李慧星，王元博，馮國會，劉欣怡

(沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168)

烹飪過程會向室內(nèi)空間排放大量的有害物質(zhì)。燃料燃燒散發(fā)出有害氣體和顆粒物，油和食物加熱過程產(chǎn)生油煙[1-2]。中餐獨有的煎、炒、烹、炸等方式所散發(fā)的有害氣體和顆粒物更為嚴重。烹飪過程中會產(chǎn)生溫度較高的熱羽流，迫使大量顆粒物集中在烹飪?nèi)藛T呼吸區(qū)域并被吸入，對人體呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)產(chǎn)生不利的影響[3-6]。計算流體力學(xué)(CFD)是一種獲取室內(nèi)環(huán)境詳細信息的經(jīng)濟有效的方法。一些研究通過烹飪源釋放條件來預(yù)測顆粒物的空間分布[7-8]。數(shù)值模擬預(yù)測烹飪顆粒物的濃度對評估室內(nèi)空氣品質(zhì)有非常大的幫助。但是很少有研究單個烹飪顆粒物的擴散機制，即空氣分布如何影響顆粒物擴散，缺乏對特定烹飪過程中顆粒物動力學(xué)機制的理解和量化。沉積是空氣中顆粒物的重要空氣動力學(xué)特征之一。一方面沉積會減少室內(nèi)懸浮顆粒物的數(shù)量；另一方面沉積量過高會增加室內(nèi)污染，形成非常難看的污垢。筆者通過計算流體動力學(xué)的方法，預(yù)測烹飪過程產(chǎn)生的顆粒物在住宅廚房中的分布，并基于滑移通量模型和半經(jīng)驗沉積模型，量化顆粒物的運動特性。通過模擬廚房中的門窗不同開閉情況，分析不同空氣分布下烹飪顆粒物的擴散機理。

1 數(shù)值模擬分析

1.1 廚房模型

住宅廚房采用的布局形式為一字型。廚房長寬高分別為3 m×1.8 m×2.4 m。烹飪?nèi)藛T簡化為長方體多塊模型，人員站在距離灶臺0.10 m處[9]。采用八叉樹法(Octree)劃分非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對窗、門、燃氣灶和排氣口局部加密，以增加計算的精確度。

1.2 模擬工況

模擬不同通風模式下的9種工況如表1所示。吸油煙機的排氣量是控制廚房污染物的關(guān)鍵，選取304.3 m3/h、518.4 m3/h和777.6 m3/h排氣量進行分析[10]。實際廚房中的擾流通常來源于人員移動、開著的門或窗等[11]。采用3種不同的門窗開啟條件，以提供不同的空氣分配策略。在廚房中選取一些平面和截面交線顯示整個空間的流動特性和顆粒物特征，線位置劃分如圖1所示。

表1 模擬工況設(shè)定

圖1 廚房線位置劃分示意圖

1.3 邊界條件

設(shè)置廚房邊界條件類型和數(shù)值。將污染物/熱源邊界的入口速度設(shè)置為0.1 m/s[12]。通過用戶自定義標量標準化烹飪源處的初始濃度，以評估廚房顆粒物濃度分布。通風量分別為304.3 m3/h、518.4 m3/h和777.6 m3/h的吸油煙機排氣口被定義為0.7 m/s、1.2 m/s和1.8 m/s的速度入口。將門或窗戶設(shè)定為壓力入口條件來實現(xiàn)不同的擾流條件，提供不同的室內(nèi)氣流模式。在當前的工作中，采用簡化的烹飪過程，將其定義為油預(yù)熱階段。這個過程是一些傳統(tǒng)的中高溫中式烹飪的典型預(yù)熱階段。因此將烹飪過程合理地簡化為油加熱過程，油溫設(shè)置為210 ℃。并根據(jù)個體的顯熱量50 W，將人員體表定義為熱通量為27.7 W/m2的壁面邊界。模擬中假設(shè)廚房幾乎不透氣，廚房圍護結(jié)構(gòu)定義為傳熱系數(shù)1.5 W/(m2·K)，溫度295 K的壁面。邊界條件中湍流規(guī)范方法設(shè)置為湍流強度和水力直徑。

