基于FLUENT的吸油煙機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

葉國(guó)林 舒繼千

（1.廣東萬(wàn)家樂(lè)燃?xì)饩哂邢薰?佛山 528300； 2.華為機(jī)器有限公司 東莞 523808）

引言

吸油煙機(jī)是一種凈化廚房環(huán)境的廚房電器，吸油煙機(jī)結(jié)構(gòu)種類(lèi)繁多也直接影響吸油煙機(jī)性能參數(shù)，許多企業(yè)對(duì)吸油煙機(jī)的相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了不斷的試驗(yàn)改進(jìn)，然而對(duì)吸油煙機(jī)內(nèi)流場(chǎng)情況及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)影響因素的認(rèn)識(shí)不清晰，而流體仿真分析能將流場(chǎng)的流動(dòng)情況以圖像的方式更全面的展現(xiàn)出來(lái)，具有成本低、速度快等優(yōu)點(diǎn)。利用流體動(dòng)力學(xué)軟件FLUENT 模擬吸油煙機(jī)工作過(guò)程中全流場(chǎng)的分布規(guī)律，使研究者對(duì)吸油煙機(jī)工作區(qū)域流體運(yùn)動(dòng)的總流量以及煙管出口速度，全壓力、靜壓力、速度矢量及湍流強(qiáng)度的分布狀態(tài)有一定的認(rèn)識(shí)，找出影響吸油煙機(jī)性能的關(guān)鍵因素，為吸油煙機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定的理論依據(jù)[1]。

1 流體區(qū)域與網(wǎng)格劃分

1.1 吸油煙機(jī)工作的流體區(qū)域

選用某款家用吸油煙機(jī)，畫(huà)出葉輪區(qū)域、蝸殼區(qū)域、箱體區(qū)域及房間區(qū)域的UG NX6 三維模型，保持葉輪區(qū)域旋轉(zhuǎn)軸與Z 軸重合，如圖1 所示。葉輪外直徑D1 為255 mm，葉輪內(nèi)直徑D2 為210 mm，葉輪的葉片數(shù)量S為64 葉，葉輪內(nèi)寬度W 為115 mm，電機(jī)轉(zhuǎn)速N=900 轉(zhuǎn)/分鐘。利用布爾運(yùn)算功能將三維模型簡(jiǎn)化為葉輪區(qū)域后續(xù)定義為轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域、蝸殼區(qū)域、箱體區(qū)域及房間區(qū)域后續(xù)定義為靜止區(qū)域[2]。

圖1 吸油煙機(jī)工作的流體區(qū)域

1.2 網(wǎng)格劃分

通過(guò)ANSYS DM 模塊對(duì)流體區(qū)域進(jìn)行幾何修復(fù)，采用FLUENT 自帶的Meshing Mode、ANSYS MESH 模塊中四面體、六面體和多面體核心組成的混合網(wǎng)格方式對(duì)吸油煙機(jī)的各區(qū)域分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并組合成整體區(qū)域網(wǎng)格如圖2 所示，其中葉輪區(qū)域采用體網(wǎng)格的掃掠方式并且用較細(xì)密的網(wǎng)格尺寸為1 mm、葉片處采用非常細(xì)密的網(wǎng)格尺寸為0.2 mm，網(wǎng)格數(shù)量為19.7 萬(wàn)，蝸殼區(qū)域的網(wǎng)格可以用稀疏一些其尺寸為15 mm，網(wǎng)格數(shù)量為15 萬(wàn)，箱體區(qū)域和房間區(qū)域的網(wǎng)格可以用更稀疏一些其尺寸為25 mm，網(wǎng)格數(shù)量分別為16.3 萬(wàn)和15.1 萬(wàn)，保證計(jì)算精度的情況下且使計(jì)算時(shí)間最短[3]。

圖2 吸油煙機(jī)工作靜域和動(dòng)域的合成網(wǎng)格

2 流體邊界條件與仿真分析方法

選用多參考系模型來(lái)處理旋轉(zhuǎn)的葉輪與靜止的蝸殼、箱體及房間內(nèi)壁之間的相互作用，根據(jù)右手定則給定葉輪區(qū)域轉(zhuǎn)速為900 r/min，其它區(qū)域選用靜止參考系，將葉輪與蝸殼、蝸殼與箱體、箱體與房間相配合的接觸面分別設(shè)置為4 對(duì)Mesh Interface，使得轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域與靜止區(qū)域之間的數(shù)據(jù)能在接觸面上相互調(diào)用。定義吸油煙機(jī)工作區(qū)域充滿(mǎn)空氣，選用FLUENT 標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型，壓力-速度耦合采用SIMPLEC 算法，選用二階迎風(fēng)差分算法對(duì)動(dòng)量、湍動(dòng)能及湍動(dòng)能耗散率方程進(jìn)行離散，進(jìn)而對(duì)模型1 500 次迭代求解[4]。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 吸油煙機(jī)工作區(qū)域X 和Y 截面流場(chǎng)分布

