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1、住宅厨房变压式排气系统的数值模拟邵治民1，樊越胜1 ，曲博21 西安建筑科技大学， 2 西安青云产业有限公司摘摘 要要：针对高层住宅厨房集中式排气系统串烟的问题，运用CFD技术对3种形式的 FPQ型排气道进行了速度场和压力场的模拟计算，结果表明：只设导流装置的系统 使用效果较好，系统的平均排气量为371.7m3/h，用户最大与最小排气量的差值为 176.3 m3/h；若以吸油烟机油烟捕集效率为90%的排气量作为设计值，即使对于排 气效果较好的上述系统，当同时使用系数为0.66时，约有60%的用户达不到设计排气 量；未开机用户支管的静压值在116.2197.3Pa之间，出现串烟的可能性较大。 关
2、键词关键词：排气道；进气口；数值模拟；排气量0 引言共用竖向集中排气系统是目前住宅厨房使用较多的一种通风排气方式。该系统的主要动 力源是各家厨房的吸油烟机；排气道一般为定型产品，多数为等截面排气道，大都带有引射 导流装置和止逆构件，起到防倒灌、防串烟的作用；排气道出屋面后设置防雨或无动力风帽， 一般无屋顶风机1。但是，实际使用中这种系统还是存在不同住户间串烟、串味的现象，影 响居民的日常生活2，3。 国家建筑标准设计图集：07J916-1 住宅排气道（一）中，有五种形式的排气道可供选择， 这五种定型产品都采取了相应的措施，来改善系统的排气效果和防止串烟、串味的发生，如： 图集中的 FPQ 型排
3、气道就根据流体力学原理设置了变压板和导流装置，且在各户的排气口处 安装防串烟止逆阀和导流式防火阀4。本文针对 FPQ 型排气道（模型 1）进行了 Fluent 模拟 计算，并与无变压板、有导流装置（模型 2）和无变压板、无导流装置（模型 3）的排气道 做了对比，分析各自的使用效果。1 物理模型及网格划分12 层住宅厨房排气系统，模型如图 1 所示，层高取 2.8m，排气道的规格及附属件的尺 寸详见文献3。使用 GAMBIT 软件为 CFD 模拟生成网格模型。采用三维模拟，以结构化网 格中的六面体网格单元为主，主要采用 Map、Submap、和 Cooper 网格划分类型5，局部网 格划分结果见
4、图 2。图 1 物理模型图 2 局部网格生成结果2 Fluent 计算说明62.1 求解器的选择和求解控制参数的设置选择分离式求解器的隐式方案进行控制方程的线性化。压力方程的离散格式采用 STANDARD 格式，压力-速度耦合采用 SIMPLEC 算法，动量、湍动能和湍动耗散率方程选择二阶迎风离 散格式。2.2 计算模型的确定本模拟以空气代替油烟为流体介质，空气可以认为是不可压流体、符合 Boussinesq 假设、 满足理想气体状态方程。采用标准 - 湍流模型进行计算，在近壁区采用标准壁面函数法处 理，不考虑温度的影响 7。对于稳态不可压流动，其基本控制方程8如下：连续性方程： (1)0ii
5、 xu动量方程： (2) ji juuxi ijjijigxu xu xxp 湍动能 k 方程：(3) iktji jxk xkux ijjiij iuu xu xu湍流动能耗散率 方程：(4) kCxu xu xu kCxxuxijjiij tl itii i22 以上各式中，为速度， ，为张量下标，取 1，2，3；为流体密度；为粘iujuij度系数；为湍流引起的粘度系数；为湍流脉动动能；为湍流动能耗散率。经验常数9tk=1.44，=1.92，=0.09，=1.0，=1.3。lC2CCk2.3 边界条件的设置（1）进口边界条件：当用户吸油烟机开启时，进口边界取外部进气扇类型；当吸油烟 机未开
6、启时，假设止逆阀关闭严密，取壁面类型。借用文献10中对吸油烟机的检测数据， 经多项式拟合，得出风量-全压特性曲线为：P =300.5+0.102 Q-0.001 Q2+6.8E-7 Q3（R2=0.981） 。根据体积流量与流速的关系可得出全压-流速关系式（5），将式（5）作为 外部进气扇边界条件中的压力阶跃函数。 P=300+6.243.752+0.163 （5） 式中：P吸油烟机的全压，Pa； v用户支管入口的流速，m/s。 （2）出口边界条件：排气道出屋面设防雨雪、防倒灌功能的排气风帽，阻力系数在 0.51.2之间11，模拟中出口边界条件取排风口类型，阻力系数取=1.0。 （3）壁面边界
7、：壁面均取无滑移壁面边界条件。对于目前普遍采用的玻璃纤维增强薄 壁水泥预制构件排气道，绝对粗糙度K=1.5mm时，流动阻力与实测结果基本吻合12，故本模 拟中采用1.5mm。3 模拟结果分析将模拟计算出的各用户排气量和入口处静压值，以节点平均值的形式输出，具体如图 3、图4所示。第10层用户主、管合流处静压分布见图5。 由图3看出，模型1、3各用户的排气量变化趋势基本一致，模型3的不平衡情况最严重， 最大排气量用户与最小排气量用户的差值达323.2 m3/h，为系统平均排气量的85%； 模型2各 用户的排气量变化趋势较平缓，最大排气量用户与最小排气量用户的差值为176.3 m3/h，为系 统平
