馮鈺 蘭信穎

沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院

0 引言

烹飪是廚房?jī)?nèi)PM2.5 主要產(chǎn)生源[1]，PM2.5 的化學(xué)成分有多環(huán)芳烴、化學(xué)元素（特別是重金屬）等[2]，人體長(zhǎng)期吸入會(huì)對(duì)呼吸系統(tǒng)，心血管系統(tǒng)，生殖系統(tǒng)和血液系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p害[3]。由于烹飪時(shí)間短暫，PM2.5濃度的增量一定程度上可以代表油煙產(chǎn)生量[4]。因而，研究如何合理有效排除廚房?jī)?nèi)PM2.5 是有必要的。

本文基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法，利用ANSYS FLUENT 軟件對(duì)廚房區(qū)域進(jìn)行數(shù)值模擬，討論僅靠開窗戶和在灶臺(tái)四周增設(shè)回型風(fēng)幕（如圖1 所示）這兩種補(bǔ)風(fēng)方式對(duì)污染物控制的影響，驗(yàn)證回型風(fēng)幕補(bǔ)風(fēng)方式的優(yōu)越性，以便為以后將風(fēng)幕補(bǔ)風(fēng)應(yīng)用到廚房設(shè)計(jì)中提供參考。

圖1 回型風(fēng)幕補(bǔ)風(fēng)示意圖

1 研究對(duì)象

此廚房位于沈陽(yáng)市某小區(qū)，樓間距符合設(shè)計(jì)規(guī)范，可認(rèn)為無(wú)高大建筑物遮擋，滿足基本的自然通風(fēng)需求。廚房位于房屋的西北方向，廚房的模型圖如圖2所示。沈陽(yáng)屬于北溫帶受季風(fēng)影響的半濕潤(rùn)大陸性氣候，四季分明，全年氣溫、降水分布由南向東北和由東南向西北方向遞減。夏季多為西南風(fēng)和東南風(fēng)。夏季室外平均風(fēng)速為2.6 m/s，夏季室外最多風(fēng)向的平均風(fēng)速可達(dá)3.5 m/s。夏季室外通風(fēng)計(jì)算溫度為28.2 ℃[5]。

圖2 廚房模型圖

由于實(shí)際峰值油溫（112～177 ℃）大部分低于油煙點(diǎn)（107～234 ℃），因此油溫在一般家庭的烹飪中對(duì)空氣污染物排放率沒有顯著影響[6]。不同的菜肴、烹飪方式，每餐的菜肴數(shù)量，食用油的種類，燃料的種類以及油煙機(jī)的風(fēng)速都有不同程度的影響。因此，選取做糖醋排骨（約為3 至4 人份）這道菜，烹飪方式為煸（把菜肴放在熱油里炒到半熟，以備加佐料加水），選用標(biāo)準(zhǔn)大豆油。鍋口徑為300 mm，高度為260 mm。此廚房使用的是功率為4.2 kW 的嵌入式燃?xì)庠?，天然氣作為燃料，頂吸式自?dòng)清洗吸油煙機(jī)。廚房詳細(xì)尺寸如表1所示。

表1 廚房?jī)?nèi)各參數(shù)尺寸

2 模型建立與研究方法

2.1 物理模型

采用ANSYS ICEM 建立廚房的三維模型，如圖3所示：人體站姿身高為1700 mm，人體嘴巴呼吸處簡(jiǎn)化處理為25 mm×10 mm[7]。人體站立點(diǎn)距離灶臺(tái)100 mm，抽油煙機(jī)最低面距離灶臺(tái)平面750 mm。為便于之后的分析，截取人體嘴巴中心（距離地面1.5 m）為呼吸截面，即Z=1.5 m。截取人體嘴巴正前方，即Y=1.6 m。各截面如圖4 所示。

圖3 ANSYS ICEM 建立的物理模型

圖4 模擬截面圖

2.2 數(shù)學(xué)模型

為了簡(jiǎn)化模擬計(jì)算，進(jìn)行如下假設(shè)[8]：

1）不考慮太陽(yáng)輻射。

2）廚房外墻、屋頂?shù)孛婢暈榻^熱壁面。

3）可視作穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng)。

4）視作定常不可壓縮流體，認(rèn)為符合Boussinesq假設(shè)。

5）忽略能量方程中由于黏性的作用而引起的能量耗散。

6）不考慮室外空氣濕度對(duì)室內(nèi)空氣流動(dòng)的影響。

故本文采用ANSYS ICEM 建立完成三維模型之后，考慮實(shí)際情況，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)廚房計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。全局網(wǎng)格最大長(zhǎng)度限度為64 mm，對(duì)嘴巴呼吸處進(jìn)行局部加密處理，最大長(zhǎng)度限度為8 mm，網(wǎng)格數(shù)為798921。

