基于數值模擬的油煙機排煙性能評價方法研究

林娟 余銳生 肖劍

（珠海市鹿鳴智慧科技有限公司寧波分公司）

0 引言

油煙機作為廚房電器，主要用于排出烹飪時產生的油煙，減少烹飪時的油煙空氣污染。評價油煙機的性能參數主要有風量、最大風壓、噪聲、氣味降低度等。目前很多廠家僅追求大風量，誤導消費者認為油煙機的風量越大越好。風量越大，油煙機的吸力越大，但吸力大并不代表油煙機的排煙效果好，且風量越大，噪聲和能耗也越大。

如何評價一款油煙機的排煙效果？目前，國內外的測試標準均采用氣味降低度指標進行評價。國標GB/T 17713-2011吸油煙機中氣味降低度測試方法是在一定的空間內、基于全面通風，且排放至自由空間條件下進行的。而油煙機實際使用時，限于廚房的各種實際工況，如廚房空間大小、補風情況、公共煙道的阻力等，因此氣味降低度測試難以真實反映吸油煙機實際的排煙效果。

另一種評價油煙機排煙效果的方法就是通過數值仿真。目前國內外大多采用設置監控點及提取部分截面，分析監控點和面上的油煙濃度分布、速度分布特性以及壓力分布特性，從而從側面反映油煙機的排煙能力[1-12]。劉逸[9]在研究不同方案的油煙機氣動布局對吸油煙機排煙效果的影響時，采用截取特定的截面進行油煙濃度、負壓分布和流場分布的觀察對比，從而對比出最有利于排煙的氣動布局方案。陳雪江[10]在研究新型吸油煙集煙方式時，在數值分析上采用監測人體所處的呼吸位置的三條直線、及三個平面上的計算結果來對比不同方案的排煙性能。

以上定性評價方法可靠與否，一方面取決于監測位置的代表性或準確性，另一方面取決于分析者的分析能力。定性評價無法直觀定量對比出排煙性能的差異，且由于油煙分布高度不對稱性，測試濃度不穩定，僅分析空間中的部分點或面，無法反映整體的油煙濃度情況，可靠性不足。

本文提出一種基于數值模擬的排煙效果評價新方法，定義了評價呼吸區空氣質量的指標參數——油煙擴散體積比，可以直觀地體現區域中被油煙污染的空氣體積范圍，從而體現油煙機的排煙效果。另外定義了可控的最大出煙速度v0和匹配的最佳風量Q0，v0，Q0繪制成的油煙機排煙性能特征曲線，可以反映油煙機在不同出煙速度下的排煙性能。

1 排煙性能數模模擬評價方法

本文基于fluent 仿真軟件對廚房空間流場進行模擬計算。采用壓力基隱式求解控制方程。所需求解的控制方程包含連續性方程、動量方程、能量方程和組分方程。計算模型采用Realizable k-e湍流模型進行穩態計算，采用SIMPLE算法求解壓力和速度耦合問題。

邊界條件設置如下：廚房門窗作為自然補風進口，設置為0Pa 壓力邊界條件。鍋具平面作為油煙源和熱源，設置為速度進口，以N2代表油煙，設置一定的進口速度和溫度。油煙機的蝸殼出口設置為速度出口，使得油煙機風量保持在給定的風量值。

為了更精確地分析烹飪者的呼吸環境以及廚房的整體油煙情況，對廚房空間進行分區，將整個廚房劃分為烹飪區、呼吸區和廚房活動區。如圖1，將灶臺之上，油煙機之下，寬度為900mm 的區域定義為烹飪區。烹飪區包含了油煙源以及油煙升騰空間，該區域流場復雜，油煙濃度值及濃度梯度較大，用戶一般不直接呼吸到該區域的氣體，故在分析廚房環境情況時，一般不對該區域進行統計分析。呼吸區定義如圖2，包含了烹飪者的呼吸空間，直接影響到烹飪者吸入的空氣質量，在分析廚房環境時，需要重點對該區域的油煙情況進行分析。除了將烹飪區以外的廚房剩余空間定義為廚房活動區，表示人員的可活動空間，廚房活動區的油煙情況表征了廚房大環境的空氣質量。

圖1 烹飪區定義Fig.1 Definition of cooking area

圖2 呼吸區定義Fig.2 Definition of breathing area

圖3 廚房活動區V(c＞0.02)和呼吸區V(c＞0.01)所占空間Fig.3 Space occupied by V(c＞0.02) of kitchen area and by V(c＞0.01)of breathing area

