全新吸油煙機氣動布局研究

（寧波方太廚具有限公司 浙江省健康智慧廚房系統(tǒng)集成重點實驗室）

0 引言

吸油煙機是現(xiàn)代廚房的重要設(shè)備，可以大幅降低廚房油煙對人們健康造成的危害?，F(xiàn)有吸油煙機存在著靜壓低、油煙逃逸等問題，為提高產(chǎn)品的吸凈率，需要開發(fā)全新高效的吸油煙機產(chǎn)品。

當前主流油煙機的風(fēng)機采取豎直擺放，這種擺放方式便于增大風(fēng)機直徑，提高風(fēng)量。這樣其實進入一個誤區(qū)：即風(fēng)量越大吸油煙效果越好，且根據(jù)相似原理：流量與葉輪直徑的三次方成正比，那么不斷增大風(fēng)機直徑就可以解決油煙機跑煙問題。

而吸油煙機的排風(fēng)量代表的是一分鐘能夠排出單位立方米的空氣，煙量過大，吸油煙效果反而不好。因為，當新鮮空氣橫向流速遠大于油煙上升吸入煙機的速度，還會導(dǎo)致吸入的空氣含量多于油煙含量，這會嚴重擾亂油煙氣體的流動方向，造成油煙擴散、逃逸。而且提高風(fēng)量會帶來尺寸、成本的增加。

另一方面，風(fēng)機豎直擺放，進風(fēng)口距離油煙發(fā)生區(qū)域較遠，油煙需要拐彎才能進入風(fēng)機，沿程阻力大，流動損失大，風(fēng)機所產(chǎn)生的寶貴負壓沒有作用在烹飪區(qū)域而被浪費。根據(jù)實驗發(fā)現(xiàn)，歐式機的跑煙現(xiàn)象較嚴重，在集煙罩外邊緣區(qū)域尤其明顯。

相比于大風(fēng)量，吸得凈、不跑煙才是消費者關(guān)注的重點。而要做到不跑煙、大吸力，最主要的研究是將負壓區(qū)域外擴至集煙罩外，進行整機的氣動外形設(shè)計來提升攏煙效果，并且合理利用負壓和減少流動損失，將風(fēng)機的負壓利用最大化。

頂吸式油煙機用另外一種風(fēng)機擺放形式，風(fēng)機臥式布置，油煙路徑較短，負壓集中且正對烹飪區(qū)域。有必要對風(fēng)機豎直擺放和臥式布置兩種氣動布局進行對比分析，優(yōu)選一種形式來有效改善跑煙現(xiàn)象，改善中式廚房環(huán)境[1]。

現(xiàn)有的歐式機整流罩的蝶翼板是為歐式機設(shè)計，它能起到一定的加速氣流、負壓外擴作用[2-3]。但也阻礙了油煙機進氣，破壞了頂吸方案的負壓分布，不適合風(fēng)機臥式布置。因此，為頂吸方案，需要重新設(shè)計油煙機的集氣裝置。

此外，風(fēng)機臥式布置時，為了防止用戶碰頭，需要對風(fēng)機深度進行約束，因此蝸殼擴壓段有必要進行收縮，水平放置的蝸殼存在橫向尺寸過大的問題，頂吸方案無法滿足櫥柜設(shè)計標準。因此，在原頂吸方案基礎(chǔ)上，有必要對蝸殼進行小型化設(shè)計。

1 建模

采用仿真計算方法對原始方案進行性能評估。劃分流域網(wǎng)格，保證擋板和集煙腔內(nèi)壁等重要區(qū)域的網(wǎng)格細分，控制總體網(wǎng)格數(shù)量。吸油煙機內(nèi)的流動屬于低速流動，壁面網(wǎng)格尺寸較小會導(dǎo)致相應(yīng)Y+值過小，可酌情處理不劃分邊界層網(wǎng)格。根據(jù)實際情況建立計算模型，選擇理想氣體工質(zhì)代替成分復(fù)雜的煙氣，選擇K-epsilon湍流模型[4]，進行穩(wěn)態(tài)絕熱計算，環(huán)境壓力為1atm，環(huán)境溫度為25℃。具體邊界條件設(shè)置情況如下。

