典型船舶廚房通風系統(tǒng)氣流組織數(shù)值模擬

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

中式廚房烹飪產生的高溫油煙和蒸汽往往不能及時排除，導致廚房空氣品質和舒適性較差，影響廚房內工作人員的工作效率和身體健康[1]。相比陸上建筑廚房，船舶廚房空間更為狹小和封閉，無法通過自然進排風來解決通風換氣問題，進排風與煙氣控制設計具有更大的難度，因此，廚房通風在船舶空調通風系統(tǒng)設計時應重點關注[2]。基于計算流體動力學(CFD)的氣流組織仿真是空調通風設計時常用的優(yōu)化設計手段[3-6]。CFD 方法目前被應用于對陸上廚房空氣分布情況進行模擬和預測[7-9]，得到房間內速度、溫度、濕度以及有害物質量濃度等物理量的詳細分布情況。大型船舶的廚房包含艙室種類眾多、送風量大、通風系統(tǒng)設計復雜，目前的相關研究主要都集中在集氣罩本身的性能[10-13]，對船舶廚房整體氣流組織情況進行模擬的研究尚不多見。為改善船舶廚房空氣品質，提高廚房煙氣控制效果，創(chuàng)造適宜的膳食加工環(huán)境，利用Airpak軟件對船舶典型廚房區(qū)域空調通風系統(tǒng)氣流組織數(shù)值模擬研究，為廚房區(qū)域的氣流組織設計提供參考。

1 典型廚房區(qū)域計算模型

1.1 設計參數(shù)

廚房通風采用廚房專用空調裝置對廚房送風進行集中處理。廚房用空調裝置采用全新風設計；在廚房爐灶等可能產生油煙、水汽的設備上方，需設置集氣罩；餐廳送風通過廚房負壓排出，廚房區(qū)域四周餐廳的風會通過艙壁上布置的通風格柵進入廚房區(qū)域，餐廳空調風可起到維持廚房負壓，輔助廚房冷卻的作用。

選取的典型船舶廚房區(qū)域空調通風設備布置見圖1。

圖1 典型廚房區(qū)域空調通風設備布置

該區(qū)域長16 m、寬15 m，由5個艙室組成。艙室1和艙室4為處理間；艙室2和艙室3是廚房灶臺的布置區(qū)域；也是油煙產生的區(qū)域，艙室5的操作過程中會產生水蒸汽，需要在上方布置蒸汽集氣罩及時排除蒸汽。廚房通風的主要末端裝置包括油煙收集凈化裝置、集氣罩、球形布風器3種：對艙室2、3、4、5的主要操作部位采用23個額定風量為300 m3/s球形布風器送空調冷風措施以改善工作環(huán)境，艙室2和艙室3的爐灶上方布置有6臺油煙凈化裝置集氣罩，其中5臺的額定風量為4 000 m3/s，其余1臺的額定風量為2 000 m3/s，總額定排風量為22 000 m3/s；艙室5布置有5臺蒸汽集氣罩，每臺集氣罩風量為800 m3/s。油煙凈化集氣罩具有兩檔風量切換控制的功能，其低檔風量是額定風量下的一半，烹飪工況下按額定風量運行，非烹飪工況下按低風量檔運行。由于油煙凈化集氣罩風量對廚房氣流中組織影響較大，需對額定和低檔風量時的氣流組織情況分別進行討論。

2.2 計算模型

Airpak是專門用于模擬室內氣流組織的CFD軟件，目前在暖通工程和科學研究領域廣泛應用。其湍流模型采用的是零方程模型，基本思想是將湍流黏度歸結為當?shù)仄骄俣群烷L度的函數(shù)，而與湍流的特性參數(shù)無關。該模型應用十分方便，計算量較雙方程模型小很多[14]。

根據(jù)圖1中廚房設備和廚房空調通風系統(tǒng)送排風口布置情況，在Airpak中建立三維計算模型。將5個艙室組成的16 m×15 m的矩形廚房區(qū)域作為計算區(qū)域。以結構化網格對空間進行劃分，對出風口、布風器、集氣罩等氣流變化較為劇烈的地方進行加密處理，計算區(qū)域總網格數(shù)約為46萬。見圖2。

