廚房集中排煙道系統局部合流阻力數值模擬研究

焦春玲 蘇 偉

(1.中國水電顧問集團西北勘測設計研究院，陜西西安 710065;2.中煤西安設計工程有限責任公司，陜西西安 710054)

1 研究背景

近年來，隨著人口城鎮化的發展趨勢，多層、高層建筑逐漸成為今后城市住宅的主要趨勢。高層建筑的普及在緩解緊張的土地資源的同時，也給居民廚房排煙帶來了新的問題。目前高層住宅普遍使用集中排煙氣道進行廚房排煙。國內常用的集中排煙氣道有子母型煙道、變壓式煙道、變截面煙道、等截面煙道等幾種形式［1］。等截面煙道由于其結構簡單、安裝方便、排煙順暢等優點而逐漸被廣泛應用。等截面排煙氣道即從底層到頂層排煙氣道截面積一致。在等截面排煙氣道內部通常安裝防止煙氣回流的止逆閥與導流構件。

集中排煙氣道自身也存在一些問題，如主煙道截面尺寸過小導致用戶排煙困難;導流構件結構設計不合理等原因致使底部用戶排煙困難。集中排煙氣道系統層數很多時，煙氣在煙道內部流動時所克服的阻力很大。由于吸油煙機壓頭有限，要解決用戶排煙不暢的問題，必須降低煙氣在流動過程中所克服的阻力。集中排煙氣道是由多個動力源匯流而成，在主、支管匯流處合流局部阻力很大。對于合流阻力計算，可以通過經驗公式計算所得，也可通過《實用流體阻力手冊》查取。但由于煙道廠家推出導流構件形式多樣化致使經驗公式很難準確計算合流局部阻力。因此，本文通過查閱一些常用的煙道標準圖集，選取了一些性能比較好的導流構件為研究對象，并利用Fluent軟件對各類型排煙氣道合流局部阻力進行模擬計算。

2 住宅廚房集中排煙氣道導流構件性能分析

2.1 物理模型

本次模擬選取四種煙道模型進行分析，模型一、模型二選自國家標準住宅排氣道設計圖集，圖集號為07J916-1［2］，模型三、模型四選自陜西省某煙道廠家產品。圖1，圖2分別為四種類型煙道示意圖與三維效果圖。四種模型主煙道截面尺寸均為500 mm×400 mm，排煙支管直徑為150 mm。在主、支煙道交接處設置了不同類型的導流構件。廚房內的煙氣被吸油煙機排出后進入排煙支管與主排煙道內煙氣匯合后共同向上排出。

2.2 數學模型

本次模擬以空氣作為流體介質，考慮廚房煙道內煙氣溫度不是很高，熱壓作用較小，故不考慮熱壓對排煙的影響［3］。模型采用標準κ—ε湍流模型進行計算，其基本控制方程［4］如下:

連續性方程:

動量方程:

湍流能量傳遞方程:

圖1 四種類型煙道局部示意圖

圖2 四種類型煙道三維效果圖

湍流動能耗散率傳遞方程:

其中，ui，uj均為速度，其中 i，j為張量下標，i，j=1，2，3;μ 為粘滯系數，kg/(m·s);μt為湍流引起的粘滯系數，kg/(m·s);ρ為流體密度，kg/m3;ε為湍流脈動動能耗散率，m2/s3;k為湍流脈動動能，m2/s3。

2.3 邊界條件的設置

1)進口邊界條件。

經實驗測定，深吸罩式吸油煙機排煙量為300 m3/h時能保證廚房很好的排煙效果，同時也可以保證在冬季不會有過多的熱損失［5］。本次模擬設排煙支管進氣口vent-1為速度進口類型(velocity-inlet)，支管速度為 v1=4.72 m/s。

主排煙氣道進氣口vent-2設置為速度進口類型(velocity-inlet)。通過對西安某幾家煙道廠家33層等截面煙道的現場測試發現，主排氣道內氣體流速一般小于12 m/s，本次模擬取v2=0.85 m/s～12 m/s。

