吸油煙機在高管道阻力下的性能模擬研究

黃樸 劉偉龍 肖林輝 烏勝斌

廣東中山百得廚衛有限公司 廣東中山 528478

1 引言

現代社會，中國人民的烹飪手法及烹飪菜式越來越具有多樣性，相比于歐美國家，中國對低噪聲、強吸力、高效率的吸油煙機有著更強的需求。從現階段的研究成果來看，眾多學者利用流體仿真軟件對吸油煙機風量、靜壓、噪聲及吸煙效果進行了模擬，為其優化提供了理論支持并極大地縮短了研發周期。在不考慮吸油煙機所受的管道阻力情況下，各工程師結合仿真技術通過優化風輪、風柜、箱體結構，均能很好的降低吸油煙機噪聲，并且能對吸煙效果進行很好的預測[1-4]。然而吸油煙機在實際工作情況下由于受到彎折煙管及公共煙道的影響，往往會承受很大的管道阻力，這就給模擬仿真的準確性帶來很大的影響，所以在高管道阻力下如何優化仿真模型和仿真方法，提高仿真準確性并指導實際的產品開發工作成為了不可避免的問題。

基于FLUENT穩態求解對吸油煙機進行仿真計算時，如果在出口處設為壓力出口并直接施加壓力，會導致求解無法收斂且計算結果有很大誤差值。根據國標GB/T 17713-2011將風量測試的減壓筒模型加入仿真模型中，通過不斷調節減壓筒出口面積來模擬各個高管道阻力的工況，對其氣動性能、噪聲及吸煙效果進行了模擬并與實際測試結果進行了對比，其中通過兩種模擬方式結合使得氣動性能模擬值與實測值在各個工況點誤差值在7%左右，吸煙效果模擬與實測比較吻合，而由于FLUENT軟件噪聲模擬方法的局限性，噪聲模擬值與實測值有較大差異，不過與管道阻力增加的變化趨勢基本一致。

2 數值建模

將我司一款歐式煙機進行整機模型簡化，得到仿真模型如圖1所示。在處理模型出口域時，通常將煙機出口段進行延長以防止回流，對于模型進口域的處理，需將其壓力進口邊界做得足夠遠，網格數量劃分也需要做得比較精細，以防止在高背壓情況下容易在壓力進口邊界產生大的回流，從而導致計算無法收斂。傳統模型如圖1a）所示，在零管道阻力下傳統模型得到的模擬數據較為準確，然而在高管道阻力的情況下，直接在出口處施加壓力將會產生很大誤差，計算無法收斂，所以傳統模型將不再適用，需引用新的模型。根據國標GB/T 17713-2011吸油煙機測試裝置，將模型出口域用減壓筒模型處理，新模型如圖1b）所示。減壓筒參數圖如圖2所示，氣流通過十字整流器、擴散段、調節器、減壓段從出口D0排出，通過調節D0面積可以模擬各個高管道阻力的工況點，減壓段分布四個均勻的靜壓取壓孔，可以監測具體靜壓值，在減壓筒出口處可以監測風量值。同時，根據國標GB/T 17713-2011吸油煙機風量計算方法，通過監測減壓段的模擬靜壓值，再利用試驗空氣密度公式（1）和試驗風量公式（2）也可以計算得到模擬風量值。測試環境溫度取27.5℃，環境氣壓取101520 Pa，十字整流器直徑d取176 mm，減壓筒直徑D取462 mm，孔板系數α由各工況點開孔直徑D0與減壓筒直徑D的比值所決定（據國標可查）。