從圖3 中X 和Y 截面的靜壓和全壓云圖來(lái)看，從葉輪出口開(kāi)始到蝸殼壁面的靜壓和全壓是不斷增大并且到達(dá)蝸殼壁面處達(dá)到最大，在葉輪圓周方向上Y 截面蝸舌到X 截面蝸殼出口的靜壓和全壓是逐步在增強(qiáng)。從X 和Y 截面的速度矢量圖來(lái)看，油煙由軸向通過(guò)進(jìn)風(fēng)網(wǎng)及蝸殼導(dǎo)風(fēng)圈進(jìn)入到葉輪入口，受內(nèi)置電機(jī)的影響，葉輪中盤(pán)是異型半封閉式，使得葉輪中盤(pán)附近流動(dòng)速度慢，油煙經(jīng)過(guò)葉輪入口沿著葉輪中盤(pán)斜度方向逐漸由軸向（即Z 軸方向）轉(zhuǎn)為徑向（即X 和Y 軸方向）運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)葉片進(jìn)口后由葉片出口徑向甩出，由于油煙在葉輪區(qū)域由軸向轉(zhuǎn)為徑向運(yùn)動(dòng)、葉輪前端部分處葉片出口與葉片進(jìn)口非常靠近，而且葉輪前端是風(fēng)道系統(tǒng)直接入口存在極大的負(fù)壓區(qū)，因此，葉片出口甩出的油煙經(jīng)過(guò)葉輪前端與蝸殼導(dǎo)風(fēng)圈的間隙返回到葉片進(jìn)口而形成渦流造成葉輪做功的有效寬度減少、整機(jī)噪音增大及能量損失[4]。

圖3 吸油煙機(jī)工作區(qū)域X 和Y 截面流場(chǎng)分布

3.2 吸油煙機(jī)工作區(qū)域Z 截面流場(chǎng)分布

從圖4 中Z 截面壓力流場(chǎng)分布來(lái)看，在蝸殼出口端葉片出口處全壓大于其他區(qū)域，此區(qū)域尺寸大小關(guān)系到吸油煙機(jī)的流量和壓力參數(shù)值是擴(kuò)壓區(qū)域也是油煙從這個(gè)區(qū)域流向止回閥煙管組件，由于蝸殼出口是擴(kuò)壓區(qū)域，靜壓在從蝸殼出口到止回閥煙管組件在逐漸增大，蝸舌附近葉輪范圍速度矢量圖可以看出，由于蝸殼出口到蝸舌附近流通面積突然減小，此范圍的葉片出口甩出油煙的速度非常快其連通的葉片進(jìn)口形成大負(fù)壓區(qū)造成此范圍附近的葉片進(jìn)口處有渦流[4]。

圖4 吸油煙機(jī)工作區(qū)域Z 截面流場(chǎng)分布

4 葉輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)比分析

目前，家用吸油煙機(jī)葉輪葉片數(shù)量有40 ～70 葉、奇數(shù)葉和偶數(shù)葉等不同形式，現(xiàn)從葉輪的不同葉片數(shù)量、不同葉輪寬度、不同葉輪內(nèi)外徑比及是否帶有開(kāi)合玻璃進(jìn)行仿真對(duì)比分析。

4.1 不同葉片數(shù)量的仿真結(jié)果對(duì)比

設(shè)定葉輪外徑D1 為255 mm，葉輪內(nèi)徑D2 為210 mm，葉輪寬度W 為115 mm，有開(kāi)合玻璃，對(duì)葉輪的葉片數(shù)量S 為32 和64 葉進(jìn)行仿真對(duì)比分析，如圖5所示，具體仿真結(jié)果的對(duì)比,如表1 所示，可以看出隨著葉片數(shù)量的增加，總流量及煙管出口速度都在明顯的加強(qiáng)，Z 截面全壓云圖可以看出全壓也在上升，尤其是蝸殼出口與葉輪交界附近的全壓在明顯的上升是擴(kuò)壓區(qū)域起的作用，但是葉片數(shù)量為64 葉時(shí)全壓開(kāi)始平穩(wěn)的趨勢(shì)。因此，葉片數(shù)量64 葉時(shí)是最優(yōu)的參數(shù)，總流量、煙管出口速度及全壓都在增加[5]。

圖5 不同葉片數(shù)量的仿真結(jié)果對(duì)比分析

表1 不同葉片數(shù)量的仿真結(jié)果對(duì)比

4.2 不同葉輪寬度的仿真結(jié)果對(duì)比

設(shè)定葉輪外徑D1 為255 mm，葉輪內(nèi)徑D2 為210 mm，葉輪的葉片數(shù)量S 為64 葉，有開(kāi)合玻璃，對(duì)葉輪寬度W 為66 mm 及115 mm 進(jìn)行仿真對(duì)比分析，如圖6 所示，具體仿真結(jié)果的對(duì)比，如表2 所示，可以看出隨著葉輪寬度的增加，總流量在加強(qiáng)，尤其是煙管出口速度由10.88 m/s 到15.01 m/s 上升了4.13 m/s，但葉輪寬度在66 mm 時(shí)，葉輪左側(cè)處都有渦流出現(xiàn)，原因是葉輪與蝸殼底板的間隙增大，葉片出口甩出的油煙經(jīng)過(guò)此間隙返回到葉片入口而形成渦流造成能量損失。因此，葉輪寬度115 mm 時(shí)，葉輪與蝸殼的軸向間隙最小是最優(yōu)的參數(shù)，總流量、煙管出口速度都在增加，也沒(méi)有渦流造成的能量損失，但間隙過(guò)小會(huì)出現(xiàn)裝配困難，動(dòng)不平衡量大的葉輪在工作中會(huì)有摩擦蝸殼的風(fēng)險(xiǎn)[6]。