2 數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 氣流模型

通過ANSYS Fluent軟件，基于有限體積法將整個廚房作為計算域進行數(shù)值模擬。在湍流兩方程模型中，相比于標準模型和可實現(xiàn)模型，重整化群(RNG)模型被認為可以在仿真和實驗測量之間獲得更好的一致性[13]。因此采用RNG模型和標準壁面函數(shù)求解廚房三維氣流場。在典型的室內(nèi)環(huán)境中，顆粒物的體積分數(shù)約為10-10，遵循單向耦合假設(shè)，利用SIMPLE算法來耦合壓力場和速度場[14]。

2.2 顆粒物傳輸模型

通過用戶自定義函數(shù)將滑移通量模型嵌入到FLUENT中運行，來模擬室內(nèi)顆粒物分布。滑移通量模型是一種歐拉方法，其控制方程與Navier-Stokes方程相似，不同之處在于它將顆粒物的重力沉降效應(yīng)整合到對流項中。目前滑移通量模型已廣泛應(yīng)用在室內(nèi)環(huán)境領(lǐng)域，驗證模型的適用性和準確性[15]。然而，僅考慮重力沉降和擴散的滑移通量模型可能無法完整描述烹飪顆粒物的相間機理。因此，采用改進的滑移通量模型，該模型已經(jīng)通過實驗驗證并考慮引起顆粒物滑移的所有機制[16]。

(1)

式中:Vj和Vslip,j分別為空氣流速和顆粒物滑移速度；C為顆粒物濃度；εp為顆粒物的渦流擴散系數(shù)；Sc為源項。

采用半經(jīng)驗沉積模型來獲得顆粒物沉積通量[17]。該模型基于通過壁面附近的濃度邊界層的粒子通量，通量的表達式可以用菲克定律表示，其中擴散系數(shù)由布朗擴散系數(shù)和湍流擴散率之和為

(2)

式中：D為布朗擴散系數(shù)；vs為顆粒物沉降速度；i值的大小取決于壁面的朝向。

3 模擬結(jié)果分析

圖2為9種工況的住宅廚房空氣流速輪廓圖。從圖中可以看出，烹飪過程會導(dǎo)致在爐具處產(chǎn)生較大的溫度梯度，形成強烈上升的熱羽流。吸油煙機排氣口處會產(chǎn)生不斷擴大的負壓區(qū)，使得廚房內(nèi)部的空氣向烹飪區(qū)流動。在開門的工況下，補充空氣主要從門的下半部分進入廚房。這部分空氣在進入烹飪區(qū)域后，在熱羽流和吸油煙機周圍氣流的浮力作用下向上流動。而開窗時，部分流入的空氣與烹飪區(qū)氣流直接混合，部分空氣補充下半部被吸油煙機排出的空氣。

圖2 工況1-工況9住宅廚房空氣流速輪廓圖

4 油煙顆粒物分布

4.1 顆粒物擴散機理

圖3為各因素引起滑移通量的平均影響階數(shù)。由湍流引起的顆粒波動導(dǎo)致動量傳輸?shù)幕仆繛镾M；由對顆粒物的熱泳力引起的滑移通量為FTH；由重力引起的滑移通量為G；由顆粒相每單位體積的動量變化率引起的滑移通量為D。從圖3可以看出，顆粒物在住宅廚房熱環(huán)境運動時受力的量階大小有很大的差異。對不同粒徑的顆粒物，F(xiàn)TH的平均階數(shù)約為10-14，量階太小而無法顯著影響空間內(nèi)顆粒物的運動。通過對住宅廚房氣流場的分析能夠發(fā)現(xiàn)，除烹飪熱源周圍的區(qū)域外，廚房各平面平均氣溫相差不大，導(dǎo)致遠離熱源處的溫度梯度太小，使得熱泳力對顆粒物在室內(nèi)的傳輸過程影響很小。由重力引起的滑移通量階數(shù)大小與顆粒物的直徑直接相關(guān)，隨著粒徑的減小，G的量階也變小。PM2.5下G的平均階數(shù)大小約為10-4，而PM0.1下G的平均階數(shù)大小約為10-7，表明了重力對細顆粒物和超細顆粒物影響的顯著不同。相比于熱泳力的影響，顆粒相每單位體積的動量變化率引起的滑移通量的階數(shù)明顯更大，PM2.5的平均階數(shù)約為10-5，并且對比不同粒徑發(fā)現(xiàn)，D與G的平均階數(shù)相差不大。由湍流引起的滑移通量的階數(shù)在不同粒徑下都很大，PM2.5的SM平均階數(shù)約是D和G的350倍，表明湍流的影響對顆粒物在住宅廚房中的擴散起主導(dǎo)作用。

