基于FLUENT的吸油煙機結構優化方法

葉國林 舒繼千

（1.廣東萬家樂燃氣具有限公司 佛山 528300； 2.華為機器有限公司 東莞 523808）

引言

吸油煙機是一種凈化廚房環境的廚房電器，吸油煙機結構種類繁多也直接影響吸油煙機性能參數，許多企業對吸油煙機的相關結構進行了不斷的試驗改進，然而對吸油煙機內流場情況及關鍵結構影響因素的認識不清晰，而流體仿真分析能將流場的流動情況以圖像的方式更全面的展現出來，具有成本低、速度快等優點。利用流體動力學軟件FLUENT 模擬吸油煙機工作過程中全流場的分布規律，使研究者對吸油煙機工作區域流體運動的總流量以及煙管出口速度，全壓力、靜壓力、速度矢量及湍流強度的分布狀態有一定的認識，找出影響吸油煙機性能的關鍵因素，為吸油煙機結構優化提供一定的理論依據[1]。

1 流體區域與網格劃分

1.1 吸油煙機工作的流體區域

選用某款家用吸油煙機，畫出葉輪區域、蝸殼區域、箱體區域及房間區域的UG NX6 三維模型，保持葉輪區域旋轉軸與Z 軸重合，如圖1 所示。葉輪外直徑D1 為255 mm，葉輪內直徑D2 為210 mm，葉輪的葉片數量S為64 葉，葉輪內寬度W 為115 mm，電機轉速N=900 轉/分鐘。利用布爾運算功能將三維模型簡化為葉輪區域后續定義為轉動區域、蝸殼區域、箱體區域及房間區域后續定義為靜止區域[2]。

圖1 吸油煙機工作的流體區域

1.2 網格劃分

通過ANSYS DM 模塊對流體區域進行幾何修復，采用FLUENT 自帶的Meshing Mode、ANSYS MESH 模塊中四面體、六面體和多面體核心組成的混合網格方式對吸油煙機的各區域分別進行網格劃分，并組合成整體區域網格如圖2 所示，其中葉輪區域采用體網格的掃掠方式并且用較細密的網格尺寸為1 mm、葉片處采用非常細密的網格尺寸為0.2 mm，網格數量為19.7 萬，蝸殼區域的網格可以用稀疏一些其尺寸為15 mm，網格數量為15 萬，箱體區域和房間區域的網格可以用更稀疏一些其尺寸為25 mm，網格數量分別為16.3 萬和15.1 萬，保證計算精度的情況下且使計算時間最短[3]。

圖2 吸油煙機工作靜域和動域的合成網格

2 流體邊界條件與仿真分析方法

選用多參考系模型來處理旋轉的葉輪與靜止的蝸殼、箱體及房間內壁之間的相互作用，根據右手定則給定葉輪區域轉速為900 r/min，其它區域選用靜止參考系，將葉輪與蝸殼、蝸殼與箱體、箱體與房間相配合的接觸面分別設置為4 對Mesh Interface，使得轉動區域與靜止區域之間的數據能在接觸面上相互調用。定義吸油煙機工作區域充滿空氣，選用FLUENT 標準k-ε 湍流模型，壓力-速度耦合采用SIMPLEC 算法，選用二階迎風差分算法對動量、湍動能及湍動能耗散率方程進行離散，進而對模型1 500 次迭代求解[4]。

3 仿真結果分析

3.1 吸油煙機工作區域X 和Y 截面流場分布

從圖3 中X 和Y 截面的靜壓和全壓云圖來看，從葉輪出口開始到蝸殼壁面的靜壓和全壓是不斷增大并且到達蝸殼壁面處達到最大，在葉輪圓周方向上Y 截面蝸舌到X 截面蝸殼出口的靜壓和全壓是逐步在增強。從X 和Y 截面的速度矢量圖來看，油煙由軸向通過進風網及蝸殼導風圈進入到葉輪入口，受內置電機的影響，葉輪中盤是異型半封閉式，使得葉輪中盤附近流動速度慢，油煙經過葉輪入口沿著葉輪中盤斜度方向逐漸由軸向（即Z 軸方向）轉為徑向（即X 和Y 軸方向）運動經過葉片進口后由葉片出口徑向甩出，由于油煙在葉輪區域由軸向轉為徑向運動、葉輪前端部分處葉片出口與葉片進口非常靠近，而且葉輪前端是風道系統直接入口存在極大的負壓區，因此，葉片出口甩出的油煙經過葉輪前端與蝸殼導風圈的間隙返回到葉片進口而形成渦流造成葉輪做功的有效寬度減少、整機噪音增大及能量損失[4]。

圖3 吸油煙機工作區域X 和Y 截面流場分布

3.2 吸油煙機工作區域Z 截面流場分布

從圖4 中Z 截面壓力流場分布來看，在蝸殼出口端葉片出口處全壓大于其他區域，此區域尺寸大小關系到吸油煙機的流量和壓力參數值是擴壓區域也是油煙從這個區域流向止回閥煙管組件，由于蝸殼出口是擴壓區域，靜壓在從蝸殼出口到止回閥煙管組件在逐漸增大，蝸舌附近葉輪范圍速度矢量圖可以看出，由于蝸殼出口到蝸舌附近流通面積突然減小，此范圍的葉片出口甩出油煙的速度非常快其連通的葉片進口形成大負壓區造成此范圍附近的葉片進口處有渦流[4]。

