龔    杰¹，裴清清¹，許    雷²

（ 1.廣州大學 ， 廣州市   510006 ；2.日本東北工業大學， 仙臺市   982-0000 ）

摘   要：為了研究等截面煙道和變壓煙道的靜壓分布規律，本文對兩種煙道分別進行了數值模擬。本文采用ICEM進行幾何建模和網格劃分，然后通過FLUENT進行數值模擬。結果表明：兩種煙道內的靜壓分布規律有所不同，如開機率為100%時，等截面煙道的平均靜壓比變壓煙道的平均靜壓高出20.33Pa。從靜壓分布角度看，變壓煙道優于等截面煙道。

關鍵詞：高層住宅；變壓煙道；壓力分布；數值模擬

0   引言

集中排氣系統是住宅廚房廣泛使用的排氣方式，目前，國內主要有四種類型排氣道，分別為子母型、變截面型、等截面型以及變壓型煙道。子母型煙道和變截面型煙道由于制作困難，在實際應用中并不常見。等截面型煙道由于制作非常簡單，得到了廣泛應用。變壓型煙道盡管制作存在一定難度，但是由于其獨特的優點，應用的也越來越多。圖1為以上四種煙道的簡圖。

圖1   四種煙道簡圖

高層住宅廚房集中排氣系統由多個動力源組成，每層廚房的實際排風量受多個因素的影響，如油煙機性能、開機率、煙道內的靜壓力分布等。而影響煙道內靜壓力分布的主要因素是煙道類型。鑒于此，本論文將通過對等截面煙道和變壓煙道的數值模擬，進一步研究兩種煙道內的靜壓力分布，為改善排氣不均、串氣串味提供解決策略。

1   幾何模型與網格劃分

住宅廚房集中排煙道幾何尺寸的選擇，一般需要根據相關圖集確定。本論文根據粵08J/T910（住宅變壓拔氣式三防排氣道）建立10層樓變壓煙道模型，煙道截面為380×380(mm)，層高取3m，支煙道為圓形截面，直徑為150mm，長1m。等截面煙道根據380×380(mm)變壓煙道建立，其余尺寸與變壓煙道相同。通過ICEM建模和網格劃分，采用六面體結構化網格，網格無關性經過檢驗。局部網格劃分如圖2。

圖2   局部網格

2   FLUENT計算求解

2.1   求解器和離散方法的確定

本論文不涉及傳熱和傳質，只考慮流體流動，屬于穩態過程。采用空氣代替煙氣進行數值模擬，空氣為不可壓縮氣體，所以選擇壓力基穩態求解器。梯度插值方法選擇Least-Squares Cell-Based，壓力插值方法選擇Linear。本次模擬存在壓力突變的區域，因此，對流項的插值方法選擇QUICK格式。

2.2   計算方程的確定^[1]

由于本論文為穩態不可壓縮流動，溫度和密度均為常數，所以計算模型選擇標準k-ε湍流模型，在近壁面區使用標準壁面函數進行處理。控制方程如下：

質量守恒方程：

動量守恒方程：

湍動能K方程：

湍動能耗散率ε方程：

其中，ρ和μ分別為空氣密度和空氣粘度；湍流引起的粘度系數μ_t =ρC_μk²/ε；ui和uj均為速度，i和j均為張量下標，取值均為1、2、3；k和ε分別為湍動能和湍動能耗散率；經驗常數取值為C_1ε=1.44，C_2ε=1.92，C_μ=0.99，σ_k=1.0，σ_ε=1.3。

2.3   邊界條件的設置

（1）入口邊界條件

支煙道入口設置為速度入口類型（velocity-inlet），設計風量為Q=300m³/h^[2]，支煙道直徑d=150mm，換算成速度為v=4.7m/s。油煙機不開啟時，設置為壁面邊界（wall）。

（2）出口邊界條件

屋頂出風口設置排風口類型（outlet-vent），煙道出口一般安裝無動力風帽，阻力系數取為ζ=1.5。

（3）壁面邊界條件

主、支煙道壁面均取無滑移壁面邊界，設置為壁面邊界（wall），壁面絕對粗糙度根據相關文獻取為k=1.5mm。

2.4   湍流參數的確定與計算

FLUENT出入口邊界提供了多種湍流參數的設置方法，對于管內流動一般選擇湍流強度和水力直徑。計算公式如下：

水力直徑：

雷諾數：

湍流強度：

2.5   模擬工況介紹

住宅排煙系統的開機率并不是一個確定的值，開機率的大小與樓層數以及本單元住宅內用戶的生活習慣有關。因此，本論文以40%、50%以及100%的開機率作為研究工況[2]。具體設置為：開機率為40%時，選擇1、4、7、10層樓油煙機開啟，其余關閉；開機率為50%時，選擇奇數樓層油煙機開啟，其余關閉；開機率100%時，所有油煙機均開啟。

3   模擬結果分析

3.1   開機率為100%時的模擬結果

對于等截面煙道，所有樓層支煙道出風口處靜壓值在一條相對光滑的曲線上，這條曲線隨樓層數增加而單調遞減，最大靜壓值出現在最底層，最小靜壓值在頂層，與熊健^[1]的研究一致。如果對這條曲線做一條切線的話，這條切線斜率的絕對值是逐漸增加的，也就是說，層數越高，靜壓變化得越快；對于變壓煙道，所有樓層支煙道出風口處的靜壓值也幾乎在一條相對光滑的曲線上，但是這條曲線呈駝峰狀，在第四層樓位置達到最大靜壓，而且1~5層靜壓變化相對較為緩慢，這是變壓煙道與等截面煙道的不同之處。另外，變壓煙道在6~10層樓靜壓變化相對較為快速，這與等截面煙道在這幾層樓的靜壓變化規律基本是一致的，這點從圖3很容易看出，因為兩條曲線幾乎平行。另外，在該開機率下，雖然變壓煙道整體的靜壓分布均低于等截面煙道，但是除了第十層樓外，其余樓層支煙道出口處的靜壓值均為正值，說明該變壓煙道并沒有起到預期的變壓作用。