8、均排气量的47%。因此，不设变压板、有导流装置的系统排气效果较好，而同时设变压 板和导流装置的系统却因系统流动阻力的增加，平均排气量反而是三者中最小的，为347.9 m3/h。在图4中，模型1、2与模型3相比，系统静压值在未开机用户支管处出现突然降低，这 是由于设置的导流装置起到了动静压转换的作用；而且可以看出，越到上部静压值降低的幅 度越大，原因是随着主排气道内流速的增大，在相同的截面积变化量S下，动静压转换量P变大。图4中模型1与模型2相比，尽管模型1在主、支管合流处增设了文丘里变压板，使 排气道截面积减小了26.4%；但是只有在9层以上时，模型1未开机用户支管处的静压降才大 于模型2（如
9、图5所示，模型1由160 Pa降低到了111Pa，模型2由140 Pa降低到了116Pa。 ） ；这 是因为：模型1增加变压板后，下部用户的流动阻力明显增大，主排气道内的流速降低，变 压板的变压作用减若；而对于上部用户，随着排气道内流速的增大，变压板的动静压转换量P逐渐变大。整体上看，模型2系统排气道内静压值变化趋势较为平缓，未开机用户支管处 的静压值也相对较低，这有利于提高系统防串烟、串味的能力。012345678910111213050100150200250300350400450500550600650700未开未开未开未开各用户排气量（m3/h（层数模型1：同时设变压板和导流装置模型
10、2：不设变压板，有导流装置模型3：不设变压板，无导流装置说明：同时使用系数取0.66，均匀开启；屋顶风帽局部阻力系数取1.0。图3 3种模型系统排气量分布图0123456789101112136080100120140160180200220240260280300说明：同时使用系数取0.66，均匀开启；屋顶风帽局部阻力系数取1.0。各用户支管处静压值（Pa）层数型 型 1型 同时设变压板和导流装置型 型 2：不设变压板，有导流装置型 型 3型 不设变压板，无导流装置图4 3种模型系统静压值变化图图5 Z=0截面静压等值线图文献1315表明，增加厨房排气量可以提高吸油烟机的油烟捕集效率。对于上
11、排烟式厨 房的深型集气罩，排风量在370 m/h以上时，油烟捕集效率在90%以上；而对于浅（薄）型吸 油烟机，排风量为370 m/h时，油烟捕集效率为74.8%13。若以370 m/h作为设计排气量，则 对于排气效果较好的模型2系统，在=1.0、同时使用系数取0.66，且不考虑用户支管及各种阀 门的流动阻力情况下，计算表明只有最上部3个用户的排气量达到设计值，系统的平均排气 量为372m/h；当同时使用系数为1.0时，只有最上部2个用户的排气量达到设计值，分别为 408.5 m/h、476.1 m/h，系统的平均排气量下降为280m/h。另外，如果用户使用的是浅型吸 油烟机，则需要更大的排气量
12、才能满足厨房通风排烟效果，而对于目前市场占有率较高的吸 油烟机，风量为420m/h16时，全压普遍在180230Pa之间10，在不增大排气道截面积的前 提下，下部住户的油烟捕集效率很难达到90%以上。4 结论（1）模型2与模型1、3相比，排气效果较好，系统的平均排气量为371.7m/h，用户最大 与最小排气量的差值为系统平均排气量的47%。模型2所设的导流装置对减小支管排气的气幕 阻力，以及对提高系统的排气平衡性和降低未开机用户支管处的静压值有显著的作用。模型 1因流动阻力的增大，没有起到改善系统排气平衡性的作用，平均排气量也是三者中最小的。（2）提高厨房油烟捕集效率是改善室内空气品质的关键问
13、题，对于本文中排气效果较好的模型2系统，在同时使用系数取0.66时，约有60%的用户达不到设计排气量，最小排气量 出现在第2层用户，为317.4 m/h；未开机用户支管的静压值在116.2197.3Pa之间，如果止逆 阀不严密，就可能出现串烟、串味现象。随着物业管理水平和自动控制技术的发展，建议设 置屋顶风机来改善竖向集中排气道内的静压分布，从而提高厨房排气效果，更好地改善室内 空气品质。 参考文件: 1 张卫国，关 宏，路永军住宅排烟道烟气倒灌与串味的原因分析J建筑工人， 2008（5）：40-43 2 叶 春，邱沈林，顾云杰多层住宅排气道防窜味应用技术探讨J建筑工程， 2008（30）：2
14、62 3 洪武开高层住宅厨房集中排烟若干问题的分析与对策J工程质量，2003（8）：24- 26 4 国家建筑标准设计图集：07J916-1 住宅排气道（一）S2007 5 王福军计算流体动力学分析-CFD 软件原理 与应用M北京：清华大学出版社， 2004 6 FLUENT 6.3 Users GuideMSeptember 2006 7 龚延风，陈丽萍，国君杰.住宅厨房集中排烟道内烟气流动特性分析J.南京建筑工程学 院学报 ,2002，(3):8-12 8 傅德董，马延文计算流体力学M高等教育出版社 ，2002 9 陶文铨数值传热学M西安：西安交通大学出版社 ，2001 10 辛月琪高层住
15、宅厨房烟道排风系统研究D.上海:同济大学，2005 11 徐文华，沈雪峰住宅厨房排烟的研究及系统设计方法J建筑热能通风空调，2001(1): 46-48 12 宋晓平住宅厨房排烟问题的探讨J山西建筑，2003（1）：4-5 13 卜维品，彭 荣，林 芳厨房排油烟机油烟捕集效率的测定J家电科技， 1993（1） 14 朱培根，朱明亮，蔡 浩等住宅厨房油烟浓度的数值模拟和实测J解放军理工大学 学报(自然科学版)，2006，7（2）：153-156 15 于梅春，张登春.套室内厨房油烟浓度的数值模拟J.湘潭师范学院学报（自然科学版）, 2008,30(1):72-7516 GB/T177-1999吸油烟机S1999作者简介：作者简介：邵治民，男，1985年出生，硕士研究生；通信地址：西安