重點關注廚房活動區和呼吸區的油煙擴散情況。以V(c＞0.02)來評判廚房活動區的油煙污染情況，即表示廚房活動區中油煙濃度大于等于0.02 的空氣所占的總體積；以r0.01來評判呼吸區的油煙污染情況，即表示呼吸區中油煙濃度大于等于0.01的空氣總體積占呼吸區域總體積的比例（%）。需要說明的是，油煙擴散體積和油煙擴散體積比受廚房空間大小的影響，在對比分析不同工況時，只有在所定義的區域空間相同時，指標才有可對比性。

根據實測經驗和主觀感受，本文以呼吸區的r0.01來對烹飪者呼吸環境情況進行油煙污染情況等級劃分。當呼吸區的r0.01≤1%時，空氣較優；當1%＜r0.01≤10%時，空氣油煙輕度污染；當10%＜r0.01≤50%時，空氣油煙中度污染；當50%＜r0.01≤100%時，空氣油煙重度污染。

定義呼吸區的r0.01≤1%時，對應的最小風量值為該出煙速度下的最佳匹配風量Q0，對應的出煙速度定義為該風量下的可控最大出煙速度v0，Q0和v0為一一對應關系。當廚房環境一定時，每款油煙機都對應一組Q0和v0，將這一組參數繪制成曲線，定義為該廚房環境下，此油煙機的Q-v曲線。Q-v曲線表征了油煙機在一定廚房環境下的排煙特性，即油煙機的排煙性能。

2 同一風量下，油煙機的排煙效果對比分析

研究對象如圖4，這兩款油煙機的產品銘牌參數見表1，油煙機A 的風量和最大靜壓值均高于油煙機B，但是其常態氣味降低度卻小于油煙機B。以下通過數值模擬方法，分析該現象。

圖4 油煙機A和BFig.4 The range hood A and B

表1 油煙機銘牌參數Tab.1 Brand parameters of range hood

廚房布局如圖5，廚房尺寸為2m×3m，廚房設有一個門和一個窗戶與外界連通，作為自然補風口。灶臺左側設置一個炒鍋，鍋面設置為100℃的熱源，以N2代替油煙，出煙速度為0.4～1.0m/s，代表烹飪時不同的油煙量，右鍋不出煙。設置油煙機運行風量為10m3/min。仿真計算結果如表2和圖6。

圖6 不同出煙速度下的廚房活動區V(c＞0.02)和呼吸區r0.01Fig.6 The V(c＞0.02) and r0.01 at different smoke exhaust speeds

表2 10m3/min時，不同出煙速度對應的廚房活動區V(c＞0.02)和呼吸區r0.01Tab.2 The V(c＞0.02) and r0.01 at different speeds of exhaust smoke when the flow rate is 10m3/min

圖5 廚房布局Fig.5 The layout of a kitchen

如圖6，在油煙機風量10m3/min 時，隨著鍋出煙速度的加大，V(c＞0.02)，r0.01隨之增大，且出煙速度增大到一定程度時，兩款油煙機的廚房活動區V(c＞0.02)最終趨于一致，呼吸區r0.01最終都趨于100%。當出煙速度為0.4m/s、0.5m/s 時，油煙機A的V(c＞0.02)，r0.01略小于油煙機B，當出煙速度為0.6m/s～1.0m/s 時，油煙機A的V(c＞0.02)、r0.01明顯大于油煙機B，油煙機B 在出煙速度vout≥0.9 m/s 時，呼吸區油煙嚴重污染，而油煙機A在出煙速度vout≥0.8m/s 時，呼吸區就已經嚴重污染。綜上，當油煙機風量為10m3/min，左鍋出煙速度vout≤0.5m/s 時，兩款油煙機的排煙效果較佳，且油煙機A 有微弱的優勢，當vout≥0.6m/s，油煙機B 的排煙效果明顯優于油煙機A，且隨著出煙速度增加，兩款油煙機的排煙效果差異先大幅增大，后隨著出煙速度的進一步加大，10m3/min 的風量已遠遠控制不了過大的出煙速度，導致油煙的大量逃逸，排煙效果趨于一致。

3 排煙效果評價方法對比

為了對比油煙機排煙效果的評價方法，本文取文獻[9]中的截面，即過兩個灶眼中心，且與墻面平行的截面進行壓力分布分析，截面位置見圖7，此處對比排風量10m3/min，出煙速度為0.7m/s 時的仿真結果，壓力分布云圖如圖8，從圖可見，兩款油煙機的壓力分布結構有明顯的差異，油煙機A 的有效負壓區主要集中在中央的進風口區域，且在垂向位置上更靠近灶臺。油煙機B 的有效負壓區主要分布在集煙罩的四周。綜合對比，無法直觀地分析出哪個油煙機的排煙效果更好。

