多層住宅廚房排煙道內煙氣流場仿真研究

于利剛,張 燕,王杰光

(桂林理工大學土木與建筑工程學院,桂林 541004)

多層住宅廚房排煙道內煙氣流場仿真研究

于利剛,張 燕,王杰光

(桂林理工大學土木與建筑工程學院,桂林 541004)

利用Ansys軟件中FLOT RAN CFD對多層住宅廚房排煙道內流場進行三維模擬仿真,得出了在排油煙機提供不同風速和處于不同工況時煙道內氣流的速度分布圖和壓力分布云圖,分析了氣流在煙道內的速度和壓力的分布規(guī)律及排入的油煙對其上、下層住戶的影響.

多層住宅;三維;流場;Ansys;

隨著生活水平的提高,人們對住宅室內環(huán)境要求也日益提高,由烹飪和串煙產生的油煙是影響室內空氣的重要因素之一.因此,作為住宅廚房煙氣集中排放的排風道系統(tǒng),其空氣動力性能的好壞決定了室內空氣品質的好壞.GB50096-1999《住宅設計規(guī)范》明確規(guī)定:“當排油煙機的排氣管排至豎向通風道時,豎向通風道的斷面應根據(jù)所負擔的排氣量計算,應采取支管無回流、豎井無泄漏的措施”.目前對集中排煙氣系統(tǒng)的研究的文獻有許多,而對煙道內煙氣流場仿真的研究大多數(shù)采用的是二維模型,文獻[7][8]在κ-ε湍流模型及兩相流理論基礎上利用Fluent軟件對煙道內煙氣進行了二維模擬仿真,其做法不考慮煙道厚度方向上的變量.這樣模擬雖然數(shù)學模型簡單,計算量小,但是忽略了沿煙道厚度方向上的尺寸效應,很難達到真實仿真的效果.本文作者在考慮煙道的結構特點與實踐要求的基礎上,運用ANSYS有限元大型軟件對煙道內流場進行三維仿真分析,借助分布圖比較直觀的對流體特性進行理論分析,掌握流場中流速、壓力分布規(guī)律,可為煙道設計提供理論參考.

1 煙道內氣體流動的控制方程

煙道內的氣體可以看成空氣相和油煙相的混合物,根據(jù)質量守恒原理可推得混合氣體連續(xù)性方程[2]:

根據(jù)動量守恒原理可推得混合氣體動量守恒方程[2]:

根據(jù)能量守恒原理可推得混合氣體的能量守恒方程[2]:

根據(jù)氣體狀態(tài)方程可得到混合氣體的狀態(tài)方程[3]

公式(1)、(2)、(3)、(4)中:ρ為密度 ;μ為動力粘度;ui為速度矢量;Si為動量方程的廣義源項;T為氣體溫度;k為傳熱系數(shù);cp為比熱容;z為壓縮因子;R為氣體通用常數(shù).

使用上述公式對煙道中氣體進行數(shù)值計算可以求解速度與壓力未知量,為驗證計算方法需與實測值進行對比,而實測的對象來自正在使用的排煙道系統(tǒng),截面尺寸、排油煙機性能、環(huán)境等都是影響實測的因素,給實測工作帶來困難.利用Ansys可以對各種工況下煙道內流場模擬仿真,更直觀的去分析煙氣在煙道中的運動以及煙道內部壓力、速度的分布情況,能夠為煙道研究提供理論參考,減少實際監(jiān)測帶來的不便.

2 FLOTRAN CFD功能簡介

ANSYS程序中的FLOT RAN CFD分析功能是一個分析二維及三維流體流動場的先進工具,能夠對流場的各種問題進行分析,其中的FLUID 141和FLUID 142單元類型,可以用來解算單相粘性流體的二維和三維流動、壓力和溫度分布.其主要步驟為:①確定問題的區(qū)域;②確定流體的狀態(tài);③生成有限元網格;④施加邊界條件;⑤設置FLOTRAN分析參數(shù);⑥求解[4]

3 Ansys模擬過程與分析

3.1 建立煙道模型

圖1 實體模型

多層住宅的煙道類型可以分為:主次式煙道、變壓式煙道、等截面式煙道和止逆閥式煙道 ,其中主次式煙道最為普遍,本文模擬的對象亦為主次式煙道,根據(jù)《住宅設計規(guī)范》中對煙道設計技術參數(shù)的規(guī)定,建立煙道的實體模型(以3層為例):煙道入口為0.3 m×0.15 m×0.3 m,次煙道為0.3 m×2.8 m×0.3 m,主煙道為 0.3 m×10.55 m×0.3 m.如圖1所示.

3.2 生成有限元網格

計算模型所選元素類型為142號單元,為了得到更精確的解,主煙道采用的是映射網格,單元形狀為8節(jié)點六面體,在次煙道不能用映射網格的部分用了單元形狀為4節(jié)點四面體自由網格.放大后網格化的模型如圖2所示.

圖2 網格模型

3.3 施加邊界條件

流體邊界需要施加速度或壓力邊界條件.本模型進口處速度按流量計算,分別施加速度v1=2 m/s,v2=2.5 m/s,v3=3 m/s,v4=3.5 m/s;在出口處節(jié)點上施加零壓力荷載,在其他面上施加無滑移邊界條件.

