文研究對(duì)象是一個(gè)中國(guó)傳統(tǒng)式三維廚房，其結(jié)構(gòu)主要包括窗戶、灶臺(tái)、廚具、吸油煙機(jī)，如圖1所示，其中吸油煙機(jī)是關(guān)鍵部分，該幾何模型和吸油煙機(jī)的尺寸如表1所示。

表1 廚房和抽油煙機(jī)的幾何尺寸Tab.1 Geometric dimensions of kitchen and range hood

圖1 中國(guó)傳統(tǒng)式廚房吸油煙系統(tǒng)模型Fig.1 Schematics of a typical Chinese kitchen-range hood system

在瞬態(tài)模式下，為了對(duì)該廚房?jī)?nèi)流速、溫度和油滴顆粒濃度的分布進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，本文采用連續(xù)性、動(dòng)量和能量的非定常三維控制方程，并結(jié)合湍流和多相模型來對(duì)研究的物理模型進(jìn)行描述。其中，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型及壁面函數(shù)法來求解紊流，同時(shí)考慮浮力效應(yīng)，采用粒子漂移通量模型以獲取油滴顆粒濃度。鑒于多相流混合物模型能夠很好地適用于低加載率情形，再結(jié)合有限的計(jì)算資源，本次研究選取混合物模型作為多相流模型進(jìn)行計(jì)算。引入模型后的混合相（空氣與油滴顆粒的混合流體）控制方程如下：

1）連續(xù)方程：

ρm是混合密度：

2）動(dòng)量方程：

其中，μm是混合分子動(dòng)力粘性系數(shù)：

3）能量方程：

其中，ek=hk=Cp,kT，為內(nèi)熱源項(xiàng)。

4）粒子漂移通量模型方程：

首先將第二相（p）的速度相對(duì)于主相（q）的速度定義為相對(duì)速度：

τqp為粒子的弛豫時(shí)間：

其中dp為第二相顆粒直徑fdrag稱為曳力函數(shù)，是雷諾數(shù)的函數(shù)。

第二相的體積分?jǐn)?shù)方程：

同時(shí)，第二相（p）與主相（q）體積分?jǐn)?shù)滿足：

方程(1)～(7)主要用于求得混合相的密度、時(shí)均質(zhì)量平均速度、壓力及溫度，而離散相/第二相（油滴顆粒）的相關(guān)物理量則由方程(8)～(14)求得，其中速度均為時(shí)均速度。這些方程通過變量進(jìn)行耦合，共有25個(gè)變量，其中，混合相的質(zhì)量平均變量包括7個(gè)：；單一相的變量包括18個(gè)：。

為了封閉上述控制方程，并求解上述變量，還需要給定適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，本模型中，風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速為1900r/min；在窗戶進(jìn)口設(shè)定為壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，溫度為293K，只有空氣流入，在廚具出口為油滴發(fā)生處，設(shè)定油滴產(chǎn)生速率為5×10-5kg/s，油滴溫度為393K；在抽油煙機(jī)出口，設(shè)定負(fù)壓為-114Pa；在廚具壁面速度滿足無滑移邊界條件，熱流密度4×104W/m2；其余壁面速度均滿足無滑移邊界條件，均為絕熱邊界。

煙氣在浮力作用下從炊具上升到吸油煙機(jī)進(jìn)口，存在較大的溫差，這將導(dǎo)致空氣的密度、比熱容、粘度等熱物性參數(shù)急劇變化，因此我們對(duì)空氣采用了隨溫度變化的熱物性參數(shù)，由于油滴顆粒的熱物性在當(dāng)前溫度范圍內(nèi)受溫度的影響不大，故設(shè)置為常數(shù)，具體數(shù)值如表2所示。

表2 油滴顆粒的熱物性參數(shù)Tab.2 Thermal properties of oil-particles

本文研究使用商業(yè)軟件FLUENT14.5求解廚房?jī)?nèi)的速度、溫度、油煙濃度分布情況。由于本次模擬的物理區(qū)域?yàn)閺N房（包括吸油煙機(jī)），幾何空間較大，為了減少網(wǎng)格數(shù)量，提高計(jì)算精度及速度，在網(wǎng)格劃分上全部采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。文中選取了四套數(shù)量不同的網(wǎng)格（300萬、350萬、400萬、450萬）進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，最后從綜合數(shù)據(jù)看，本文選擇數(shù)量為400萬的網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值研究。

