船用集氣罩空氣幕送風(fēng)速度優(yōu)化的數(shù)值研究

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(1. 海軍裝備部，北京 100841;2. 中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

集氣罩是船舶廚房排除油煙等污染物的重要設(shè)備，可以防止污染物和異味向船舶其他艙室擴(kuò)散；同時(shí)也與廚師的工作環(huán)境和健康息息相關(guān)。在集氣罩上安裝空氣幕能夠有效地提高集氣罩的抽吸效率[1]?？諝饽坏乃惋L(fēng)風(fēng)速是一個(gè)很重要的參數(shù)，送風(fēng)風(fēng)速對(duì)防止污染物的溢出，廚師的舒適性，以及排風(fēng)量的減少都有很大的關(guān)系。本文采用計(jì)算流體力學(xué)軟件Airpak，采用數(shù)值方法研究了某集氣罩空氣幕送風(fēng)速度的優(yōu)化方法。

1 數(shù)學(xué)模型

目前在室內(nèi)的氣流組織數(shù)值計(jì)算中，MIT零方程模型[2]得到了較多的應(yīng)用，因?yàn)樵撃Ｐ蛯⑼牧髡扯葰w結(jié)為當(dāng)?shù)仄骄俣群烷L度尺度的函數(shù)，應(yīng)用起來非常方便，并且計(jì)算量較小。為了簡化問題，作如下假設(shè)。

1)室內(nèi)空氣低速流動(dòng)，可視為不可壓流體且符合Boussinesq假設(shè)[3]。

2)熱邊界按第一類邊界處理。

3)室內(nèi)空氣為輻射透明介質(zhì)。

采用零方程模型描述氣流運(yùn)動(dòng)，基本方程為

①質(zhì)量方程：

(1)

②動(dòng)量方程：

(2)

③能量方程：

(3)

④傳質(zhì)方程：

(4)

式中:Vi——xi方向的時(shí)均速度,(i=1,2,3)；

t——時(shí)間；

ρ——空氣密度；

p——空氣壓力；

ueff——等效粘度；

μ——空氣層流動(dòng)力粘度；

μt——空氣湍流動(dòng)力粘度；

β——空氣熱膨脹系數(shù)；

gi——i方向的重力加速度；

T——空氣溫度；

ΓT.eff——溫度的擴(kuò)散系數(shù)；

q——熱源；

cp——比熱；

Preff——等效普朗特?cái)?shù)，等于0.9；

φ——該組分的體積分?jǐn)?shù)；

ΓC.eff——該組分的擴(kuò)散系數(shù)；

SC——該組分源項(xiàng)；

v——時(shí)均速度；

l——距壁面最近的距離。

2 集氣罩的物力模型和結(jié)構(gòu)

某船用典型集氣罩結(jié)構(gòu)見圖1，空氣幕在前面和兩側(cè)的條縫中噴出，由空氣幕風(fēng)機(jī)提供風(fēng)量。排風(fēng)格柵和濾油器斜45°布置，污染物在排煙風(fēng)機(jī)的作用下通過傾斜式排風(fēng)格柵流進(jìn)排氣空腔。

圖1 集氣罩結(jié)構(gòu)示意

包括集氣罩在內(nèi)的計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分

3 空氣幕送風(fēng)風(fēng)速對(duì)污染物溢出的影響

集氣罩空氣幕的送風(fēng)條縫的總面積是0.15 m2，設(shè)計(jì)排風(fēng)量為5 000 m3/h時(shí)，分別取不同的送風(fēng)速度，得到0.3～1.2 m/s送風(fēng)速度下集氣罩下方的溫度云圖和速度矢量圖,見圖3。

圖3 不同送風(fēng)速度下的溫度云圖和速度矢量圖

由圖3可知，送風(fēng)速度為0.3和0.4 m/s時(shí)，空氣幕的阻隔效果較差，從溫度云圖和速度矢量圖可以看出，會(huì)出現(xiàn)油煙氣外溢到室內(nèi)的現(xiàn)象。當(dāng)送風(fēng)速度大于0.4 m/s，油煙的排出效果較好，基本不會(huì)出現(xiàn)外溢的現(xiàn)象。并且，送風(fēng)風(fēng)速越大，油煙的排出效果越明顯。

4 空氣幕送風(fēng)風(fēng)速對(duì)廚師的影響

空氣幕送風(fēng)風(fēng)速過大，會(huì)使廚師產(chǎn)生強(qiáng)烈的吹風(fēng)感，不利于廚師的身體健康。一般來說，當(dāng)風(fēng)速大于0.2 m/s時(shí)，人體會(huì)較為產(chǎn)生明顯的吹風(fēng)感[4]，但是考慮到廚師工作的環(huán)境，風(fēng)速上限可以適當(dāng)提高，這里取0.3 m/s為舒適風(fēng)速的上限。為此，分別取不同的送風(fēng)速度，計(jì)算出與之對(duì)應(yīng)的廚師頭部位置(垂直方向距離地面1.7 m，水平方向距離集氣罩外側(cè)0.15 m)的風(fēng)速，見表1。