2 氣動布局設(shè)計

油煙機的氣動布局影響到集煙腔的負壓范圍，而集煙腔的負壓范圍是決定整機吸油煙效果的關(guān)鍵因素，好的氣動布局可以使得集煙腔進口處負壓下移，并拓寬至集煙腔外部，防止油煙逃逸[5]。為此，筆者對某一款歐式機氣動布局進行建模，并對3種氣動布局進行對比，從而優(yōu)選最優(yōu)方案。

表1 邊界條件設(shè)置Tab.1 Boundary condition setting

原始方案：吸油煙機箱體由攏煙腔和上部腔體組成，攏煙腔內(nèi)含一塊蝶翼板，左右居中，前寬后窄。風(fēng)機進口位于上部腔體內(nèi)，偏向右側(cè)（正視），油煙由下部被吸入攏煙腔后，改變方向水平由出口（風(fēng)機進口）進入風(fēng)機。

方案2：風(fēng)機進口居中，以期降低吸油煙機腔體內(nèi)的紊亂程度，減小流動損失。

方案3：風(fēng)機進口置頂臥式布置，以期降低吸油煙機腔體內(nèi)的流動損失。

圖1 原始方案Fig.1 Original case

圖2 方案2（居中）Fig.2 Case 2（middle）

圖3 方案3（頂吸）Fig.3 Case 3（Top suction）

觀察方向與平面位置（風(fēng)機進口）如圖4所示，3種方案豎直平面負壓分布如圖5～圖7所示。

圖4 觀察方向與平面位置（Z=-300mm，距前緣214mm，平面上邊距攏煙腔底部平面50mm）Fig.4 Viewing direction and plane position

圖5 原始方案Fig.5 Original case

圖6 方案2（居中）Fig.6 Case 2（middle）

圖7 方案3（頂吸）Fig.7 Case 3（Top suction）

觀察方向與平面位置（Z=-300mm，距前緣214mm，平面上邊距攏煙腔底部平面50mm），體積流量7.5m3/min，流線與豎直平面負壓分布。

根據(jù)負壓分布圖可以看出，方案2和方案3（頂吸）的負壓范圍都有一定程度的改善，方案3（頂吸）負壓明細外擴最明顯，可以延伸到集煙罩外側(cè)，防止油煙外溢。且負壓區(qū)下移，風(fēng)機臥式布置可以將寶貴的負壓區(qū)正對下方烹飪區(qū)域，負壓得到最大化利用。

圖8 觀察方向與平面位置（原始方案和方案2）Fig.8 Viewing direction and plane position(Original case and case 2)

圖9 觀察方向與平面位置（方案3風(fēng)機進口）Fig.9 Viewing direction and plane position(case 3)

圖10 原始方案Fig.10 Original case

圖11 方案2（居中）Fig.11 Case 2（middle）

圖12 方案3（頂吸）Fig.12 Case 3（Top suction）

流量分別為7.5m3/min和15m3/min時，各方案出口（風(fēng)機進口）平均總壓如表2所示。

表2 體積流量15m3/min，出口（風(fēng)機進口）負壓分布Tab.2 Negative pressure distribution of outlet when the volume flow is 15m3/min

結(jié)合流線分析出口（風(fēng)機進口）總壓與總壓分布：2種方案都不同程度的改善了流動的均勻性，方案2效果較好，方案3最佳。相同流量下，方案3出口總壓絕對值最小，說明其腔體內(nèi)流動損失最小，最有利于油煙快速排出，適合中式廚房爆炒環(huán)境。

小結(jié)：根據(jù)仿真計算得知，風(fēng)機臥式布置可以明顯拓展集煙腔的負壓分布范圍，負壓可以延伸到集煙罩外側(cè)，減少油煙外溢。且負壓區(qū)下移，負壓區(qū)正對下方的烹飪區(qū)域，負壓得到最大化利用。另外，風(fēng)機臥式布置風(fēng)道內(nèi)流動性較好，流動損失小，有利于油煙的快速排出。