表2 不同葉輪寬度的仿真結(jié)果對(duì)比

圖6 不同葉輪寬度的仿真結(jié)果對(duì)比分析

4.3 不同葉輪內(nèi)徑比的仿真結(jié)果對(duì)比

設(shè)定葉輪外徑D1 為255 mm，葉輪寬度W 為115 mm，葉輪的葉片數(shù)量S 為64 葉，有開(kāi)合玻璃，對(duì)葉輪內(nèi)徑D2 為160 mm（內(nèi)外徑比為0.63）及210 mm（內(nèi)外徑比為0.82）進(jìn)行仿真對(duì)比分析，如圖7 所示，具體仿真結(jié)果的對(duì)比，如表3 所示，可以看出內(nèi)外徑比為0.82 時(shí)，總流量、全壓及X 截面速度在明顯的上升，由于內(nèi)外徑比為0.63 時(shí)葉輪內(nèi)徑小使得入口有效面積減少，然而該葉輪入口與風(fēng)道系統(tǒng)整個(gè)流道的有效流通面積不匹配，X 截面速度矢量圖可以看出葉輪入口處兩個(gè)區(qū)域沒(méi)有軸向的吸入速度運(yùn)動(dòng)而形成了循環(huán)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的“死區(qū)”并且伴隨著渦流。全壓云圖可以看出內(nèi)外徑比為0.63、0.82 時(shí)蝸舌附近處的全壓由-112 Pa 到260 Pa上升了372 Pa，全壓小會(huì)造成吸油煙機(jī)在烹飪的高峰期時(shí)排往公共煙道的油煙不順暢，爆炒時(shí)甚至油煙溢出到廚房。

圖7 不同葉輪內(nèi)外徑比的仿真結(jié)果對(duì)比分析

表3 不同葉輪寬度的仿真結(jié)果對(duì)比

4.4 有或無(wú)開(kāi)合玻璃的仿真結(jié)果對(duì)比

設(shè)定葉輪外直徑D1 為255 mm，葉輪內(nèi)直徑D2 為210 mm，葉輪寬度W 為115 mm，葉輪的葉片數(shù)量S 為64 葉，對(duì)是否帶有開(kāi)合玻璃進(jìn)行仿真對(duì)比分析，如圖8所示，受開(kāi)合玻璃的影響，開(kāi)合玻璃與箱體形成一個(gè)有角度范圍的吸入口，鍋具的油煙也有一個(gè)向上的速度，油煙到達(dá)吸入口附近開(kāi)始四面八方的擴(kuò)散，由于開(kāi)合玻璃打開(kāi)時(shí)的籠煙和吸入口負(fù)壓區(qū)的作用，油煙基本是從灶臺(tái)及鍋具經(jīng)過(guò)進(jìn)風(fēng)網(wǎng)到箱體區(qū)域，再到蝸殼區(qū)域吸入葉輪內(nèi)部，而且大部分油煙是從葉輪前端吸入的，與此款煙機(jī)的蝸殼系統(tǒng)是單進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)相符合，帶有開(kāi)合玻璃的跑煙少?？剂课鼰熜Ч笜?biāo)，吸油煙機(jī)帶有開(kāi)合玻璃比無(wú)開(kāi)合玻璃的吸煙效果要好很多、跑煙少。

圖8 吸油煙機(jī)工作區(qū)域速度流線(xiàn)圖

5 結(jié)論

使用FLUENT 仿真軟件對(duì)某款吸油煙機(jī)工作的流體仿真分析，油煙經(jīng)過(guò)葉輪逐漸由軸向轉(zhuǎn)為徑向運(yùn)動(dòng)由葉片出口徑向甩出。通過(guò)對(duì)葉輪的不同葉片數(shù)量、不同葉輪寬度、不同葉輪內(nèi)外徑比及是否帶有開(kāi)合玻璃進(jìn)行仿真對(duì)比分析，可知增加葉片數(shù)量、葉輪寬度、葉輪內(nèi)徑后流場(chǎng)的總流量、煙管出口速度及全壓在增加，改善渦流造成的能量損失、減少湍流能量損失，帶有開(kāi)合玻璃吸油煙機(jī)形成一個(gè)有角度范圍的吸入口其吸煙效果比較好。FLUENT 流體仿真分析可以初步了解吸油煙機(jī)工作區(qū)域流場(chǎng)分布規(guī)律并優(yōu)化風(fēng)道系統(tǒng)組件關(guān)鍵參數(shù)，為提高家用吸油煙機(jī)性能指標(biāo)提供了重要理論依據(jù)。