吸油烟机在高管道阻力下的性能模拟研究

黄朴 刘伟龙 肖林辉 乌胜斌

广东中山百得厨卫有限公司 广东中山 528478

1 引言

现代社会，中国人民的烹饪手法及烹饪菜式越来越具有多样性，相比于欧美国家，中国对低噪声、强吸力、高效率的吸油烟机有着更强的需求。从现阶段的研究成果来看，众多学者利用流体仿真软件对吸油烟机风量、静压、噪声及吸烟效果进行了模拟，为其优化提供了理论支持并极大地缩短了研发周期。在不考虑吸油烟机所受的管道阻力情况下，各工程师结合仿真技术通过优化风轮、风柜、箱体结构，均能很好的降低吸油烟机噪声，并且能对吸烟效果进行很好的预测[1-4]。然而吸油烟机在实际工作情况下由于受到弯折烟管及公共烟道的影响，往往会承受很大的管道阻力，这就给模拟仿真的准确性带来很大的影响，所以在高管道阻力下如何优化仿真模型和仿真方法，提高仿真准确性并指导实际的产品开发工作成为了不可避免的问题。

基于FLUENT稳态求解对吸油烟机进行仿真计算时，如果在出口处设为压力出口并直接施加压力，会导致求解无法收敛且计算结果有很大误差值。根据国标GB/T 17713-2011将风量测试的减压筒模型加入仿真模型中，通过不断调节减压筒出口面积来模拟各个高管道阻力的工况，对其气动性能、噪声及吸烟效果进行了模拟并与实际测试结果进行了对比，其中通过两种模拟方式结合使得气动性能模拟值与实测值在各个工况点误差值在7%左右，吸烟效果模拟与实测比较吻合，而由于FLUENT软件噪声模拟方法的局限性，噪声模拟值与实测值有较大差异，不过与管道阻力增加的变化趋势基本一致。

2 数值建模

将我司一款欧式烟机进行整机模型简化，得到仿真模型如图1所示。在处理模型出口域时，通常将烟机出口段进行延长以防止回流，对于模型进口域的处理，需将其压力进口边界做得足够远，网格数量划分也需要做得比较精细，以防止在高背压情况下容易在压力进口边界产生大的回流，从而导致计算无法收敛。传统模型如图1a）所示，在零管道阻力下传统模型得到的模拟数据较为准确，然而在高管道阻力的情况下，直接在出口处施加压力将会产生很大误差，计算无法收敛，所以传统模型将不再适用，需引用新的模型。根据国标GB/T 17713-2011吸油烟机测试装置，将模型出口域用减压筒模型处理，新模型如图1b）所示。减压筒参数图如图2所示，气流通过十字整流器、扩散段、调节器、减压段从出口D0排出，通过调节D0面积可以模拟各个高管道阻力的工况点，减压段分布四个均匀的静压取压孔，可以监测具体静压值，在减压筒出口处可以监测风量值。同时，根据国标GB/T 17713-2011吸油烟机风量计算方法，通过监测减压段的模拟静压值，再利用试验空气密度公式（1）和试验风量公式（2）也可以计算得到模拟风量值。测试环境温度取27.5℃，环境气压取101520 Pa，十字整流器直径d取176 mm，减压筒直径D取462 mm，孔板系数α由各工况点开孔直径D0与减压筒直径D的比值所决定（据国标可查）。

图1 仿真模型

图2 减压筒参数图

式（1）中：

ρa-试验条件下的空气密度（kg/m3）；

θa-环境温度（℃）；

Pba-环境气压（Pa）。

式（2）中：

qv-试验工况下的风量（m3/s）；

α-孔板系数；

D0-孔板开孔尺寸（m）；

Ps6-减压筒内静压（Pa）。

3 数值分析及试验验证

基于FLUENT，采用SSTk-ω湍流模型结合SIMPLEC速度-压力算法稳态求解吸油烟机内部流场，离散格式采用二阶迎风格式，旋转域采用MRF多重参考系，动域与静域的交界面采用interface，进出口均采用压力边界条件[5,6]。噪声的模拟计算可采用经典FW-H声学方程，在得到稳态流场后，利用Smagorinsky-Lilly LES湍流模型结合PISO速度-压力算法瞬态求解吸油烟机远处噪声场，动静域之间的耦合采用滑移网格Mesh Motion，时间步长设为0.005 s，每个时间步计算40迭代步，最后通过傅里叶变换得到噪声的频域解[4]。吸烟效果的模拟需打开Species Transport组分运输模型进行计算，材料选择与油烟组分相似的fuel-oil-air气体，其中将C19H30质量分数设为0.05，锅底设为速度入口，油烟上浮速度取0.05 m/s，温度取160℃[7]。