圖2 典型廚房區(qū)域Airpak計算模型

2 計算結果

2.1 集氣罩額定風量下的計算結果

艙室2和艙室3有一面艙壁與餐廳相鄰，艙壁分別布置有3個通風格柵，使餐廳的回風通過通風格柵直接進入廚房區(qū)域。集氣罩額定風量下廚房不同水平截面處(離地高度1.5、2.2 m)的速度分布情況見圖3。結果顯示，艙室2和艙室3的氣流擾動十分劇烈， 大量空氣從上側艙壁的空氣格柵開口處涌入這2個廚房艙室，圖3b)顯示風口附近的最大風速達到了4.32 m/s。這是由于油煙凈化裝置集氣罩對風量的需求很大，艙室2的4臺集氣罩的額定排風量達到14 000 m3/s，艙室3的2臺集氣罩的額定排風量達到8 000 m3/s，較大的排風量使艙室2和艙室3形成了局部負壓，艙室2的平均壓力為-13.1 Pa，艙室3的平均壓力為-12.6 Pa。

圖3 額定風量下的速度分布

空氣齡是艙室內某點處空氣在房間內已經滯留的時間，反映了室內空氣的新鮮程度，可以綜合衡量艙室的通風換氣效果，是評價艙內空氣品質的重要指標。集氣罩額定風量下廚房不同截面處(離地高度1.5、2.2 m)的空氣齡分布情況見圖4。由于艙室2和艙室3的氣流擾動強烈，空氣新鮮度高，空氣齡較小，基本在60 s以內，說明烹飪時下方灶臺產生的油煙能夠被集氣罩迅速排出，不會在廚房內停留太長時間?？諝恺g較大的區(qū)域出現(xiàn)在艙室3的左下角和艙室4的右下角，其中最大空氣齡255 s出現(xiàn)在艙室4的區(qū)域，說明艙室4部分區(qū)域的氣流組織需要進一步優(yōu)化。

圖4 額定風量下的空氣齡分布

3.2 集氣罩低檔風量下的計算結果

油煙凈化裝置集氣罩在低檔風量下的排風量降低到額定風量的一半，即艙室2的4臺集氣罩的排風量降到7 000 m3/s，艙室3的2臺集氣罩的排風量降到4 000 m3/s。集氣罩低檔風量下廚房不同截面處(離地高度1.5、2.2 m)的速度分布情況見圖5。結果與圖3類似，艙室2和艙室3的氣流擾動相對其他艙室更為劇烈，大量空氣從上側艙壁的空氣格柵開口處涌入這兩個廚房艙室，圖5b)顯示風口附近的最大風速從圖3b)中的4.32 m/s減小為2.07 m/s。這是由于集氣罩排風量的減小使得艙室2和艙室3的負壓值也減小，艙室2的平均壓力降為-2.2 Pa，艙室3的平均壓力降為-3.1 Pa。

圖5 低檔風量下的速度分布

集氣罩低檔風量下廚房不同截面處 (離地高度1.5,2.2 m)的空氣齡分布情況見圖6。排風量的降低使所有區(qū)域的空氣齡都有所增加，與圖4中的結果類似，艙室2和艙室3空氣新鮮度高，空氣齡較小，與圖4中結果不同的是空氣齡較大的區(qū)域出現(xiàn)在艙室1，艙室1的大部分區(qū)域空氣齡略大，空氣組織情況不佳，主要是因為艙室2的風量需求顯著減少，使通過艙室1和艙室2之間艙壁的通風格柵進入艙室2的風量減少，導致艙室1氣體擾動不足，空氣在該艙室滯留時間增大。

圖6 低檔風量下的空氣齡分布

3.3 兩種工況下的氣流流線

圖7給出了額定風量下的氣流流線情況。圖7a)中額定工況下艙室2和艙室3的壓力最低，氣流會通過艙壁格柵從其他艙室匯入集氣罩。從圖7b)給出的低檔風量下的氣流流線發(fā)現(xiàn)，艙室3中有部分氣體通過通風格柵進入艙室5，可能會導致灶臺的油煙進入其他艙室內，并有可能被吸入而污染蒸汽集氣罩。這種情況應該避免，因此，建議取消艙室3和艙室5之間的通風格柵，同時在艙室5的左側艙壁上增加通風格柵，以保證換氣量。

圖7 兩種工況下的氣流流線

4 結論

采用流體計算仿真軟件Airpak對額定風量和低檔風量2種工況下典型廚房區(qū)域的氣流組織情況進行仿真計算和分析，計算得到速度場、空氣齡場。計算結果表明，在額定風量下油煙凈化裝置集氣罩所在的廚房艙室氣流擾動強烈，空氣齡較低，油煙可以被迅速排出廚房區(qū)域；在低風量工況下，含油煙的氣體有可能通過艙壁的通風格柵進入臨近艙室，所以格柵的位置還需要進一步優(yōu)化。