2 吸油煙機(jī)排煙模式的改進(jìn)

本文研究的主要目的是對(duì)吸油煙機(jī)的舊集煙腔進(jìn)行改進(jìn)，以期提高吸油煙機(jī)的排煙性能。圖2為初步改進(jìn)后的吸油煙機(jī)集煙腔與原始集煙腔工作原理對(duì)比圖，在圖2(a)所示的原始集煙腔排煙模式（Original Exhaust Mode,OEM）下，烹飪污染物只能通過擋流板的周圍通道排出，并且已經(jīng)證明現(xiàn)有的擋流板使集煙腔工作更有效[13]。從根本上說，擋流板周圍會(huì)自發(fā)產(chǎn)生限制性空氣層，形成一個(gè)擋風(fēng)玻璃，以防止煙氣逸出。然而這樣的限制性空氣層很不穩(wěn)定，容易消失，從而會(huì)導(dǎo)致大量高溫?zé)煔庖莩?，呼吸區(qū)的溫度和油顆粒濃度升高。為了解決這個(gè)問題，我們提出了一種改進(jìn)的排煙方式，即空氣輔助集中排煙模式（Air-assisted Centralized Exhaust Mode,ACEM），這與OEM的結(jié)構(gòu)相比，我們?cè)趽趿靼宓闹醒腴_了一方孔，如圖2(b)所示。在這種新的排煙模式下，大部分煙氣通過擋流板的中心孔流入集煙腔。從中心孔逸出的部分煙氣將再次被周圍的通道困住，同時(shí)，封閉的空氣可以進(jìn)一步避免煙氣的逸出。這樣的結(jié)構(gòu)有利于產(chǎn)生的高溫?zé)煔饪梢皂樌魅爰療熐粌?nèi)部，而不會(huì)因擋流板的存在發(fā)生轉(zhuǎn)向，造成油煙逃逸。同時(shí)，擋流板與腔體間的縫隙又保證了良好的攏煙效果，從而可以真正實(shí)現(xiàn)“中央吸氣、四周攏煙”的全新排煙效果。

圖2 吸油煙機(jī)集煙腔排煙模式示意圖Fig.2 Schematics of exhaust modes for range hood

3 研究結(jié)果與分析

為了更好地反映吸油煙機(jī)的排煙性能，我們選取烹飪時(shí)人體所處的呼吸位置作為油滴顆粒濃度的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其相對(duì)位置如圖3(a)所示。文中通過比較如圖3(b)所示的三條直線（X-breath line、Y-breath line、Z-breath line）及三個(gè)平面（Plane XY、Plane YZ、Plane ZX）上的計(jì)算結(jié)果來分析說明排煙模式改進(jìn)前后吸油煙機(jī)排煙性能的變化。在對(duì)比計(jì)算中，改進(jìn)的ACEM結(jié)構(gòu)中中央開孔的大小為220×189mm2。

圖3 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)面示意圖Fig.3 Schematics of monitoring point and plane

