高层住宅厨房排气系统静压分布的对比分析
龚 杰1，裴清清1，许 雷2
（ 1.广州大学 ， 广州市 510006 ；2.日本东北工业大学， 仙台市 982-0000 ）
摘 要：为了研究等截面烟道和变压烟道的静压分布规律，本文对两种烟道分别进行了数值模拟。本文采用ICEM进行几何建模和网格划分，然后通过FLUENT进行数值模拟。结果表明：两种烟道内的静压分布规律有所不同，如开机率为100%时，等截面烟道的平均静压比变压烟道的平均静压高出20.33Pa。从静压分布角度看，变压烟道优于等截面烟道。
关键词：高层住宅；变压烟道；压力分布；数值模拟
0 引言
集中排气系统是住宅厨房广泛使用的排气方式，目前，国内主要有四种类型排气道，分别为子母型、变截面型、等截面型以及变压型烟道。子母型烟道和变截面型烟道由于制作困难，在实际应用中并不常见。等截面型烟道由于制作非常简单，得到了广泛应用。变压型烟道尽管制作存在一定难度，但是由于其独特的优点，应用的也越来越多。图1为以上四种烟道的简图。
图1 四种烟道简图
高层住宅厨房集中排气系统由多个动力源组成，每层厨房的实际排风量受多个因素的影响，如油烟机性能、开机率、烟道内的静压力分布等。而影响烟道内静压力分布的主要因素是烟道类型。鉴于此，本论文将通过对等截面烟道和变压烟道的数值模拟，进一步研究两种烟道内的静压力分布，为改善排气不均、串气串味提供解决策略。
1 几何模型与网格划分
住宅厨房集中排烟道几何尺寸的选择，一般需要根据相关图集确定。本论文根据粤08J/T910（住宅变压拔气式三防排气道）建立10层楼变压烟道模型，烟道截面为380×380(mm)，层高取3m，支烟道为圆形截面，直径为150mm，长1m。等截面烟道根据380×380(mm)变压烟道建立，其余尺寸与变压烟道相同。通过ICEM建模和网格划分，采用六面体结构化网格，网格无关性经过检验。局部网格划分如图2。
图2 局部网格
2 FLUENT计算求解
2.1 求解器和离散方法的确定
本论文不涉及传热和传质，只考虑流体流动，属于稳态过程。采用空气代替烟气进行数值模拟，空气为不可压缩气体，所以选择压力基稳态求解器。梯度插值方法选择Least-Squares Cell-Based，压力插值方法选择Linear。本次模拟存在压力突变的区域，因此，对流项的插值方法选择QUICK格式。
2.2 计算方程的确定[1]
由于本论文为稳态不可压缩流动，温度和密度均为常数，所以计算模型选择标准k-ε湍流模型，在近壁面区使用标准壁面函数进行处理。控制方程如下：
质量守恒方程：
动量守恒方程：
湍动能K方程：
湍动能耗散率ε方程：
其中，ρ和μ分别为空气密度和空气粘度；湍流引起的粘度系数μt =ρCμk2/ε；ui和uj均为速度，i和j均为张量下标，取值均为1、2、3；k和ε分别为湍动能和湍动能耗散率；经验常数取值为C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.99，σk=1.0，σε=1.3。
2.3 边界条件的设置
（1）入口边界条件
支烟道入口设置为速度入口类型（velocity-inlet），设计风量为Q=300m3/h[2]，支烟道直径d=150mm，换算成速度为v=4.7m/s。油烟机不开启时，设置为壁面边界（wall）。
（2）出口边界条件
屋顶出风口设置排风口类型（outlet-vent），烟道出口一般安装无动力风帽，阻力系数取为ζ=1.5。
（3）壁面边界条件
主、支烟道壁面均取无滑移壁面边界，设置为壁面边界（wall），壁面绝对粗糙度根据相关文献取为k=1.5mm。
2.4 湍流参数的确定与计算
FLUENT出入口边界提供了多种湍流参数的设置方法，对于管内流动一般选择湍流强度和水力直径。计算公式如下：
水力直径：
雷诺数：
湍流强度：
2.5 模拟工况介绍
住宅排烟系统的开机率并不是一个确定的值，开机率的大小与楼层数以及本单元住宅内用户的生活习惯有关。因此，本论文以40%、50%以及100%的开机率作为研究工况[2]。具体设置为：开机率为40%时，选择1、4、7、10层楼油烟机开启，其余关闭；开机率为50%时，选择奇数楼层油烟机开启，其余关闭；开机率100%时，所有油烟机均开启。
3 模拟结果分析
3.1 开机率为100%时的模拟结果