圖3 各因素引起滑移通量的平均影響階數(shù)

4.2 油煙細顆粒物分布

圖4為PM2.5在各線上的濃度分布。

圖4 工況1-9沿線PM2.5分布

從圖4可以看出，不同氣流場下顆粒物的空間分布有很大的差異。除線4外，線1到線6上的顆粒物分布表明在靠近天花板位置的無量綱顆粒物濃度C*較高，而靠近地板的位置處顆粒物濃度都很小。比較不同排氣速度下的顆粒物濃度分布，排氣速度的增加導(dǎo)致各線上顆粒物濃度降低。這是因為在排氣速度較小的情況下，從窗戶或門流入的空氣會破壞熱源上方的熱羽流并削弱吸油煙機對顆粒物的控制作用，造成空氣向外逃逸。由于氣流在顆粒物的擴散運動中起主導(dǎo)作用，逃逸的空氣會夾帶著顆粒物在廚房中形成循環(huán)流，使得顆粒物擴散到周圍。在熱浮力的作用下空氣向上流動，造成天花板位置濃度較高。隨著排氣速度的增加，吸油煙機容納氣流的能力增強，外部空氣對熱羽流的影響急劇下降，大部分的顆粒物隨氣流從排氣口排出，少部分顆粒物隨逸出氣流擴散到周圍環(huán)境。

4.3 顆粒物對壁面沉積分析

圖5為PM2.5在各壁面的沉積。圖5(a)為不同通風模式下PM2.5對廚房各壁面的沉積速度，其中Vdd、Vdu、Vdf和Vdb分別代表對天花板、地板、前壁面和后壁面的沉積速度。在不同工況下顆粒物對相同壁面的沉積速度幾乎沒有變化，近壁面附近的顆粒物濃度成為沉積通量的最大決定因素。沉積速度的大小取決于摩擦速度和重力沉降速度，而對于同一粒徑的顆粒物，重力沉降速度相同。摩擦速度定義為壁面切應(yīng)力與空氣密度之比的平方根，由近壁速度梯度決定。PM2.5對不同壁面的沉積速度差異很大，其中對地板的沉積速度Vdu總是最大的。這一差異能夠歸結(jié)于近壁面的湍流速度不同，既受住宅廚房特殊的通風模式影響。圖5(b)為不同通風模式下PM2.5對廚房各壁面的沉積通量。其中Jdd、Jdu、Jdf、Jdb分別代表對天花板，地板前壁面和后壁面的沉積通量。對比不同工況PM2.5對前壁面和地板的沉積通量總是很大。對地板的沉積量大能夠歸結(jié)于沉積速度處于較高的數(shù)值。與開窗和門窗都開的工況比較，僅開啟門時對地板的沉積量總是處于最大值，介于1.5×10-5～2×10-5。因為不同于開窗時流入的空氣與烹飪區(qū)氣流直接混合，開門時氣流會從廚房地板流向天花板。這種氣流形式起到了類似于置換通風的作用，導(dǎo)致地板近壁面速度梯度更大。前壁面的沉積通量大是因為距離烹飪源近，近壁面顆粒物濃度高。對相同壁面的沉積通量主要取決于顆粒物的濃度分布，而顆粒物分布與通風形式密切相關(guān)，說明通風形式也顯著影響烹飪顆粒物的沉積。

圖5 PM2.5在各壁面的沉積

5 結(jié) 論

(1)不同通風模式下廚房空間氣流特性相差很大，氣流分布主要集中在烹飪區(qū)。當排氣量較小時，從門窗流入的空氣會干擾熱羽流并削弱吸油煙機對顆粒物的控制作用。而增大排氣量能夠增強吸油煙機容納熱羽流能力，降低廚房空間顆粒物濃度。

(2)當粒徑在0.1～2.5 μm內(nèi)的顆粒物在廚房中擴散時，湍流的影響起主導(dǎo)作用。由于遠離熱源處的溫度梯度很小，使得熱泳力不會對顆粒物擴散產(chǎn)生重大影響。

(3)開門情況下，顆粒物對地板的沉積增多，沉積通量介于1.5×10-5～2×10-5。在不同工況下顆粒物對相同壁面的沉積速度幾乎沒有變化，而對不同壁面的沉積速度差異很大，差異可以歸結(jié)于近壁速度梯度不同。