集成灶風機性能優化及其出風均勻性研究

馬曉陽 盧國勇 吳樹德

（1.圣奧科技股份有限公司 杭州 310020； 2.杭州九陽凈水系統有限公司 杭州 310018）

引言

近年來，集成灶成為廚電行業高速增長的品類之一，將吸油煙機、灶具、蒸烤一體機等多種廚電產品集成為一體，具有空間緊湊、吸煙效果好等優點[1]，得到了消費者越來越多的青睞[2,3]。集成灶打破傳統吸油煙機上排風工作方式，采用了風機置于灶具下方的低吸下排技術，極大提升了吸煙效果[4]。為了匹配用戶廚房安裝環境，一般設有左右兩側出口的出風管，使得兩側出口都能進行油煙排放。但由于集成灶內部風機系統的安裝位置是固定的，因此勢必會導致某一側出風性能較差，如圖1所示，其向右出風，風機系統出口垂直向下放置，帶來了巨大沖擊阻力，導致了沿著螺旋線出風一側（右側）風量高，逆著螺旋線出風一側（左側）風量低，兩者相差可達1.5 m3/min。使用時刻，左側排煙用戶出風量變小，吸煙效果變差，噪聲增加[5]。因此，如何提升集成灶風機系統性能和保持兩側出風均勻性是目前各研發人員急需攻克的難題。

本文探討了集成灶風機型線、出風口長度和方向等對集成灶性能的影響。通過對集成灶風機系統進行定常三維數值模擬研究，捕捉到了風機和出風管內部流動狀態，分析了優化模型風機關鍵區域流場情況[6]。且將優化模型制作成實物樣機進行測試驗證[7]。

1 計算模型

1.1 集成灶吸煙系統計算模型

本文只針對集成灶吸煙系統進行研究，該系統由機頭、機箱、風機系統、出風口罩、出風管等組成。對集成灶吸煙系統計算域進行建模，其中機頭、機箱、出風管、出風口罩均按照實際尺寸進行建模。為了計數值計算的穩定性和準確性，在機頭進氣口和出風口罩處進行相應的延長。如圖1所示，機頭進氣口和出風口罩出口都沿各自平面垂直方向進行了加長處理。

對計算模型進行網格劃分，壁面采用3層棱柱邊界層網格。圖2給出了葉輪葉片表面及其附近區域網格劃分情況。由于葉輪為旋轉區域，對計算結果準確性起到關鍵作用，因此對該區域進行了網格加密處理。計算模型網格總數分別為480萬、600萬、720萬和840萬情況下，監控得到出口截面流量值分別為17.36 m3/min、17.59 m3/min、17.65 m3/min和17.72 m3/min。隨著網格總數從600萬增加到840萬，出口流量值波動在0.75 %以內，認為出口流量值不再隨網格數量繼續增加而產生影響。綜合考量計算量和模擬精度，選取計算域網格總數為600萬。同理下述所有計算模型，網格總數均控制在600萬左右。

1.2 支配方程和邊界條件

本文只分析集成灶風機內部流場特征，不涉及溫度分析。因此數值計算過程僅需求解三維雷諾平均守恒的N～S方程和標準k～e湍流模型方程。

給定機頭進氣口為停滯進口，出風管出口為壓力出口，兩層全y+壁面處理。葉輪旋轉域采用旋轉坐標系，給定轉速；其余區域選用靜止坐標系。通過穩態計算葉輪轉動在某一特定位置的瞬時流場，來簡化分析非定常問題。

1.3 計算模型驗證

表1給出了某一集成灶原型A運行在最高檔位時，分別通過實驗測試和數值模擬計算得到的兩側出風最大流量值。通過模擬值和實測值對比可知，左側出風最大流量相對誤差為3.70 %，右側出風最大流量相對誤差為2.57 %，均處在5 %以內的合理范圍，認為本文所建立的計算模型和邊界條件設置等滿足數值模擬要求。本文把該型號集成灶原型稱為模型A，型線優化后的稱為模型B和模型C。

表1 模型A最大流量實驗值和模擬值對比

1.4 風機型線優化

模型A實測最大出風量只有17.15 m3/min，其中右側比左側大了0.92 m3/min，兩側出風非常不均勻，急需進行改進。本文優化思路是對模型A風機型線進行改造得到優化型線B和C。型線A優化過程如下：第一步，按照柱坐標曲線方程1～1，繪制對數螺旋線；第二步，在蝸舌和出口區域采用另外函數曲線替代螺旋線；第三步，在曲線相接位置保持相切；第四步，依據出口長度等限制尺寸擬合成最終型線。如圖3給出了優化后得到的型線B和C。