3 集氣裝置設(shè)計

原有的歐式機（風(fēng)機豎直布置）集煙罩利用蝶翼板來對氣流進行整流，蝶翼板減小了集煙腔的進風(fēng)面積，煙氣越過擋板，經(jīng)過某些直角或曲率較大區(qū)域時，流動分離生成分離渦，產(chǎn)生流動損失。此類區(qū)域主要集中在擋板邊緣、集煙腔與進風(fēng)室連接處等區(qū)域。煙氣進入進風(fēng)室的過程中，不同方位的流動狀態(tài)不同。匯集到進風(fēng)室時，不同壓力和速度的氣流相互影響，流動失去穩(wěn)定。流線顯示，越過擋板后，流動變得十分紊亂，整個流場都存在著大量的渦旋。

圖13 原始的蝶翼板流線圖Fig.13 Original streamline of wing plate

在頂吸方案中，首先沿用了的原始集氣裝置設(shè)計，但試驗中發(fā)現(xiàn)，在頂吸方案中，在大風(fēng)量的情況下，蝶翼板阻礙了油煙機進氣，依然有跑煙現(xiàn)象，吸煙效果較差；當去除蝶板后，頂吸方案在大風(fēng)量情況下，油煙機吸煙效果顯著增強，無跑煙現(xiàn)象，且具備一定的抗干擾能力。因此，為頂吸方案，需要重新設(shè)計油煙機的集氣裝置。

水滴是大自然最常見的物理現(xiàn)象之一，其氣動外形表征了水滴在下落過程中受到空氣阻力后，液體表面在阻力和張力影響下，形成的穩(wěn)定的氣動外型，使得空氣穩(wěn)定附體繞流。

鑒于水滴下落速度與油煙機進氣速度接近，故借鑒水滴的氣動外形來進行集氣裝置的導(dǎo)流器設(shè)計。同時，除導(dǎo)流作用外，還可用作集油用途，解決去除蝶板后集油功能缺失的問題。

