船用集氣罩空氣幕送風速度優化的數值研究

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

集氣罩是船舶廚房排除油煙等污染物的重要設備，可以防止污染物和異味向船舶其他艙室擴散；同時也與廚師的工作環境和健康息息相關。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]。空氣幕的送風風速是一個很重要的參數，送風風速對防止污染物的溢出，廚師的舒適性，以及排風量的減少都有很大的關系。本文采用計算流體力學軟件Airpak，采用數值方法研究了某集氣罩空氣幕送風速度的優化方法。

1 數學模型

目前在室內的氣流組織數值計算中，MIT零方程模型[2]得到了較多的應用，因為該模型將湍流粘度歸結為當地平均速度和長度尺度的函數，應用起來非常方便，并且計算量較小。為了簡化問題，作如下假設。

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

2)熱邊界按第一類邊界處理。

3)室內空氣為輻射透明介質。

采用零方程模型描述氣流運動，基本方程為

①質量方程：

(1)

②動量方程：

(2)

③能量方程：

(3)

④傳質方程：

(4)

式中:Vi——xi方向的時均速度,(i=1,2,3)；

t——時間；

ρ——空氣密度；

p——空氣壓力；

ueff——等效粘度；

μ——空氣層流動力粘度；

μt——空氣湍流動力粘度；

β——空氣熱膨脹系數；

gi——i方向的重力加速度；

T——空氣溫度；

ΓT.eff——溫度的擴散系數；

q——熱源；

cp——比熱；

Preff——等效普朗特數，等于0.9；

φ——該組分的體積分數；

ΓC.eff——該組分的擴散系數；

SC——該組分源項；

v——時均速度；

l——距壁面最近的距離。

2 集氣罩的物力模型和結構

某船用典型集氣罩結構見圖1，空氣幕在前面和兩側的條縫中噴出，由空氣幕風機提供風量。排風格柵和濾油器斜45°布置，污染物在排煙風機的作用下通過傾斜式排風格柵流進排氣空腔。

圖1 集氣罩結構示意

包括集氣罩在內的計算區域網格劃分見圖2。

圖2 計算區域網格劃分

3 空氣幕送風風速對污染物溢出的影響

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

圖3 不同送風速度下的溫度云圖和速度矢量圖

由圖3可知，送風速度為0.3和0.4 m/s時，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，會出現油煙氣外溢到室內的現象。當送風速度大于0.4 m/s，油煙的排出效果較好，基本不會出現外溢的現象。并且，送風風速越大，油煙的排出效果越明顯。

4 空氣幕送風風速對廚師的影響

空氣幕送風風速過大，會使廚師產生強烈的吹風感，不利于廚師的身體健康。一般來說，當風速大于0.2 m/s時，人體會較為產生明顯的吹風感[4]，但是考慮到廚師工作的環境，風速上限可以適當提高，這里取0.3 m/s為舒適風速的上限。為此，分別取不同的送風速度，計算出與之對應的廚師頭部位置(垂直方向距離地面1.7 m，水平方向距離集氣罩外側0.15 m)的風速，見表1。

表1 不同送風速度下的廚師頭部風速 m/s

由表1可知，當速度大于0.8 m/s時，廚師頭部風速大于0.3 m/s，會產生較強的吹風感，會對長期在空氣幕附近工作的廚師舒適性和健康產生一定影響。

5 空氣幕送風風速對減小排風量的影響

增加空氣幕風速，可以有效降低排除油煙所需要的排風量。以空氣幕送風速度為0.8 m/s為例，對不同排風量進行計算，結果見圖4。

圖4 空氣幕送風速度為0.8 m/s時不同排風量情況下的溫度云圖

由圖4可見，在送風速度不變的情況下，排風量在一個較大范圍內可以保證污染物不溢出，在這個前提下，可以盡量減小排風量。例如，當送風速度為0.8 m/s時，在滿足空氣幕隔絕效果與室內要求下，排風的最小風量為4 300 m3/h，小于該值，就有可能會出現污染物溢出的現象。

不同空氣幕送風速度下對應的最小排風量見圖5。

圖5 不同空氣幕送風速度下對應的最小排風量

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

6 結論

在工程應用中，往往通過增大集氣罩排風量來進行廚房污染氣體的排出控制，增大了系統的初始投資和運行費用。本文通過數值仿真計算證實了空氣幕可起到加強集氣罩抽氣效果，降低集氣罩排風量的作用。

對于典型船用集氣罩，當空氣幕送風速度大于0.4 m/s時，基本不會出現污染物外溢的現象；隨著空氣幕的送風速度增加，初期能夠顯著降低集氣罩最小排風量;空氣幕送風速度繼續增加至大于0.8 m/s時，通過增加空氣幕送風速度來減小排風量的效果大大降低。當空氣幕的送風速度大于0.8 m/s時，廚師工作區域可能產生明顯的吹風感，廚師舒適性下降。

因此，在集氣罩空氣幕的設計中，在考慮減小排風量的同時，還要兼顧污染物溢出效應和廚師的熱舒適性，合理對空氣幕送風速度進行設計和優化。建議船用集氣罩空氣幕送風速度設計在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抽吸效率[J].輕工機械，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.高層住宅中庭結構特性對其自然通風影響研究[J].廣州大學學報:自然科學版,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.