該方法生成的曲線較正方形和不等距方形繪制的曲線更能反應沿著葉輪周圍氣體進入蝸殼，與蝸殼內原有流動氣體進行強烈交替過程。且該曲線的光滑度更高，可減少流動損失。

柱坐標曲線方程：

式中：

r—葉輪半徑；

theta—螺旋線生成角度。

由表2可知優化型線B出風口長度和角度同型線A基本保持一致，型線C出風方向向左側偏移了約27 °。其出風口長度從215.4 mm增加到241.6 mm，蝸舌與豎直中心距離從42.6 mm增加到132.3 mm。

表2 模型A、B和C關鍵參數

2 計算結果與分析

表3給出了模型A、B和C數值模擬結果，可知模型B較模型A兩側最大出風量都增加約0.5 m3/min。模型C左側最大出風量增加明顯，較模型A增加了8.26 %，增量達到1.39 m3/min；右側最大出風量增加了2.67 %，增量達到0.47 m3/min。模型C左右兩側最大出風量只差0.16 m3/min，二者差距顯著減小，使得兩個方向出風量變得較為均勻，改善了傳統型線不同方向出風量相差較大的問題。

模型C在出口方向較模型A和B往左側傾斜了約30 °，且增加了出風口長度，這極大改善了左側出風的流動狀態。由表3可知，左側出風狀態下模型C較A和B全壓效率分別提升了6.12 %和4.44 %，效果非常明顯。同時右側出風狀態下較模型B基本持平，較模型A提升了1.98 %。

表3 模型A、B和C關鍵性能參數模擬值

圖4給出了出風管中間截面示意圖，下文將對該截面上的流線圖、速度矢量圖和總壓力云圖進行對比分析。

圖5給出了右出風狀態下出風管中截面的總壓云圖分布，在紅框區域模型C低壓區更小，壓力分布相對均勻，流動更加平穩。由于模型C出口更加靠近左側，使得風機出口氣流在此區域獲得了類似擋板的導向作用，持續將氣流推向右側，提升了流動效率。

圖6給出了氣流離開風機進入出風管且向左側流動的流線圖，模型C氣流整體向左側平穩流動，能夠很好的與出風管銜接轉向。而模型A由于需要強行90 °轉向，且與螺旋線方向相反，向左側流動阻力明顯增加，流線非常紊亂，引起大量損耗，流動效率顯著下降。

圖7給出了氣流進入出風管且向左側流動的速度矢量圖，模型C風機出風口向左側傾斜，對氣流起到很好的導向作用，有助于氣流順暢的完成轉向。相比之下，模型A在出風管左側靠上的區域旋渦非常大，占據了流道將近50 %的空間，大量氣流被擠壓，引起局部區域流速增加，速度分布不均勻性增加，流動效率急劇下降。

圖8給出了氣流離開風機進入出風管且向左側流動的總壓云圖，模型A出風管右側壓力大于左側，左側低壓區域非常大，造成向左側出風的壓力分布非常不均勻。這是因為風機螺旋線是逆時針方向的，右側直接受到風機的排氣壓力，氣流必定造成擠壓才能向左側流動。模型C出風整體偏向左側，自然避開了90 °沖擊出風管，讓氣流有個順勢向左流動的趨勢，沖擊損失減少，流動效率自然提升。

3 實物樣機測試驗證

對模型C各零部件進行打樣制作，完成整機組裝。圖9為模型C實物樣機進行噪聲測試的場景。圖10給出了模型A和優化模型C實物樣機測試結果，可知模型C兩側實測出風量都較模型A大幅提升，左右出量風變得更加均勻，且噪聲下降明顯。

4 結論

對集成灶原型A進行三維數值模擬研究，與實驗值進行了對比，得出數值結果和實驗結果相吻合。繼而對優化模型機型數值分析和實驗研究發現：

1）優化模型C左側出風量顯著提升，從模型A的16.23 m3/min提升到17.93 m3/min，提高了1.7 m3/min，幅度為10.47 %。右側出風量從模型A的17.15 m3/min提升到17.77 m3/min，提高了0.62 m3/min，幅度為3.62 %。

2）優化模型C左右兩側最大出風量變得更加均衡。左右兩側最大出風量只相差0.16 m3/min，相較模型A兩側出風量差0.92 m3/min，均勻性已經明顯改善。

3）優化模型C在兩側出風量增加的同時，噪聲也有一定的下降，左側出風噪聲下降了0.97 dB（A），右側出風噪聲下降了1.19 dB（A）。

4）優化模型C風機系統的流動效率提升，流場平穩性、均勻性提升。