圖4 吸油煙機工作區域Z 截面流場分布

4 葉輪結構優化對比分析

目前，家用吸油煙機葉輪葉片數量有40 ～70 葉、奇數葉和偶數葉等不同形式，現從葉輪的不同葉片數量、不同葉輪寬度、不同葉輪內外徑比及是否帶有開合玻璃進行仿真對比分析。

4.1 不同葉片數量的仿真結果對比

設定葉輪外徑D1 為255 mm，葉輪內徑D2 為210 mm，葉輪寬度W 為115 mm，有開合玻璃，對葉輪的葉片數量S 為32 和64 葉進行仿真對比分析，如圖5所示，具體仿真結果的對比,如表1 所示，可以看出隨著葉片數量的增加，總流量及煙管出口速度都在明顯的加強，Z 截面全壓云圖可以看出全壓也在上升，尤其是蝸殼出口與葉輪交界附近的全壓在明顯的上升是擴壓區域起的作用，但是葉片數量為64 葉時全壓開始平穩的趨勢。因此，葉片數量64 葉時是最優的參數，總流量、煙管出口速度及全壓都在增加[5]。

圖5 不同葉片數量的仿真結果對比分析

表1 不同葉片數量的仿真結果對比

4.2 不同葉輪寬度的仿真結果對比

設定葉輪外徑D1 為255 mm，葉輪內徑D2 為210 mm，葉輪的葉片數量S 為64 葉，有開合玻璃，對葉輪寬度W 為66 mm 及115 mm 進行仿真對比分析，如圖6 所示，具體仿真結果的對比，如表2 所示，可以看出隨著葉輪寬度的增加，總流量在加強，尤其是煙管出口速度由10.88 m/s 到15.01 m/s 上升了4.13 m/s，但葉輪寬度在66 mm 時，葉輪左側處都有渦流出現，原因是葉輪與蝸殼底板的間隙增大，葉片出口甩出的油煙經過此間隙返回到葉片入口而形成渦流造成能量損失。因此，葉輪寬度115 mm 時，葉輪與蝸殼的軸向間隙最小是最優的參數，總流量、煙管出口速度都在增加，也沒有渦流造成的能量損失，但間隙過小會出現裝配困難，動不平衡量大的葉輪在工作中會有摩擦蝸殼的風險[6]。

表2 不同葉輪寬度的仿真結果對比

圖6 不同葉輪寬度的仿真結果對比分析

4.3 不同葉輪內徑比的仿真結果對比

設定葉輪外徑D1 為255 mm，葉輪寬度W 為115 mm，葉輪的葉片數量S 為64 葉，有開合玻璃，對葉輪內徑D2 為160 mm（內外徑比為0.63）及210 mm（內外徑比為0.82）進行仿真對比分析，如圖7 所示，具體仿真結果的對比，如表3 所示，可以看出內外徑比為0.82 時，總流量、全壓及X 截面速度在明顯的上升，由于內外徑比為0.63 時葉輪內徑小使得入口有效面積減少，然而該葉輪入口與風道系統整個流道的有效流通面積不匹配，X 截面速度矢量圖可以看出葉輪入口處兩個區域沒有軸向的吸入速度運動而形成了循環旋轉運動的“死區”并且伴隨著渦流。全壓云圖可以看出內外徑比為0.63、0.82 時蝸舌附近處的全壓由-112 Pa 到260 Pa上升了372 Pa，全壓小會造成吸油煙機在烹飪的高峰期時排往公共煙道的油煙不順暢，爆炒時甚至油煙溢出到廚房。

圖7 不同葉輪內外徑比的仿真結果對比分析

表3 不同葉輪寬度的仿真結果對比

4.4 有或無開合玻璃的仿真結果對比

設定葉輪外直徑D1 為255 mm，葉輪內直徑D2 為210 mm，葉輪寬度W 為115 mm，葉輪的葉片數量S 為64 葉，對是否帶有開合玻璃進行仿真對比分析，如圖8所示，受開合玻璃的影響，開合玻璃與箱體形成一個有角度范圍的吸入口，鍋具的油煙也有一個向上的速度，油煙到達吸入口附近開始四面八方的擴散，由于開合玻璃打開時的籠煙和吸入口負壓區的作用，油煙基本是從灶臺及鍋具經過進風網到箱體區域，再到蝸殼區域吸入葉輪內部，而且大部分油煙是從葉輪前端吸入的，與此款煙機的蝸殼系統是單進風結構相符合，帶有開合玻璃的跑煙少。考量吸煙效果指標，吸油煙機帶有開合玻璃比無開合玻璃的吸煙效果要好很多、跑煙少。

圖8 吸油煙機工作區域速度流線圖

5 結論

使用FLUENT 仿真軟件對某款吸油煙機工作的流體仿真分析，油煙經過葉輪逐漸由軸向轉為徑向運動由葉片出口徑向甩出。通過對葉輪的不同葉片數量、不同葉輪寬度、不同葉輪內外徑比及是否帶有開合玻璃進行仿真對比分析，可知增加葉片數量、葉輪寬度、葉輪內徑后流場的總流量、煙管出口速度及全壓在增加，改善渦流造成的能量損失、減少湍流能量損失，帶有開合玻璃吸油煙機形成一個有角度范圍的吸入口其吸煙效果比較好。FLUENT 流體仿真分析可以初步了解吸油煙機工作區域流場分布規律并優化風道系統組件關鍵參數，為提高家用吸油煙機性能指標提供了重要理論依據。