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

圖8 截面的壓力分布云圖Fig.8 Pressure distribution nephogram of the section

另外，根據文獻[10]的分析方法，設置呼吸點為離地1520mm，位于左鍋中心面上，且離灶臺110mm 的位置，本文分析過呼吸點的三條監控直線的油煙濃度，分別為LineX、LineY、LineZ，具體位置如圖9。這里只取三個典型工況進行分析對比：分析油煙機排風量為10m3/min，左鍋出煙速度為0.5m/s、0.6m/s、0.7m/s工況下的結果，見圖10-12。

圖9 Line X、Line Y、Line Z直線位置示意圖Fig.9 The schematic diagram of Line X,Line Y,Line Z

如圖10-12，對比得出，油煙A在出煙速度為0.5m/s的工況下，監控直線處的油煙濃度小于油煙機B，其它工況下，均大于油煙機B，即：當出煙速度為0.5m/s 時，油煙機A 的排煙效果優于油煙機B，當出煙速度為0.6m/s、0.7m/s時油煙機B的排煙效果較優，該結果與本文評價結果一致。

圖10 Line X上的油煙濃度分布，從左到右出煙速度依次為：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

圖11 Line Y上的油煙濃度分布，從左到右出煙速度依次為：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

圖12 Line Z上的油煙濃度分布，從左到右出煙速度依次為：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 油煙機的排煙性能分析：Q-v曲線。

本文研究該廚房環境下這兩款油煙機的Q-v曲線，從而體現油煙機的整體排煙性能。左鍋出煙速度設置為0.4m/s～1.2m/s，右鍋不出煙。風量在一定范圍內，每0.5m3/min 設置一個仿真計算。首先仿真計算出r0.01=1%所對應的風量Q的取值范圍（0.5m3/min的跨度范圍內），再通過線性插值計算出r0.01=1%對應的Q，即為Q0。r0.01=1%所對應的風量Q的取值范圍如表3。根據此計算結果，線性插值出r0.01=1%對應的Q0的值，結果如表4，繪制成Q-v曲線如圖13。

表3 油煙機A、B的r0.01 仿真結果Tab.3 The simulation results r0.01 of range hood A and B

表4 油煙機的Q0-v0值Tab.4 The Q0-v0 value of range hood

圖13 油煙機A、B的Q-v曲線Fig.13 Q-v curves of range hoods

如圖13，油煙機A 和B的Q-v曲線相交于（0.55，9.76）附近，即，當出煙速度小于0.55m/s 時，油煙機A的所需的最佳匹配風量略小于油煙機B，即認為此時油煙機A 的排煙性能略優于油煙機B。當出煙速度大于0.55m/s 時，油煙機A 的所需的最佳匹配風量略大于油煙機B，即此時的油煙機B 的排煙性能優于油煙機A，且隨著出煙速度的增加，油煙機B 的優勢更加明顯。這也解釋了油煙機A 的銘牌風量雖然大于油煙機B，但是其常態氣味降低度卻低于油煙機B 這一現象。

5 結論

本文提出一種排煙效果的數值模擬評價方法，提出呼吸區的概念，重點關注烹飪者的呼吸環境，定義了評價排煙效果的指標，以及反應油煙機排煙性能的Q-v曲線。

v為鍋的不同出煙速度，Q為該出煙速度下對應的最佳風量。通過計算Q-v曲線，可以避免通過盲目增大風量來提高排煙性能，造成舒適性的犧牲和效率的損失。

通過本文的排煙效果數值模擬評價方法，分析了市面上兩款油煙機的排煙特性，分析結果與油煙機的銘牌參數性能相符。分析了這兩款油煙機的Q-v曲線，在出煙速度小于0.55m/s 時，油煙機A 的排煙性能略有優勢，當出煙速度大于0.55m/s時，油煙機B的排煙性能優于A，且隨著出煙速度的增加，油煙機B 的優勢更加明顯。

一般認為影響油煙機排煙能力的因素有：油煙機的運行風量、廚房的補風條件、油煙機的具體結構。利用本文的數值模擬評價方法，可以對這些因素進行具體研究。需要說明的是，本文的呼吸區的定義只作為參考，嚴格定義呼吸區，需要根據人員的身高等實際情況進行調整。