圖3   開機率為100%時的壓力分布

3.2   開機率為50%時的模擬結果

開機率為50%時，對于等截面煙道，其整體靜壓分布隨樓層數增加呈曲折下降趨勢，如果單獨考察開機樓層（1、3、5、7、9層）支煙道出口處的靜壓值，其靜壓分布規律與其100%開機率時基本一致，這里不再重復闡述；對于未開機樓層（2、4、6層）支煙道出口處的靜壓值有明顯的突變，且均高于其相鄰開機樓層支煙道出口處的靜壓值，說明開機與不開機對于靜壓分布是有一定影響的。對于變壓煙道，其整體靜壓分布呈鋸齒狀波動變化，且幅度比較大；單獨考察變壓煙道的開機樓層靜壓變化規律，發現與其100%開機率的靜壓分布有一定相似之處，呈駝峰狀，但是較為平緩；對于變壓煙道的未開機樓層，其所有樓層的靜壓值均高于其他開機的樓層，變化趨勢與開機樓層的靜壓分布規律相似。這里必須提到的是，該開機率下，所有開機樓層以及頂層樓處的靜壓值均為負壓，說明在該開機率下，變壓煙道起到了一定的動靜壓轉化作用；另外，該開機率下，變壓煙道的最小靜壓出現在最底層開機樓層，這與其開機率為100%時最小靜壓出現在最頂層有所不同。

圖4   開機率為50%時的壓力分布

3.3   開機率為40%時的模擬結果

由圖5可以看出，40%開機率時，兩種煙道的靜壓分布規律與其各自50%開機率時基本一致，這里不再重復敘述。對于等截面煙道，相鄰的未開機樓層（2與3、5與6、8與9層）支煙道出口處靜壓基本相等，仔細分析發現流過這兩個斷面的流量相等，而且兩個斷面面積也相等，因此，可能的影響原因應該是通過兩個過流斷面的流量相等。對于變壓煙道，其相鄰樓層的靜壓值非常接近，這與等截面煙道相鄰未開機樓層靜壓分布有一定相似之處。對于變壓煙道，無論是開機樓層還是未開機樓層，靜壓值均為非正值，說明在該開機率下，變壓結構是能夠起到較好的動靜壓轉化作用的。

圖5   開機率為40%時的壓力分布

綜合上述的3種工況，從定量的角度分析，40%開機率時，等截面煙道的平均靜壓為5.05Pa比變壓煙道平均靜壓-3.87Pa高出8.92Pa；50%開機率時，等截面煙道的平均靜壓為8.51Pa比變壓煙道平均靜壓-1.67Pa高出10.18Pa；100%開機率時，等截面煙道的平均靜壓為37.75Pa比變壓煙道平均靜壓17.42Pa高出20.33Pa。開機率從50%增加到100%時，等截面煙道的平均靜壓漲幅為29.24Pa，變壓煙道的平均靜壓漲幅為19.09Pa，兩者靜壓漲幅都比較大，說明開機率對靜壓分布有較大的影響。另外，等截面煙道的平均靜壓漲幅比變壓煙道的平均靜壓漲幅高出10.15Pa，二者相差比較大，說明變壓煙道在一定程度上改善了煙道內的靜壓分布。

4   結論

（1）變壓煙道總體的靜壓力分布規律呈鋸齒狀；開機樓層的靜壓分布呈駝峰狀，最高靜壓出現在中間的開機樓層，最小靜壓在開機率較小時出現在底層，開機率較高時出現在頂層，這一點不同于等截面煙道；未開機樓層的靜壓分布也呈駝峰狀，靜壓值遠高于相鄰開機樓層的靜壓值。

（2）等截面煙道總體的靜壓分布呈下降趨勢，未開機樓層靜壓值會略高于相鄰樓層靜壓值。

（3）相同開機率下，變壓煙道的靜壓值明顯低于等截面煙道相應處靜壓值，說明變壓結構起到了動靜壓轉換的作用，是有利于解決串氣串味問題的。同時，變壓煙道內的靜壓力分布曲線為駝峰狀，較為平緩，說明變壓結構能夠起到緩解排氣不均現象的作用。

（4）在開機率為100%時，除頂層樓層外，變壓煙道內的靜壓值均為正值，說明變壓結構沒有達到預期的動靜壓轉換效果，有待后續研究者進一步研究和改進。

參考文獻

[1] 熊健. 高層住宅廚房集中排煙系統的特性及優化研究[D].重慶大學,2016.

[2] 廣東省建筑設計研究院.粵08J/T910（住宅變壓拔氣式三防排氣道）.

[3] 吳利,高軍,丁希暉. 高層住宅廚房排氣道數值模擬與對比分析[J]. 建筑熱能通風空調,2016,35(09):56-60+67.

[4] 樊越勝,邵治民. 住宅廚房變壓式排氣系統的數值模擬[J]. 建筑科學,2011,27(02):102-106. [2017-09-06].

注：本文收錄于《建筑環境與能源》2017年5月刊總第5期《2017全國通風技術年會論文集》中。
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