典型船舶廚房通風(fēng)系統(tǒng)氣流組織數(shù)值模擬

(中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064)

中式廚房烹飪產(chǎn)生的高溫油煙和蒸汽往往不能及時排除，導(dǎo)致廚房空氣品質(zhì)和舒適性較差，影響廚房內(nèi)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(jìn)排風(fēng)來解決通風(fēng)換氣問題，進(jìn)排風(fēng)與煙氣控制設(shè)計具有更大的難度，因此，廚房通風(fēng)在船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)重點關(guān)注[2]。基于計算流體動力學(xué)(CFD)的氣流組織仿真是空調(diào)通風(fēng)設(shè)計時常用的優(yōu)化設(shè)計手段[3-6]。CFD 方法目前被應(yīng)用于對陸上廚房空氣分布情況進(jìn)行模擬和預(yù)測[7-9]，得到房間內(nèi)速度、溫度、濕度以及有害物質(zhì)量濃度等物理量的詳細(xì)分布情況。大型船舶的廚房包含艙室種類眾多、送風(fēng)量大、通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜，目前的相關(guān)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(jìn)行模擬的研究尚不多見。為改善船舶廚房空氣品質(zhì)，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(diào)通風(fēng)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(shè)計提供參考。

1 典型廚房區(qū)域計算模型

1.1 設(shè)計參數(shù)

廚房通風(fēng)采用廚房專用空調(diào)裝置對廚房送風(fēng)進(jìn)行集中處理。廚房用空調(diào)裝置采用全新風(fēng)設(shè)計；在廚房爐灶等可能產(chǎn)生油煙、水汽的設(shè)備上方，需設(shè)置集氣罩；餐廳送風(fēng)通過廚房負(fù)壓排出，廚房區(qū)域四周餐廳的風(fēng)會通過艙壁上布置的通風(fēng)格柵進(jìn)入廚房區(qū)域，餐廳空調(diào)風(fēng)可起到維持廚房負(fù)壓，輔助廚房冷卻的作用。

選取的典型船舶廚房區(qū)域空調(diào)通風(fēng)設(shè)備布置見圖1。

圖1 典型廚房區(qū)域空調(diào)通風(fēng)設(shè)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(chǎn)生的區(qū)域，艙室5的操作過程中會產(chǎn)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(fēng)的主要末端裝置包括油煙收集凈化裝置、集氣罩、球形布風(fēng)器3種：對艙室2、3、4、5的主要操作部位采用23個額定風(fēng)量為300 m3/s球形布風(fēng)器送空調(diào)冷風(fēng)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(fēng)量為4 000 m3/s，其余1臺的額定風(fēng)量為2 000 m3/s，總額定排風(fēng)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(fēng)量為800 m3/s。油煙凈化集氣罩具有兩檔風(fēng)量切換控制的功能，其低檔風(fēng)量是額定風(fēng)量下的一半，烹飪工況下按額定風(fēng)量運(yùn)行，非烹飪工況下按低風(fēng)量檔運(yùn)行。由于油煙凈化集氣罩風(fēng)量對廚房氣流中組織影響較大，需對額定和低檔風(fēng)量時的氣流組織情況分別進(jìn)行討論。

2.2 計算模型

Airpak是專門用于模擬室內(nèi)氣流組織的CFD軟件，目前在暖通工程和科學(xué)研究領(lǐng)域廣泛應(yīng)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(jié)為當(dāng)?shù)仄骄俣群烷L度的函數(shù)，而與湍流的特性參數(shù)無關(guān)。該模型應(yīng)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(shè)備和廚房空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)送排風(fēng)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(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對空間進(jìn)行劃分，對出風(fēng)口、布風(fēng)器、集氣罩等氣流變化較為劇烈的地方進(jìn)行加密處理，計算區(qū)域總網(wǎng)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(jié)果

2.1 集氣罩額定風(fēng)量下的計算結(jié)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(fēng)格柵，使餐廳的回風(fēng)通過通風(fēng)格柵直接進(jìn)入廚房區(qū)域。集氣罩額定風(fēng)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(jié)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(cè)艙壁的空氣格柵開口處涌入這2個廚房艙室，圖3b)顯示風(fēng)口附近的最大風(fēng)速達(dá)到了4.32 m/s。這是由于油煙凈化裝置集氣罩對風(fēng)量的需求很大，艙室2的4臺集氣罩的額定排風(fēng)量達(dá)到14 000 m3/s，艙室3的2臺集氣罩的額定排風(fēng)量達(dá)到8 000 m3/s，較大的排風(fēng)量使艙室2和艙室3形成了局部負(fù)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(fēng)量下的速度分布

空氣齡是艙室內(nèi)某點處空氣在房間內(nèi)已經(jīng)滯留的時間，反映了室內(nèi)空氣的新鮮程度，可以綜合衡量艙室的通風(fēng)換氣效果，是評價艙內(nèi)空氣品質(zhì)的重要指標(biāo)。集氣罩額定風(fēng)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(qiáng)烈，空氣新鮮度高，空氣齡較小，基本在60 s以內(nèi)，說明烹飪時下方灶臺產(chǎn)生的油煙能夠被集氣罩迅速排出，不會在廚房內(nèi)停留太長時間。空氣齡較大的區(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(jìn)一步優(yōu)化。

圖4 額定風(fēng)量下的空氣齡分布

3.2 集氣罩低檔風(fēng)量下的計算結(jié)果

油煙凈化裝置集氣罩在低檔風(fēng)量下的排風(fēng)量降低到額定風(fēng)量的一半，即艙室2的4臺集氣罩的排風(fēng)量降到7 000 m3/s，艙室3的2臺集氣罩的排風(fēng)量降到4 000 m3/s。集氣罩低檔風(fēng)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(jié)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(cè)艙壁的空氣格柵開口處涌入這兩個廚房艙室，圖5b)顯示風(fēng)口附近的最大風(fēng)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(fēng)量的減小使得艙室2和艙室3的負(fù)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(fēng)量下的速度分布

集氣罩低檔風(fēng)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(fēng)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(jié)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(jié)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(fēng)量需求顯著減少，使通過艙室1和艙室2之間艙壁的通風(fēng)格柵進(jìn)入艙室2的風(fēng)量減少，導(dǎo)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(fēng)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(fēng)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(fēng)量下的氣流流線發(fā)現(xiàn)，艙室3中有部分氣體通過通風(fēng)格柵進(jìn)入艙室5，可能會導(dǎo)致灶臺的油煙進(jìn)入其他艙室內(nèi)，并有可能被吸入而污染蒸汽集氣罩。這種情況應(yīng)該避免，因此，建議取消艙室3和艙室5之間的通風(fēng)格柵，同時在艙室5的左側(cè)艙壁上增加通風(fēng)格柵，以保證換氣量。

圖7 兩種工況下的氣流流線

4 結(jié)論

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