王淼 張育瑞

江蘇龍騰工程設計股份有限公司 江蘇 南京 210000

引言

廚房作為住宅建筑的重要組成部分之一，也是各種生活設備相對比較集中、污染物散發(fā)相對比較嚴重的區(qū)域。尤其在烹飪的過程中會產生大量的有害氣體，比如NOx、CO和CO2等，以上這些有害氣體嚴重影響了廚房內部的清潔衛(wèi)生和室內空氣品質[1]；一旦廚房發(fā)生煤氣的泄漏， 很容易發(fā)生比較嚴重的安全事故。因此，我們必須采用合理氣流組織及足夠的通風換氣量來保證廚房的衛(wèi)生條件，使之既能有效地排放有害氣體，同時又能減少室內冷（熱）負荷。相關文獻[2]從室內空氣污染對室內人員的危害程度、廚房污染物的成分以及對人體健康的危害程度、不同通風系統(tǒng)的優(yōu)缺點、機械通風下廚房及衛(wèi)生間的氣流組織情況、不同風量下的廚房區(qū)域油煙濃度場等方面進行了研究。本文通過CFD-fluent 6.2數(shù)值模擬軟件對窗口與油煙機不同距離廚房污染物分布進行CFD模擬分析，并與實測污染物濃度進行對比。

1 實測廚房尺寸及相關數(shù)據(jù)

1.1 結構模型

廚房的布局為規(guī)則的方形結構。廚房長3.4m，寬2.1m，高2.4m。廚房內設有門、窗及常用的廚具設備。廚房內部的主要污染源在灶臺處，灶臺處的油煙主要依靠油煙機抽吸排至煙道。假設廚房門為關閉狀態(tài)，模擬軟件中將門設置為Wall，在油煙機機械排風的條件下，設定窗為打開狀態(tài)。灶臺正上方抽油煙機完成負壓排風。操作人員簡化為1.6m×0.25m×0.25m的長方體模型，設定灶臺高度為0.8m，設定油煙機的安裝高度為1.6m，排風口設定為0.3m×0.3m。

1.2 數(shù)學模型

模擬的數(shù)學模型作如下處理：

1.2.1 廚房的內部四周墻壁定義為絕熱壁。

1.2.2 廚房的通風設為定常流；符合Boussinesq假設（考慮浮升的影響）。

1.2.3 廚房內產生的污染物的主要成分是一氧化碳和二氧化碳，且氣體具有一定的溫度，所以我們采用組分傳輸來進行模擬分析。

1.2.4 本文采用有限元法的數(shù)值模擬方法，利用SIMPLE算法對方程進行離散求解，運用T-Gird四面體非結構化網格，并在重要區(qū)域進行局部加密處理，可以提高計算精度。

根據(jù)流體力學相關理論，其數(shù)學模型[3]可以描述為如下：

連續(xù)方程：

運動方程：

其中應力張量為：

能量方程：

擴散方程：

其中，iu為流體在ix方向上的速度分量，ρ為流體密度，h為靜態(tài)焓，μ為流體的動力黏性度，k為分子導熱率，iJ為由于濃度梯度引起的組分i的平均濃度。

1.3 邊界條件

其中進口條件為：設定直徑為250mm的燃氣灶（雙眼）為速度入口，速度假定為0.5m/s，溫度設定313K，設定一氧化碳的組分含量為0.5%，設定二氧化碳的組分含量為9%，設定污染源在排風口正下方，距離油煙機的排風口為0.7m。

出口條件設定：設定為排風扇的出口條件；

廚房的窗戶設定為壓力入口；

壁面條件設定：壁面的條件采用無滑移的條件。

2 數(shù)值計算及結果分析

本文實測的廚房模型抽油煙機與窗口的距離為1.9m，為了研究抽油煙機與窗口距離對廚房內有害物分布的影響，本文對抽油煙機與窗口距離分別為1.5m、1.7m、1.9m、2.1m和2.3m分別進行模擬分析。

圖1~圖5表示窗口與抽油煙機不同距離時在人體呼吸區(qū)Z=1.5m處有害物的濃度變化趨勢；圖6為窗口與抽油煙機不同距離時實測有害物摩爾濃度的變化趨勢。

圖1 窗口與抽油煙機距離1.5m

圖2 窗口與抽油煙機距離1.7m

圖3 窗口與抽油煙機距離1.9m

圖4 窗口與抽油煙機距離2.1m

圖5 窗口與抽油煙機距離2.3m

圖6 窗口與抽油煙機距離不同距離時污染物摩爾濃度

由圖6可知：

當窗口與抽油煙機的距離為1.9m時，人員呼吸區(qū)的實測數(shù)據(jù)為：Z=1.5m處的有害物摩爾濃度為4.21E-05 mol/L。對于窗口與抽油煙機的距離為1.9m的實測模型進行模擬計算，由圖4可以得出Z=1.5m處有害物濃度為4.11E-05 mol/L。通過模擬計算可知Z=1.5m時模擬計算值與實測值僅相差3.23%，由此可證明模擬計算的結果與實際是吻合的。

由圖1-圖5窗口與抽油煙機不同距離的濃度場分布截面分析可得，當窗口與抽油煙機距離為1.5m時，在Z=1.5m有害物摩爾濃度為8.00E-05 mol/L，超過規(guī)范要求48.8%。當窗口與抽油煙機距離為1.7m時，在Z=1.5m有害物摩爾濃度為5.50E-05 mol/L，超過規(guī)范要求25.5%。當窗口與抽油煙機距離為1.9m時，在Z=1.5m有害物摩爾濃度為4.0E-05 mol/L，符合規(guī)范要求。當窗口與抽油煙機距離為2.1m時，在Z=1.5m有害物摩爾濃度為5.0E-05 mol/L，超過規(guī)范要求18%。當窗口與抽油煙機距離為2.3m時，在Z=1.5m有害物摩爾濃度為6.5E-05 mol/L，超過規(guī)范要求36.9%。

3 結束語

通過模擬與實測數(shù)據(jù)對比，結果表明窗口與抽油煙機的距離對廚房內有害物分布有一定的影響，由圖6可知，當廚房的窗口與抽油煙機距離為1.8～2.0m時，有利于廚房有害氣體的排放，人體呼吸區(qū)的有害物的濃度能滿足規(guī)范的要求。

在一定范圍內，廚房的窗口與抽油煙機距離增加是有利于廚房有害氣體的排放，當廚房的窗口與抽油煙機距離增加到一定距離后繼續(xù)增加窗口與抽油煙機的距離，不利于廚房有害氣體的排放。

由于條件受限，本文僅僅針對0.8m時的窗臺高度進行實測數(shù)據(jù)與模擬計算的對比分析。因此，部分實測及模擬數(shù)據(jù)有待進一步的驗證，以確保廚房的有害物濃度能滿足規(guī)范及人員健康的要求。