2)出口邊界條件。

主排煙氣道出氣口vent-3設置pressure-outlet，出口靜壓值為0 Pa。

3)壁面邊界。

主、支排煙道壁面取無滑移壁面邊界(wall)類型。目前煙道一般采用玻纖增強水泥混凝土煙道，經試驗測試并考慮工程應用的安全性，設計時取煙道內壁粗糙高度K=1.5 mm是合理的［6］，故本次模擬取壁面粗糙高度K=1.5 mm。

煙道模型邊界條件設置示意圖見圖3。

2.4 計算機模擬結果分析

1)主煙道截面尺寸為500 mm×400 mm工況下各類型煙道導流構件局部合流阻力。

假設每層支管排風量為300 m3/h，即支管氣體速度為4.72 m/s，通過改變vent-2的速度大小進行模擬計算，求得入口vent-1，vent-2，出口vent-3全壓值，并將模擬結果按式(5)，式(6)進行計算，即得出各類型排煙氣道局部合流阻力系數 ξ1，1－3，ξ2，2－3。

圖3 煙道模型邊界條件設置示意圖

其中，P1，P2，P3分別為相應斷面全壓值，Pa;v1，v2，v3分別為相應斷面的平均速度，m/s;λ1，λ2，λ3分別為相應管段管壁摩擦阻力系數;d1，d2，d3分別為相應斷面的當量直徑，m;ξ1，1－3，ξ2，2－3分別為合流的局部阻力損失，例如ξ1，1－3表示氣流從入口1斷面到出口3斷面的局部阻力系數。煙道管壁摩擦阻力系數λ采用阿里特里蘇經驗公式計算［7］，公式如下:

其中，K為煙道內壁當量粗糙高度，m;d為煙道當量直徑，m;Re為煙道內氣流的雷諾數。

如圖4所示對比了四種類型煙道局部合流阻力系數ξ1，1－3。從圖中可以看出，四種模型 ξ1，1－3值變化規律也是一致的，隨著Q1/Q3的逐漸增大，ξ1，1－3值也相應的逐漸增大。在流量比近似或相同的情況下，模型一的ξ1，1－3值最大，數值介于2～8之間。由于其自身結構特點，模型一的導流構件的變徑裝置促使合流阻力ξ1，1－3有所增大。模型四的 ξ1，1－3值最小，數值介于 － 4 ～ 3 之間。模型四導流構件的彎管直徑為100×150是這幾種模型中最大的，其優點是在相同條件下，彎管管壁單位面積受到靜壓最小，這減小了氣體在流動時所受阻力。此外，當主煙道內氣體流速很大時，模型四主煙道內氣流會對支煙道氣流產生一定的引射作用，這些因素促使其合流阻力系數ξ1，1－3比較小。模型二、模型三的導流構件有些類似，其中模型三導流構件為圓弧直徑為150 mm的半圓弧，圓弧口徑面積較模型二導流構件小，相比其合流阻力也有所增大。

圖4 四種類型煙道局部合流阻力系統ξ1，1-3

圖5對比了四種類型煙道合流局部阻力ξ2，2－3。從圖中可以看出 ξ2，2－3與 ξ1，1－3變化規律有所不同，隨著 Q1/Q3的逐漸增大，ξ2，2－3值是逐漸減小的。在流量比近似或者相同的情況下，模型一的 ξ2，2－3值最小，數值介于 － 12 ～ 1 之間;模型四的 ξ2，2－3值最大，數值介于 －5～1之間。當 Q1/Q3值不大時，四種模型 ξ2，2－3相差不大。隨著Q1/Q3逐漸增大，五種模型ξ2，2－3值差距也會迅速增大，其中模型一ξ2，2－3值也比其他幾種模型小得多，這主要是模型一導流構件增加的引射裝置增大了支管氣體對主管氣體的引射作用。