圖14 水滴流線Fig.14 Streamline of water-drop

圖15 水滴速度矢量Fig.15 Velocity vectors of water-drop

本文進行了三種方案的對比，以驗證水滴形導(dǎo)流器的可行性。

原始方案（方案1）——蝶板方案如圖16所示。

導(dǎo)流方案（方案2）——極致方案水滴形導(dǎo)流方案如圖17所示。

圖16 蝶板方案正視圖Fig.16 Front view of wings case

圖17 蝶板方案側(cè)視圖Fig.17 Side view of wings case

圖18 水滴方案正視圖Fig.18 Front view of water-drop case

圖19 水滴方案側(cè)視圖Fig.19 Side view of water-drop case

導(dǎo)流方案的計算域原始方案相同，采用水滴形的導(dǎo)流錐代替引流折彎板。導(dǎo)流錐中心線與出口中心線重合，底面接近吸油煙機進口面。

各方案計算域如圖20所示，考察過出口中心線的兩截面（基準面4，5）與吸油煙機進口水平面（基準面6）上的負壓分布及集氣裝置的壓力。

圖20 考察區(qū)域截圖Fig.20 Screen shot of investigation area

圖21 蝶板方案左視圖Fig.21 Left view of wings case

圖22 水滴方案左視圖Fig.22 Left view of water-drop case

圖23 蝶板方案正視圖Fig.23 Front view of wings case

圖24 水滴方案正視圖Fig.24 Front view of water-drop case

圖25 蝸殼流線Fig.25 Volute streamline

圖26 蝸殼透視圖Fig.26 Volute perspective drawing

1）方案1的負壓區(qū)主要集中在蝶翼折彎板周邊，在水平方向上范圍較大；方案2的負壓區(qū)集中在進氣平面中心，在豎直方向上范圍較大。

2）方案1的總壓損失較大，方案2的總壓損失明顯減小。可以推測同樣的出口條件下，方案2的流量要比方案1大。

綜上，水滴形導(dǎo)流方案與離心風(fēng)機臥式布置方案匹配性較好。

4 蝸殼小型化設(shè)計

下一步需要解決的問題是頂吸方案下，水平放置的蝸殼橫向尺寸過大的問題，原頂吸方案無法滿足櫥柜設(shè)計標準。因此，在原頂吸方案基礎(chǔ)上，需要對蝸殼進行小型化設(shè)計。

左右方向尺寸是影響蝸殼尺寸的重要因素[6]，如果蝸舌迎風(fēng)面角度較小，會在蝸殼內(nèi)形成繞流，氣流與蝸殼蝸舌碰撞，降低風(fēng)機工作效率；如果蝸舌迎風(fēng)面角度太大，風(fēng)機流量也呈下降趨勢,而適當?shù)奈伾鄡A角有利于提高風(fēng)機的效率[7-8]。

原始蝸殼長寬尺寸為370×452mm，小型化蝸殼長寬尺寸為：331×406mm，與原始方案對比如圖27～圖30所示。

圖27 原始蝸殼側(cè)視圖Fig.27 Lateral view of original volute

圖28 原始蝸殼俯視圖Fig.28 Vertical view of original volute

圖29 小型化蝸殼側(cè)視圖Fig.29 Lateral view of small volute

圖30 小型化蝸殼俯視圖Fig.30 Vertical view of small volute

蝸殼形狀如圖30所示，水平尺寸限制為406mm，豎直尺寸限制為333mm，蝸舌圓角半徑8mm。通過調(diào)整圖示中的Theta角來改變蝸舌處的流通面積。蝸殼出口分為水平和傾斜外擴兩種情況[9-10]。

水平和外擴的情況下的Theta角都選擇0°，10°，20°，33°，據(jù)此對不同蝸殼參數(shù)進行組合，并對體積流量進行計算。

表3 不同蝸殼方案Tab.3 Comparison of different volutes

表4 出口背壓150Pa的計算結(jié)果Tab.4 Results of 150Pa back pressure of outlet

圖32 外擴型蝸殼Fig.32 External expansion volute

從圖33可以看出：在適宜的Theta角范圍內(nèi)（20°左右），蝸殼才具有較大的流量，Theta過大過小都會使流量降低。蝸殼出口形式（外傾，水平）對流量有影響，在不同Theta角下影響不同，但總體看來影響并不明顯，不是關(guān)鍵因素。

圖33 不同Theta角下的體積流量Fig.33 Volume flows of different Theta angles

另外，在對原有的蝸殼進行流場仿真時發(fā)現(xiàn)：氣流在蝸殼出口轉(zhuǎn)彎的同時伴隨著繞流動方向的旋轉(zhuǎn)運動，這使得一側(cè)的流動容易產(chǎn)生分離，對離心風(fēng)機流量具有重要影響[11-13]。因此，在小型化蝸殼基礎(chǔ)上，對三種蝸殼出口形式進行了研究。其中出口扭轉(zhuǎn)型蝸殼可以扭轉(zhuǎn)從葉輪流出的旋轉(zhuǎn)氣流,使一部分偏轉(zhuǎn)氣流動能變?yōu)殪o壓。出口導(dǎo)流板蝸殼可以對氣流整流，改善紊流狀況，減少風(fēng)量損失。