表1 不同送風(fēng)速度下的廚師頭部風(fēng)速 m/s

由表1可知，當(dāng)速度大于0.8 m/s時(shí)，廚師頭部風(fēng)速大于0.3 m/s，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的吹風(fēng)感，會(huì)對(duì)長期在空氣幕附近工作的廚師舒適性和健康產(chǎn)生一定影響。

5 空氣幕送風(fēng)風(fēng)速對(duì)減小排風(fēng)量的影響

增加空氣幕風(fēng)速，可以有效降低排除油煙所需要的排風(fēng)量。以空氣幕送風(fēng)速度為0.8 m/s為例，對(duì)不同排風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見圖4。

圖4 空氣幕送風(fēng)速度為0.8 m/s時(shí)不同排風(fēng)量情況下的溫度云圖

由圖4可見，在送風(fēng)速度不變的情況下，排風(fēng)量在一個(gè)較大范圍內(nèi)可以保證污染物不溢出，在這個(gè)前提下，可以盡量減小排風(fēng)量。例如，當(dāng)送風(fēng)速度為0.8 m/s時(shí)，在滿足空氣幕隔絕效果與室內(nèi)要求下，排風(fēng)的最小風(fēng)量為4 300 m3/h，小于該值，就有可能會(huì)出現(xiàn)污染物溢出的現(xiàn)象。

不同空氣幕送風(fēng)速度下對(duì)應(yīng)的最小排風(fēng)量見圖5。

圖5 不同空氣幕送風(fēng)速度下對(duì)應(yīng)的最小排風(fēng)量

由圖5可見，對(duì)在空氣幕的送風(fēng)速度增加能夠有效降低最小排風(fēng)量，但是空氣幕的送風(fēng)速度大于0.8 m/s，最小排風(fēng)量隨送風(fēng)速度增加的變化趨勢趨于平衡，通過增加空氣幕送風(fēng)速度來減小排風(fēng)量的效果大大降低。

6 結(jié)論

在工程應(yīng)用中，往往通過增大集氣罩排風(fēng)量來進(jìn)行廚房污染氣體的排出控制，增大了系統(tǒng)的初始投資和運(yùn)行費(fèi)用。本文通過數(shù)值仿真計(jì)算證實(shí)了空氣幕可起到加強(qiáng)集氣罩抽氣效果，降低集氣罩排風(fēng)量的作用。

對(duì)于典型船用集氣罩，當(dāng)空氣幕送風(fēng)速度大于0.4 m/s時(shí)，基本不會(huì)出現(xiàn)污染物外溢的現(xiàn)象；隨著空氣幕的送風(fēng)速度增加，初期能夠顯著降低集氣罩最小排風(fēng)量;空氣幕送風(fēng)速度繼續(xù)增加至大于0.8 m/s時(shí)，通過增加空氣幕送風(fēng)速度來減小排風(fēng)量的效果大大降低。當(dāng)空氣幕的送風(fēng)速度大于0.8 m/s時(shí)，廚師工作區(qū)域可能產(chǎn)生明顯的吹風(fēng)感，廚師舒適性下降。

因此，在集氣罩空氣幕的設(shè)計(jì)中，在考慮減小排風(fēng)量的同時(shí)，還要兼顧污染物溢出效應(yīng)和廚師的熱舒適性，合理對(duì)空氣幕送風(fēng)速度進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。建議船用集氣罩空氣幕送風(fēng)速度設(shè)計(jì)在0.5～0.8 m/s之間，可起到提升集氣罩煙氣控制效果，滿足廚師的舒適性要求的作用。

[1] 史 諾，李雅茹，喬麗潔.利用空氣幕提高抽油煙機(jī)抽吸效率[J].輕工機(jī)械，2011，29(6)：95-98.

[2] CHEN Qing-yan,XU Weiran.A zero-equation turbulence model for indoor air flow simulation [J].Energy and Buildings,1998,28(1):137-144.

[3] 李念平,張敏慧,侯素娟,等.高層住宅中庭結(jié)構(gòu)特性對(duì)其自然通風(fēng)影響研究[J].廣州大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,9(3):60-65.

[4] ASHRAE.Thermal environmental conditions for human occupancy(ASHRAE Standard 55)[S].Atlanta:American Society of Heating,Refrigerating and Air-Conditioning Engineering,2004.