圖5 四種類型煙道局部合流阻力系統ξ2，2-3

排煙系統的排煙困難主要是針對底部住戶而言，而上部住戶基本不存在排煙困難問題。要想使底部用戶排煙順暢，必須要克服底部用戶排除煙氣所受的阻力，而底部用戶所克服局部合流阻力主要為各層主管合流局部阻力ξ2，2－3。當底部用戶Q1/Q3值較大時，模型一ξ2，2－3值小于其他模型。模型一導流構件增加的引射裝置一定程度上改善了底部用戶排煙狀況，使整個排煙系統排煙更加均衡。但由于模型一ξ1，1－3值較大，這種引射裝置是否能提高各層整體的排煙能力，還有待進一步評價。

2)主煙道截面尺寸對排煙氣道導流構件合流阻力的影響。

針對建筑不同的樓層數，排煙氣道系統主煙道截面尺寸也有相應的變化。經計算發現不同截面尺寸的合流局部阻力系統相差很大，圖6，圖7列舉了不同主煙道截面尺寸下模型三導流構件局部合流阻力 ξ1，1－3，ξ2，2－3變化規律。

圖6 各截面工況模型三局部合流阻力ξ1，1-3

從圖6可以看出，當流量比Q1/Q3不變時，主排煙氣道截面尺寸越大，對應局部合流阻力系數ξ1，1－3越大。當Q1/Q3比較大時，各截面工況局部阻力系數ξ1，1－3變化幅度很小;隨著Q1/Q3逐漸減小，截面尺寸小的主煙道內氣體對排煙支管內氣體引射作用更加明顯，從而導致ξ1，1－3迅速減小。從圖7可以看出，當流量比Q1/Q3不變時，主排煙氣道截面尺寸越大，對應合流阻力系數ξ2，2－3越小。當Q1/Q3很大，主煙道截面尺寸也較大時，在相同條件下主煙道內氣體流速更低，排煙支管內氣體對主煙道內氣體引射作用更加明顯，從而導致ξ1，1－3比較小。因此，對于排煙情況不理想的排煙氣道系統，適當增大主煙道截面尺寸可以明顯改善排煙狀況。

圖7 各截面工況模型三局部合流阻力ξ2，2-3

3 結語

模型一導流構件增加的引射流裝置，一定程度上可以提高底部用戶排煙能力，但由于合流阻力系數ξ1，1－3較大，對系統的整體排煙能力會有一定抑制，尤其是對上部用戶影響很大。建議當主煙道截面尺寸較大，底部吸油煙機初始壓頭較小時應用此類型導流構件。對于主煙道尺寸較小，排煙系統整體排煙能力不足時建議應用模型二、模型三。模型四煙道ξ1，1－3雖然較小，但不利于平衡排煙系統整體排煙能力，而且其導流板圓弧曲率較其他類型要大，可能會造成各層用戶間出現串味情況。

對于高層、超高層建筑而言，廚房排煙問題更加嚴重。在條件允許時，建議適當增大主煙道截面尺寸，同時通過導流構件與止逆閥對各層用戶排煙均勻性做適當的調節，合理抑制上部樓層用戶排煙的同時，改善底部樓層用戶的排煙狀況。

［1］ 劉 寧.住宅衛生間集中式排煙道計算機模擬研究［J］.山西建筑，2009，35(30):179-181.

［2］ 中國建筑標準設計研究院.國家建筑標準設計圖集07J916-1住宅排氣道(一)［S］.

［3］ 龔延風，陳麗萍，國君杰.住宅廚房集中排煙道內煙氣流動特性分析［J］.南京建筑工程學院學報，2002(3):8-12.

［4］ 傅德董，馬延文.計算流體力學［M］.北京:高等教育出版社，2002.

［5］ 彭 榮.廚房排煙中幾個問題的探討［J］.通風除塵，1995(4):42-43.

［6］ 辛月琪，徐文華.等截面水泥煙道沿程阻力研究［A］.2006全國暖通空調制冷學術年會［C］.2006:194-200.

［7］ 龍天渝，蔡增基.流體力學［M］.北京:中國建筑工業出版社，2004.