采用ANSYS FLUENT 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，考慮Z 方向的重力作用。開啟能量方程，采用Standard k-ε 模型（k-epsilon 方程），同時(shí)開啟離散相模型（DPM）模擬穩(wěn)態(tài)下PM2.5 在廚房?jī)?nèi)的擴(kuò)散特性。選用SIMPLEC 算法進(jìn)行速度與壓力的耦合，其他求解控制參數(shù)保持默認(rèn)。欠松弛因子保持默認(rèn)數(shù)值。Gauss-Seidel 迭代，連續(xù)性方程收斂殘差設(shè)為10-2，速度和k-ε 方程收斂殘差設(shè)定為10-4，能量方程收斂殘差設(shè)定為10-8。

2.3 邊界條件

廚房?jī)?nèi)烹飪產(chǎn)生的油煙成分非常復(fù)雜，密度會(huì)發(fā)生改變，為了得到較為合理的計(jì)算結(jié)果，這里做了簡(jiǎn)化處理：PM2.5 密度是由于做糖醋排骨而釋放PM2.5濃度的峰值[3]，即3.74 mg/m3，PM2.5 的散發(fā)強(qiáng)度為6.87×10-8kg/s，以2.5×10-6m 作為PM2.5 的粒徑。假定補(bǔ)風(fēng)量完全等于排風(fēng)量，則當(dāng)僅開啟窗戶時(shí)，風(fēng)速為0.35 m/s。當(dāng)窗戶完全關(guān)閉，僅開啟風(fēng)幕補(bǔ)風(fēng)時(shí)，風(fēng)速為1.96 m/s。燃?xì)庠畹墓β蕿?.2 kW，且做菜時(shí)僅打開右灶。門始終保持關(guān)閉的狀態(tài)，且不考慮滲透量。暫時(shí)不考慮人員的呼吸作用對(duì)氣流造成的影響。其它邊界條件的設(shè)定如表2 所示。

表2 邊界條件的設(shè)定

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 不同補(bǔ)風(fēng)方式對(duì)溫度分布的影響

圖5 是僅依靠自然補(bǔ)風(fēng)的Y=1.6 m 截面的溫度分布圖，從圖中可以看出，在人體正前方，即Y=1.6 m截面的溫度在301.5～308.5 K。由于采用的開窗戶的自然補(bǔ)風(fēng)形式，從窗戶開啟部分補(bǔ)進(jìn)的風(fēng)的溫度為301 K，因此在窗戶開啟部分附近溫度較低。由于人體本身的體表溫度達(dá)到304 K，且在與灶臺(tái)間隔100 mm的位置，因此在人體正前方的溫度較高，且在右灶附近溫度達(dá)到最高307.5 K。靠近門的那面墻，由于門始終保持關(guān)閉的狀態(tài)，熱量分布比較均勻。圖6 是僅依靠回型風(fēng)幕補(bǔ)風(fēng)的Y=1.6 m 截面的溫度分布圖，從圖中可以看出，Y=1.6 m 截面的溫度在305.35～306.5 K。整個(gè)截面的溫度比較均勻，變化范圍較小。這是由于采用的是回型風(fēng)幕補(bǔ)風(fēng)的方式，補(bǔ)進(jìn)的風(fēng)溫度為301 K，可以直接將右灶產(chǎn)生的熱量帶走一部分，因此在回型風(fēng)幕補(bǔ)風(fēng)處，右灶附近的溫度略低于周圍溫度。