圖1 仿真模型

圖2 減壓筒參數圖

式（1）中：

ρa-試驗條件下的空氣密度（kg/m3）；

θa-環境溫度（℃）；

Pba-環境氣壓（Pa）。

式（2）中：

qv-試驗工況下的風量（m3/s）；

α-孔板系數；

D0-孔板開孔尺寸（m）；

Ps6-減壓筒內靜壓（Pa）。

3 數值分析及試驗驗證

基于FLUENT，采用SSTk-ω湍流模型結合SIMPLEC速度-壓力算法穩態求解吸油煙機內部流場，離散格式采用二階迎風格式，旋轉域采用MRF多重參考系，動域與靜域的交界面采用interface，進出口均采用壓力邊界條件[5,6]。噪聲的模擬計算可采用經典FW-H聲學方程，在得到穩態流場后，利用Smagorinsky-Lilly LES湍流模型結合PISO速度-壓力算法瞬態求解吸油煙機遠處噪聲場，動靜域之間的耦合采用滑移網格Mesh Motion，時間步長設為0.005 s，每個時間步計算40迭代步，最后通過傅里葉變換得到噪聲的頻域解[4]。吸煙效果的模擬需打開Species Transport組分運輸模型進行計算，材料選擇與油煙組分相似的fuel-oil-air氣體，其中將C19H30質量分數設為0.05，鍋底設為速度入口，油煙上浮速度取0.05 m/s，溫度取160℃[7]。

3.1 氣動性能分析

吸油煙機采用恒扭矩交流電機，所以隨著管道阻力的增大其旋轉速度也會越來越快，在模擬過程中不同的工況點對應不同的轉速，其轉速和氣動性能關系如表1所示。利用F-401-025風量測量試驗裝置對外排式吸油煙機進行風量和靜壓的實際測試，并與風量靜壓模擬值進行對比，得出吸油煙機風量靜壓曲線（P-Q曲線）如圖3所示。從圖3中可以看出，模擬值和實測值雖然有一定誤差，但其變化趨勢是一致的，吸油煙機在低管道阻力0～150 Pa下，其風量的模擬監測數據與實測數據很接近，誤差值在3%以內，其風量的模擬計算數據與實測數據有較大誤差，誤差值達到了20%，而靜壓模擬值比實測值偏小了13 Pa左右。吸油煙機在高管道阻力150～400 Pa下，風量模擬監測值與實測值的誤差值隨著背壓增加而加大，達到15%，而風量的模擬計算數據與實測數據很吻合，誤差值在7%以內，而靜壓模擬值與實際值誤差有所減少，基本保持在10%左右。當風量為0 m3?min-1，此時處于全堵狀態即模擬時沒有出口設置，此時計算仍能收斂并仍能較好的模擬出最大靜壓值，并與實測數據誤差值為8%，表明此模型對氣動性能模擬的通用性很高。綜上所述，在低管道阻力下監測減壓筒出口風量值，在高管道阻力下監測減壓筒靜壓值而計算出風量值，通過兩種模擬方法的結合對吸油煙機氣動性能具有很好的可預測性。

圖3 P-Q曲線

表1 轉速和氣動性能表

3.2 噪聲場分析

基于FW-H聲學方程對吸油煙機在不同管道阻力33 Pa、209 Pa、295 Pa下進行了遠場聲場的模擬計算，設置噪聲監測點A坐標為（0，-1，1）。同理，利用AWA6290L多通道信號分析儀在半消聲室內對吸油煙機進行了實際的噪聲測量，得到噪聲頻譜對比圖如圖4所示。從圖4中可以看出在低管道阻力33 Pa下，葉片倍頻噪聲和氣流渦流噪聲的模擬值和實測值有較好的匹配度，葉片的倍頻噪聲出現在660 Hz左右，與由轉速、葉片數量實際計算出來的基頻一致。隨著管道阻力增加，模擬噪聲頻譜會出現很大的波動，與實際噪聲頻譜有較大的差異，葉片的倍頻噪聲出現的并不明顯，此時氣流的渦流噪聲占主導地位。