圖34 原始出口方案Fig.34 Original outlet case

圖35 出口扭轉(zhuǎn)方案Fig.35 Twist outlet case

圖36 出口導(dǎo)流板方案Fig.36 Guide vane outlet case

對這三種蝸殼進行仿真計算，其出口流場分別如圖37～圖39，出口背壓150Pa的情況下的出口流量如表3所示。

圖37 原始出口方案流線圖Fig.37 Streamline of original case

圖38 出口扭轉(zhuǎn)方案流線圖Fig.38 Streamline of twist case

圖39 出口導(dǎo)流板方案流線圖Fig.39 Streamline of guide vane case

表5 出口背壓150Pa的計算結(jié)果Tab.5 Calculations of 150Pa back pressure of outlet

根據(jù)計算得出，扭轉(zhuǎn)型出口方案扭轉(zhuǎn)難以消除出口的流動分離，且會降低流量；彎板導(dǎo)流方案也難以完全抑制流動分離，只能輕微提升流量。因此仍然選用原始出口方案。

5 小結(jié)

1）出口扭轉(zhuǎn)方案難以消除出口的流動分離，且會降低流量；彎板導(dǎo)流方案也難以完全抑制流動分離，輕微提升流量。因此，在小型化蝸殼的設(shè)計下，頂吸方案蝸殼出口段的流動狀況和流量主要受左右方向尺寸的影響。

2）在適宜的Theta角范圍內(nèi)（20°左右），蝸殼才具有較大的流量，Theta過大過小都會使流量降低。

3）蝸殼出口形式（外傾，水平）對流量有影響，在不同Theta角下影響不同，但總體看來影響并不明顯，不是關(guān)鍵因素。

6 實驗驗證

為了進一步驗證仿真結(jié)果，筆者所在公司搭建試驗臺，進行吸油煙效果測試。整個實驗測試是模擬真實高層住宅的廚房工況。通過把菜籽油燒熱后用針管注水來發(fā)煙，并把管道背壓增加至130Pa，來測試吸油煙效果。根據(jù)實驗結(jié)果可以看出，風(fēng)機臥式布置攏煙效果更好，與仿真結(jié)果相符合。并且根據(jù)測試，瞬時氣味降低度應(yīng)為86%，高于國家標準（50%），油脂分離度為93%，高于國家標準（80%）。其中所謂瞬時氣味降低度，是指在規(guī)定的試驗條件下，當實驗室異常氣味濃度達到最大時，開啟吸油煙機，3min內(nèi)降低室內(nèi)異常氣味的能力。

圖40 實驗測試圖Fig.40 Experimental test

從圖40的實驗結(jié)果可以看出，風(fēng)機臥式布置如圖40（b）的吸煙效果為錐形，且對于瞬時氣味降低度改善明顯，明顯改善了油煙逃逸問題。

表6 優(yōu)化前后抽油煙機實際測試效果對比Tab.6 Comparison of range hood’s test results before and after optimization

7 總結(jié)

為設(shè)計開發(fā)全新高效的吸油煙機，本文采用計算仿真方法，對吸油煙機原始進行了性能評估，對其流場分析總結(jié)，找到優(yōu)化改進的方向，將風(fēng)機豎直擺放改為臥式布置，改善了負壓分布，減少了流動損失；并且進行實驗驗證，風(fēng)機臥式布置的確改善了吸油煙效果，提升了籠煙能力，減少了油煙的逃逸。另外，本文對進氣流道和蝸殼小型化分別行了創(chuàng)新設(shè)計，顛覆了原有的蝶翼導(dǎo)流板，創(chuàng)新的使用水滴導(dǎo)流方案，較好的匹配風(fēng)機臥式布置氣動布局。最后改進措施實施方便，新方案吸油煙機進風(fēng)道與擋板結(jié)構(gòu)新穎，具有流線型風(fēng)格，外形美觀，符合現(xiàn)代審美觀念。

創(chuàng)新點：1）顛覆傳統(tǒng)油煙機風(fēng)機豎直布置方式，風(fēng)機臥式布置明顯擴大集煙腔負壓范圍，改善了油煙逃逸問題。2）對于風(fēng)機臥式布置創(chuàng)新設(shè)計了水滴導(dǎo)流方案，導(dǎo)流效果好，進一步擴大了負壓范圍。3）針對風(fēng)機臥式布置設(shè)計了小型化緊湊蝸殼，選取最優(yōu)蝸殼外擴Theta角，提升了流量。