圖5 自然補(bǔ)風(fēng)Y=1.6 m 溫度分布云圖

圖6 回型風(fēng)幕補(bǔ)風(fēng)Y=1.6 m 溫度分布云圖

3.2 不同補(bǔ)風(fēng)方式下速度場(chǎng)結(jié)果分析

圖7 是僅依靠自然補(bǔ)風(fēng)的Y=1.6 m 截面的速度矢量圖，從圖中能夠看出，此時(shí)廚房?jī)?nèi)形成局部有組織的氣流，但是當(dāng)氣流遇到人體、灶臺(tái)等障礙時(shí)會(huì)形成較大的漩渦，從窗戶（開啟部分）補(bǔ)進(jìn)的風(fēng)，由于抽油煙機(jī)的開啟，在附近形成較大風(fēng)速，這樣在就導(dǎo)致部分PM2.5 顆粒不能及時(shí)被排出，不僅對(duì)廚房環(huán)境造成污染，而且對(duì)人體的健康造成影響。圖8 是僅依靠回型風(fēng)幕補(bǔ)風(fēng)的Y=1.6 m 截面的速度矢量圖，從圖中能夠看出，此時(shí)在廚房?jī)?nèi)形成一定程度的有組織的氣流，由于此次試驗(yàn)中僅使用右灶，左灶處于關(guān)閉狀態(tài)，而回型風(fēng)幕式補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)是在燃?xì)庠钏闹苓M(jìn)行補(bǔ)風(fēng)，所以在人體右側(cè)會(huì)形成一個(gè)漩渦，且在抽油煙機(jī)吸入面右側(cè)風(fēng)速較大。

圖7 自然補(bǔ)風(fēng)Y=1.6 m 速度矢量圖

圖8 回型風(fēng)幕補(bǔ)風(fēng)Y=1.6 m 速度矢量圖

3.3 不同補(bǔ)風(fēng)方式對(duì)PM2.5 分布影響

圖9 是僅依靠開窗戶進(jìn)行補(bǔ)風(fēng)PM2.5 濃度分布圖，結(jié)合（a）、（b）可以看出，僅依靠窗戶進(jìn)行補(bǔ)風(fēng)，明顯看出，有部分PM2.5 顆粒溢出抽油煙機(jī)的捕捉范圍，造成污染物擴(kuò)散，且廚房?jī)?nèi)PM2.5 濃度相對(duì)較高。

圖9 開窗戶補(bǔ)風(fēng)的PM2.5 濃度分布圖（Z=1.5 m）

圖10 是關(guān)閉窗戶，僅依靠回型風(fēng)幕補(bǔ)風(fēng)的PM2.5的濃度分布圖，結(jié)合（a）、（b）可以看出，通過在燃?xì)庠钪車鲈O(shè)補(bǔ)風(fēng)口，形成了垂直灶臺(tái)向上的風(fēng)幕，有效的阻止了右灶鍋口產(chǎn)生的PM2.5 顆粒的向外擴(kuò)散，PM2.5 顆粒被直接排放到抽油煙機(jī)管道外，極大的降低了PM2.5 的濃度。

圖10 回型風(fēng)幕補(bǔ)風(fēng)的PM2.5 濃度分布圖（Z=1.5 m）

4 結(jié)語(yǔ)與展望

我國(guó)PM2.5 標(biāo)準(zhǔn)值為0.075 mg/m3即為達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)[10]，而做糖醋排骨時(shí)，所釋放的PM2.5 的濃度峰值可達(dá)到3.74 mg/m3，遠(yuǎn)大于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)近50 倍。經(jīng)過對(duì)夏季兩種不同補(bǔ)風(fēng)方式下廚房?jī)?nèi)PM2.5 的分布特性研究，發(fā)現(xiàn)在沈陽(yáng)地區(qū)僅依靠窗戶進(jìn)行自然補(bǔ)風(fēng)達(dá)不到排除廚房?jī)?nèi)PM2.5 的目的。而在灶臺(tái)設(shè)置回型補(bǔ)風(fēng)口時(shí)，可以很大程度上改善PM2.5 的擴(kuò)散現(xiàn)象，有效的排除PM2.5 顆粒，降低PM2.5 的濃度。而且從節(jié)約資源的角度出發(fā)，當(dāng)室外空氣被抽油煙機(jī)直接吸引至灶臺(tái)四周時(shí)，有助于燃燒的充分進(jìn)行，減少能源的浪費(fèi)，還可以減少因天然氣不完全燃燒而帶來的危害。

本文主要針對(duì)的是夏季普通居民住宅在燃?xì)庠钏闹茉鲈O(shè)風(fēng)幕式補(bǔ)風(fēng)與通過窗戶自然補(bǔ)風(fēng)這兩種補(bǔ)風(fēng)方式下，廚房?jī)?nèi)PM2.5 的分布特性研究。以后還可以在以下方面進(jìn)行研究：

1）考慮人體的呼吸作用對(duì)模擬研究產(chǎn)生的影響。

2）對(duì)廚房PM2.5 顆粒在回型風(fēng)幕補(bǔ)風(fēng)下進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)過程模擬研究。