3.4 基本條件與初始假設

本文利用Ansys對如表1所示3種工況進行模擬分析.根據(jù)設計要求每個支煙道都可以獨立地向主煙道中排放油煙,排放的氣體中空氣相與油煙相的體積比為7∶3,所排風量中絕大部分為室內環(huán)境溫度下的空氣,且煙氣進入煙道后會被煙道冷卻,因此以下計算不考慮熱壓作用.目前常用結構形式的排油煙機的實際排風量在250 m3/h以上,若要達到較好的排煙效果,則排煙量應在300 m3/h以[6],且排油煙機提供的風速v支入口=q/s支,則施加的速度符合實際要求;計算時選用κ-ε湍流模型;在煙道出口處的大氣壓強為101250 Pa,煙氣入口處的壓強為101325 Pa,同時忽略煙道出口處風速對于煙道內氣體流動的影響.

表1 工況

3.5 結果與分析

圖3、圖 4中 Aa、Bb、Cc分別為工況一、工況二、工況三的壓力、速度分布示例圖.從圖3中的壓力分布云圖可以看出,在煙道入口與次煙道內壓力較大且在工況1時主煙道底部壓力大于其它情況,樓層越往下越不利排煙;由矢量圖4可見,油煙由入口垂直射入子煙道,且在正對入口的次煙道內壁中產生高壓區(qū).正是在此高壓區(qū)的阻、推作用下,油煙沿著次煙道向上流動,再進入主煙道,油煙在主煙道內上、下流動并串入停機的樓層造成串煙現(xiàn)象.由于流入主煙道油煙的剪切作用,主煙道內在緊鄰次煙道出口的位置有旋渦產生.

由表2可見,由于長長的次煙道對倒流的油煙有較大的阻力,主煙道中的油煙七成以上都能通過煙道出口排放到大氣中,約有三成的油煙則會"串入"停機的住戶中,從而對其產生不同程度的影響.在工況1中,一樓排放的油煙對其上住戶均有影響,其中對二樓住戶的影響尤為突出.工況2和工況3中由于重力場的作用,油煙會在煙道的底部積聚,下層停機住戶最容易發(fā)生倒煙串味,其中工況2中對一樓住戶的影響尤為嚴重.頂層住戶受到的影響要輕微.通過表2中各流速下的串煙量對比可知,提高排油煙機的功率有助于加大排煙量,但是串入其它住戶的油煙量也有所增加.

表2 各工況在不同流速時串入的油煙量

4 結 論

本文針對多層住宅采用主次煙道排油煙的實際情況,在建立數(shù)值模型和煙道實體模型的基礎上,通過Ansys軟件模擬了住戶排油煙時主、次煙道內的流場分布,并根據(jù)該流場分布特點研究了對其上、下層住戶的影響.結果表明:長長的次煙道對倒流的油煙有較大的阻力,而使倒風量減少了;排入的油煙對上、下層住戶均有不同程度的影響,在主煙道中越是靠近底層,煙氣的靜壓越高,下層停機的用戶處最容易發(fā)生倒煙串味;提高排油煙機的性能可有效地加大排煙量而串入其它住戶的油煙量也隨之增加.可見,油煙機性能的差異是導致串煙的主要原因之一.此外,安裝了止逆閥的住戶在不做飯時一定要將其關閉,以阻止油煙串入影響室內空氣質量.

[1]GB50096-1999.住宅設計規(guī)范[S].

[2]王福軍.計算流體動力學分析[M].北京:清華大學出版社,2004:7-11.

[3]童景山,李 敬.流體熱物理性質的計算[M].北京:清華大學出版社,1982:33-43.

[4]劉 濤,楊鳳鵬.精通Ansys[M].北京:清華大學出版社,2002:381-410.

[5]徐文華,沈雪峰.住宅廚房排煙的研究及系統(tǒng)設計方法[J].建筑熱能通風空調,2001,46(1):46-48.

[6]保 偉.住宅廚房廁所排風問題[J].暖通空調,1994,24(1):8-10.

[7]李成植,張海峰.多層住宅住戶排油煙對其上、下層住戶影響的研究[J].沈陽化工學院學報,2008,22(1):70-72.

[8]張海峰,李成植,邱金梁.多層住宅煙道內流場的仿真研究[J].沈陽化工學院學報,2007,21(3):204-207.

The Numerical Simulation of Smoke Liquid-field in Flue of Multilayer Residential Kitchen

YU Li-gang,ZHANG Yan,WANG Jie-guang
(College of Civil Engineering and Architecture,Guilin University of Technology,Guilin 541004,China)

The scattergram of velocity and cloud graph of pressure in different rate of wind and working condition supplied by the kitchen exhauster filter in the flue of multilayer residential kitchen are given in the 3D numerical simulation by the FLOTRAN CFD of Ansys soft.And the distribution rule of the rate and the pressure of the airflow in the flue are analyzed.The effect on the upstairs or the downstairs taken by smoke is resolved.

multilayer residence;three dimension;liquid-field;Ansys

TP39

A

1671-119X(2010)02-0091-04

2009-09-02

廣西建筑工程檢測與試驗重點試驗室資助項目(桂科能07109005-05)

于利剛(1981-),男,碩士研究生,研究方向:土與結構共同作用分析.