对于等截面烟道，所有楼层支烟道出风口处静压值在一条相对光滑的曲线上，这条曲线随楼层数增加而单调递减，最大静压值出现在最底层，最小静压值在顶层，与熊健[1]的研究一致。如果对这条曲线做一条切线的话，这条切线斜率的绝对值是逐渐增加的，也就是说，层数越高，静压变化得越快；对于变压烟道，所有楼层支烟道出风口处的静压值也几乎在一条相对光滑的曲线上，但是这条曲线呈驼峰状，在第四层楼位置达到最大静压，而且1~5层静压变化相对较为缓慢，这是变压烟道与等截面烟道的不同之处。另外，变压烟道在6~10层楼静压变化相对较为快速，这与等截面烟道在这几层楼的静压变化规律基本是一致的，这点从图3很容易看出，因为两条曲线几乎平行。另外，在该开机率下，虽然变压烟道整体的静压分布均低于等截面烟道，但是除了第十层楼外，其余楼层支烟道出口处的静压值均为正值，说明该变压烟道并没有起到预期的变压作用。
图3 开机率为100%时的压力分布
3.2 开机率为50%时的模拟结果
开机率为50%时，对于等截面烟道，其整体静压分布随楼层数增加呈曲折下降趋势，如果单独考察开机楼层（1、3、5、7、9层）支烟道出口处的静压值，其静压分布规律与其100%开机率时基本一致，这里不再重复阐述；对于未开机楼层（2、4、6层）支烟道出口处的静压值有明显的突变，且均高于其相邻开机楼层支烟道出口处的静压值，说明开机与不开机对于静压分布是有一定影响的。对于变压烟道，其整体静压分布呈锯齿状波动变化，且幅度比较大；单独考察变压烟道的开机楼层静压变化规律，发现与其100%开机率的静压分布有一定相似之处，呈驼峰状，但是较为平缓；对于变压烟道的未开机楼层，其所有楼层的静压值均高于其他开机的楼层，变化趋势与开机楼层的静压分布规律相似。这里必须提到的是，该开机率下，所有开机楼层以及顶层楼处的静压值均为负压，说明在该开机率下，变压烟道起到了一定的动静压转化作用；另外，该开机率下，变压烟道的最小静压出现在最底层开机楼层，这与其开机率为100%时最小静压出现在最顶层有所不同。
图4 开机率为50%时的压力分布
3.3 开机率为40%时的模拟结果
由图5可以看出，40%开机率时，两种烟道的静压分布规律与其各自50%开机率时基本一致，这里不再重复叙述。对于等截面烟道，相邻的未开机楼层（2与3、5与6、8与9层）支烟道出口处静压基本相等，仔细分析发现流过这两个断面的流量相等，而且两个断面面积也相等，因此，可能的影响原因应该是通过两个过流断面的流量相等。对于变压烟道，其相邻楼层的静压值非常接近，这与等截面烟道相邻未开机楼层静压分布有一定相似之处。对于变压烟道，无论是开机楼层还是未开机楼层，静压值均为非正值，说明在该开机率下，变压结构是能够起到较好的动静压转化作用的。
图5 开机率为40%时的压力分布
综合上述的3种工况，从定量的角度分析，40%开机率时，等截面烟道的平均静压为5.05Pa比变压烟道平均静压-3.87Pa高出8.92Pa；50%开机率时，等截面烟道的平均静压为8.51Pa比变压烟道平均静压-1.67Pa高出10.18Pa；100%开机率时，等截面烟道的平均静压为37.75Pa比变压烟道平均静压17.42Pa高出20.33Pa。开机率从50%增加到100%时，等截面烟道的平均静压涨幅为29.24Pa，变压烟道的平均静压涨幅为19.09Pa，两者静压涨幅都比较大，说明开机率对静压分布有较大的影响。另外，等截面烟道的平均静压涨幅比变压烟道的平均静压涨幅高出10.15Pa，二者相差比较大，说明变压烟道在一定程度上改善了烟道内的静压分布。
4 结论
（1）变压烟道总体的静压力分布规律呈锯齿状；开机楼层的静压分布呈驼峰状，最高静压出现在中间的开机楼层，最小静压在开机率较小时出现在底层，开机率较高时出现在顶层，这一点不同于等截面烟道；未开机楼层的静压分布也呈驼峰状，静压值远高于相邻开机楼层的静压值。
（2）等截面烟道总体的静压分布呈下降趋势，未开机楼层静压值会略高于相邻楼层静压值。
（3）相同开机率下，变压烟道的静压值明显低于等截面烟道相应处静压值，说明变压结构起到了动静压转换的作用，是有利于解决串气串味问题的。同时，变压烟道内的静压力分布曲线为驼峰状，较为平缓，说明变压结构能够起到缓解排气不均现象的作用。
（4）在开机率为100%时，除顶层楼层外，变压烟道内的静压值均为正值，说明变压结构没有达到预期的动静压转换效果，有待后续研究者进一步研究和改进。
参考文献
[1] 熊健. 高层住宅厨房集中排烟系统的特性及优化研究[D].重庆大学,2016.
[2] 广东省建筑设计研究院.粤08J/T910（住宅变压拔气式三防排气道）.
[3] 吴利,高军,丁希晖. 高层住宅厨房排气道数值模拟与对比分析[J]. 建筑热能通风空调,2016,35(09):56-60+67.
[4] 樊越胜,邵治民. 住宅厨房变压式排气系统的数值模拟[J]. 建筑科学,2011,27(02):102-106. [2017-09-06].
注：本文收录于《建筑环境与能源》2017年5月刊总第5期《2017全国通风技术年会论文集》中。
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