3.1 溫度

在烹飪過程中，工作區(qū)域的溫度是影響人體舒適度的一個(gè)重要因素，而吸油煙機(jī)的一個(gè)主要作用就是排除烹飪過程中產(chǎn)生的高溫?zé)煔狻D4分別比較了集煙腔改進(jìn)前后三個(gè)監(jiān)測(cè)平面上的溫度分布情況。從圖中可以看出，對(duì)于改進(jìn)后的集煙腔，在工作區(qū)域內(nèi)溫度總體上有所下降，高溫?zé)煔庀蚬ぷ鲄^(qū)域逃逸的趨勢(shì)也有所減弱，所以對(duì)高溫?zé)煔獾呐欧拍芰Φ玫搅思訌?qiáng)。相反，對(duì)于舊集煙腔，烹飪產(chǎn)生的高溫?zé)煔庠诟∩Φ淖饔孟麓怪鄙仙?，煙氣在擋流板下方發(fā)生堆積后，部分煙氣在碰到擋流板后發(fā)生轉(zhuǎn)向，然后通過擋流板與腔體間的縫隙被吸入集煙腔內(nèi)部。一旦這些煙氣所攜帶的動(dòng)量超出了集煙腔的捕獲能力，就會(huì)發(fā)生煙氣逃逸現(xiàn)象。針對(duì)以上流動(dòng)特點(diǎn)，采用在擋流板中央開孔的方法就可以確保垂直上升的大部分煙氣直接通過方孔流入腔體內(nèi)部而不發(fā)生堆積與轉(zhuǎn)向，同時(shí)，擋流板周圍的間隙又可以將少量發(fā)生轉(zhuǎn)向的煙氣吸入，起到攏煙的效果，最大限度地阻止高溫?zé)煔庀蚬ぷ鲄^(qū)域逃逸和擴(kuò)散。

圖4 監(jiān)測(cè)面上的溫度分布Fig.4 Temperature distribution on monitoring planes

3.2 油滴顆粒濃度

圖5 監(jiān)測(cè)面上油滴顆粒濃度分布Fig.5 Concentration distribution of oil particles on monitoring planes

烹飪過程中產(chǎn)生的油煙含有大量不同顆粒直徑的油滴，而其中又以超細(xì)顆粒（直徑小于100nm）為主[14]，這些顆粒很容易沉積到人體呼吸道內(nèi)部，引起嚴(yán)重的健康疾病[15]，因此，降低工作區(qū)域的油滴顆粒濃度至關(guān)重要。圖5分別顯示了集煙腔改進(jìn)前后三個(gè)監(jiān)測(cè)平面上的油滴顆粒分布情況。與溫度分布相似，改進(jìn)后的集煙腔對(duì)油滴顆粒的捕獲能力大為提高。由于油滴顆粒直徑很小，跟隨性好，會(huì)在高溫氣體的裹挾下一起向上運(yùn)動(dòng)，如果在進(jìn)入集煙腔之前，有一定量的氣體逸散到工作區(qū)域，其所攜帶的油滴顆粒必然會(huì)擴(kuò)散到廚房?jī)?nèi)部。同時(shí)，油滴顆粒表現(xiàn)出的慣性大于氣體微團(tuán)，由于高溫?zé)煔庠谶M(jìn)入舊集煙腔之前流動(dòng)方向會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，這樣使得油滴顆粒更容易發(fā)生逃逸現(xiàn)象。在擋流板上開孔則可以盡量使煙氣直接向上進(jìn)入集煙腔而不發(fā)生流動(dòng)方向的變化。

3.3 集煙腔進(jìn)口速度矢量

圖6顯示了集煙腔進(jìn)口面的速度矢量，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于舊集煙腔，大量氣體會(huì)在擋流板附近分為前后兩股，而且速度非常集中，擋流板與腔體間的間隙根本無法容納如此多的氣流同時(shí)進(jìn)入集煙腔，部分氣體只能被“擠”走，導(dǎo)致氣體外流，高溫氣體及油滴顆粒逃逸到廚房?jī)?nèi)部。因此，舊集煙腔存在固有的通流面積不足的缺陷；而對(duì)于改進(jìn)的“中央吸氣、四周攏煙”的集煙方式，大部分氣體從擋流板中央孔道流入集煙腔內(nèi)部，減輕了擋流板與腔體間間隙的流動(dòng)負(fù)擔(dān)，但間隙的吸力會(huì)有所降低，也會(huì)導(dǎo)致局部區(qū)域氣體外流，但合理確定板上開孔面積的大小可很好解決這一問題。

圖6 集煙腔進(jìn)口面上速度矢量分布Fig.6 Velocity vector on the inlet plane of the range hood

3.4 Breath line上變量分布

圖7與圖8分別顯示了X，Y，Zbreath line上溫度及油滴顆粒濃度分布情況，圖中的虛線所處的位置代表了人體呼吸點(diǎn)在廚房?jī)?nèi)的空間坐標(biāo)。