圖4 噪聲頻譜對比圖

對于連續的噪聲頻譜信號，要求出每一頻率成分的幅值是不必要的，可以把某一范圍的頻率劃分成若干小的頻率段，求出聲信號在各頻率段的中心頻率的幅值即可，當頻率段的下限頻率和上限頻率的比值為確定的比值2n，則稱為n倍頻程[8]，噪聲的倍頻程圖如圖5所示。從圖5中可以比較清晰的看到，低管道阻力下，模擬數據與實測數據雖有一定的誤差，但是基本趨勢保持一致，隨著管道阻力的增加，在低頻區0～500 Hz之間，模擬數據聲壓會有一個比較大的下降，在中頻區500～1000 Hz聲壓上升，最后在高頻區1000～2000 Hz聲壓保持平穩，與實測數據有較好的匹配度。將模擬噪聲值與實際的噪聲值進行對比，得到噪聲對比圖如圖6所示，從圖6中可以看出各管道阻力下模擬噪聲值均小于實際測試值，誤差保持在10%左右。由于目前旋轉風機噪聲計算的準確度對于整個行業來說都是一個比較難解決的問題，所以對于噪聲的計算，我們通常會根據模擬值的變化趨勢去預測實測值的變化趨勢。隨著管道阻力的增加，模擬噪聲的上升趨勢與實測噪聲的上升趨勢基本一致，從側面反映了噪聲模擬方法的正確性。

圖5 噪聲的倍頻程頻譜

圖6 噪聲數值圖

3.3 吸煙效果分析

基于組分運輸方程Species Transport對吸油煙機在不同管道阻力33 Pa、209 Pa、295 Pa下進行吸煙效果的模擬分析，吸煙效果仿真模型如圖7所示，窗戶設為壓力進口，作為房間的進氣來源，通過觀察C19H30質量分數來分析吸煙效果。C19H30質量分數云圖如圖8所示，從圖8中可以看出在33 Pa、209 Pa、295 Pa管道阻力下均能保證較好的吸煙效果，隨著管道阻力的增加，吸油煙機吸力減弱，C19H30有擴散的趨勢，但仍能保持在集煙罩的攏煙區內，對應表1可知，當吸油煙機風量保持在10 m3?min-1以上時便能保持良好的吸煙效果。在更高管道阻力（361 Pa）進行吸煙效果模擬時會發現FLUENT軟件出現浮動精度報錯，此時基于此模型的穩態算法已無法對煙機內部混亂流場進行計算，當管道阻力達到一定值時，此模擬方法及模型也具有一定的局限性。對吸油煙機在不同管道阻力下的吸煙效果進行了實際的測試，吸煙效果測試圖如圖9所示，從圖9中可以看出，隨著管道阻力的增加，吸煙效果會逐漸的減弱，在高管道阻力下油煙會稍有發散的趨勢，與模擬結果相匹配，試驗證明此吸煙效果模擬方法對實際吸煙效果的預測有一定的可靠性。

圖7 吸煙效果仿真模型

圖8 C19H30質量分數云圖

圖9 吸煙效果測試圖

4 結論

通過在仿真模型出口域增加減壓筒模型，解決了基于FLUENT穩態算法在高管道阻力下仿真無法收斂且誤差較大的問題，得到結論如下：

（1）在低管道阻力下監測出口風量，在高管道阻力下利用減壓筒模型計算公式算出風量值，兩種方法相結合對吸油煙機氣動性能的預測有較好的準確性，誤差在7%以內。

（2）基于大渦模擬結合FW-H噪聲場算法對于吸油煙機在高管道阻力下的噪聲變化趨勢預測有比較好的準確性，由于行業內旋轉風機噪聲模擬方法的局限性，噪聲模擬值與實測值誤差在10%左右。

（3）基于組分運輸方程對吸油煙機的吸煙效果的模擬有較好的準確性，在高管道阻力下，只要保證風量在10 m3?min-1以上便能取得良好的吸煙效果，當管道阻力超過361 Pa時，吸煙效果的計算已無法收斂，表明此模擬方法具有一定局限性。