從圖7可以看出，對(duì)于兩種集煙腔，三條breath line上的溫度分布趨勢(shì)較為一致，在X，Ybreath line上溫度均在廚具位置附近達(dá)到最大，而且呼吸點(diǎn)的位置恰好處在溫度最高點(diǎn)附近，而在Zbreath line上溫度在集煙腔進(jìn)口處達(dá)到最大。對(duì)于改進(jìn)后的集煙腔，呼吸點(diǎn)處的溫度較改進(jìn)前大約降低3℃。同時(shí)，圖8中油滴顆粒濃度分布顯示，油滴顆粒濃度分布與溫度分布相似，在X，Y方向上，人體呼吸點(diǎn)處的油煙濃度亦處在最大值附近。而對(duì)于改進(jìn)后的集煙腔，breath line上的油煙濃度值與舊集煙腔相比大幅下降。

綜上所述，舊集煙腔的擋流板會(huì)使上升的高溫?zé)煔獍l(fā)生轉(zhuǎn)向，部分煙氣很容易擺脫腔體進(jìn)口的束縛而逸散到廚房?jī)?nèi)部；而采用在擋流板中央開孔的方式可以有效降低人體呼吸點(diǎn)處的溫度及油滴顆粒濃度，但這種“中央吸氣、四周攏煙”的集煙腔結(jié)構(gòu)需要合理分配開孔面積才能保證擋流板周圍的間隙起到良好的攏煙效果。

圖7 breath line上的溫度分布Fig.7 Temperature distribution on the breath line

圖8 breath line上的油滴顆粒濃度分布Fig.8 Concentration distribution of oil particles on the breath line

3.5 中央開孔面積的選取

為了確定擋流板上開孔的面積大小，提高集煙腔的攏煙效果，本文選取了8種不同開孔面積的集煙腔結(jié)構(gòu)：空腔（即腔內(nèi)沒有擋流板，此時(shí)開孔率為1，開孔面積最大，記為Max）、舊集煙腔（開孔率為0，開孔面積為零，記為 Min）以及其它開孔率 0.503，0.263，0.233，0.201，0.142，0.044，其對(duì)應(yīng)的開孔面積（mm×mm）分別為 461×300，238×205，220×189，200×172，162×140，86×74。圖9顯示了呼吸點(diǎn)處油滴顆粒質(zhì)量濃度隨開孔面積的變化情況。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著開孔面積的增大，集煙腔的排煙能力先增強(qiáng)后減弱，并在開孔面積占集煙腔進(jìn)口總通流面積的14%～20%時(shí)，集煙腔排煙效果最佳。

圖9 不同開孔面積下呼吸點(diǎn)處油滴顆粒質(zhì)量濃度Fig.9 Concentration of oil-particles at breath point for different area of hole

4 結(jié)論

本文運(yùn)用數(shù)值模擬的方法研究了三維廚房?jī)?nèi)部流場(chǎng)及油煙濃度分布，并提出了一種提升排煙性能的集煙腔排煙模式，進(jìn)一步對(duì)比分析了集煙腔改進(jìn)前后廚房?jī)?nèi)部溫度、油煙濃度的分布。分析結(jié)果表明，在原有集煙腔的擋流板的中央開孔，可以很好地解決油煙由于堆積和轉(zhuǎn)向?qū)е碌奶右輸U(kuò)散，實(shí)現(xiàn)“中央吸氣，四周攏煙”的良好效果。改進(jìn)后的集煙腔降低了工作區(qū)域的溫度、油滴顆粒濃度，提高了人體在廚房?jī)?nèi)的舒適度。最后通過對(duì)開孔面積的研究和分析，獲得了人體呼吸點(diǎn)處油滴顆粒濃度隨開孔面積的變化規(guī)律，隨著開孔面積的增大，集煙腔排煙能力先增強(qiáng)后減弱，最后確定在開孔面積占集煙腔進(jìn)口總通流面積的14%～20%時(shí)，集煙腔排煙效果最佳。