3.1 气动性能分析

吸油烟机采用恒扭矩交流电机，所以随着管道阻力的增大其旋转速度也会越来越快，在模拟过程中不同的工况点对应不同的转速，其转速和气动性能关系如表1所示。利用F-401-025风量测量试验装置对外排式吸油烟机进行风量和静压的实际测试，并与风量静压模拟值进行对比，得出吸油烟机风量静压曲线（P-Q曲线）如图3所示。从图3中可以看出，模拟值和实测值虽然有一定误差，但其变化趋势是一致的，吸油烟机在低管道阻力0～150 Pa下，其风量的模拟监测数据与实测数据很接近，误差值在3%以内，其风量的模拟计算数据与实测数据有较大误差，误差值达到了20%，而静压模拟值比实测值偏小了13 Pa左右。吸油烟机在高管道阻力150～400 Pa下，风量模拟监测值与实测值的误差值随着背压增加而加大，达到15%，而风量的模拟计算数据与实测数据很吻合，误差值在7%以内，而静压模拟值与实际值误差有所减少，基本保持在10%左右。当风量为0 m3•min-1，此时处于全堵状态即模拟时没有出口设置，此时计算仍能收敛并仍能较好的模拟出最大静压值，并与实测数据误差值为8%，表明此模型对气动性能模拟的通用性很高。综上所述，在低管道阻力下监测减压筒出口风量值，在高管道阻力下监测减压筒静压值而计算出风量值，通过两种模拟方法的结合对吸油烟机气动性能具有很好的可预测性。

图3 P-Q曲线

表1 转速和气动性能表

3.2 噪声场分析

基于FW-H声学方程对吸油烟机在不同管道阻力33 Pa、209 Pa、295 Pa下进行了远场声场的模拟计算，设置噪声监测点A坐标为（0，-1，1）。同理，利用AWA6290L多通道信号分析仪在半消声室内对吸油烟机进行了实际的噪声测量，得到噪声频谱对比图如图4所示。从图4中可以看出在低管道阻力33 Pa下，叶片倍频噪声和气流涡流噪声的模拟值和实测值有较好的匹配度，叶片的倍频噪声出现在660 Hz左右，与由转速、叶片数量实际计算出来的基频一致。随着管道阻力增加，模拟噪声频谱会出现很大的波动，与实际噪声频谱有较大的差异，叶片的倍频噪声出现的并不明显，此时气流的涡流噪声占主导地位。

图4 噪声频谱对比图

对于连续的噪声频谱信号，要求出每一频率成分的幅值是不必要的，可以把某一范围的频率划分成若干小的频率段，求出声信号在各频率段的中心频率的幅值即可，当频率段的下限频率和上限频率的比值为确定的比值2n，则称为n倍频程[8]，噪声的倍频程图如图5所示。从图5中可以比较清晰的看到，低管道阻力下，模拟数据与实测数据虽有一定的误差，但是基本趋势保持一致，随着管道阻力的增加，在低频区0～500 Hz之间，模拟数据声压会有一个比较大的下降，在中频区500～1000 Hz声压上升，最后在高频区1000～2000 Hz声压保持平稳，与实测数据有较好的匹配度。将模拟噪声值与实际的噪声值进行对比，得到噪声对比图如图6所示，从图6中可以看出各管道阻力下模拟噪声值均小于实际测试值，误差保持在10%左右。由于目前旋转风机噪声计算的准确度对于整个行业来说都是一个比较难解决的问题，所以对于噪声的计算，我们通常会根据模拟值的变化趋势去预测实测值的变化趋势。随着管道阻力的增加，模拟噪声的上升趋势与实测噪声的上升趋势基本一致，从侧面反映了噪声模拟方法的正确性。

图5 噪声的倍频程频谱

图6 噪声数值图

3.3 吸烟效果分析

基于组分运输方程Species Transport对吸油烟机在不同管道阻力33 Pa、209 Pa、295 Pa下进行吸烟效果的模拟分析，吸烟效果仿真模型如图7所示，窗户设为压力进口，作为房间的进气来源，通过观察C19H30质量分数来分析吸烟效果。C19H30质量分数云图如图8所示，从图8中可以看出在33 Pa、209 Pa、295 Pa管道阻力下均能保证较好的吸烟效果，随着管道阻力的增加，吸油烟机吸力减弱，C19H30有扩散的趋势，但仍能保持在集烟罩的拢烟区内，对应表1可知，当吸油烟机风量保持在10 m3•min-1以上时便能保持良好的吸烟效果。在更高管道阻力（361 Pa）进行吸烟效果模拟时会发现FLUENT软件出现浮动精度报错，此时基于此模型的稳态算法已无法对烟机内部混乱流场进行计算，当管道阻力达到一定值时，此模拟方法及模型也具有一定的局限性。对吸油烟机在不同管道阻力下的吸烟效果进行了实际的测试，吸烟效果测试图如图9所示，从图9中可以看出，随着管道阻力的增加，吸烟效果会逐渐的减弱，在高管道阻力下油烟会稍有发散的趋势，与模拟结果相匹配，试验证明此吸烟效果模拟方法对实际吸烟效果的预测有一定的可靠性。

图7 吸烟效果仿真模型

图8 C19H30质量分数云图

图9 吸烟效果测试图

4 结论

通过在仿真模型出口域增加减压筒模型，解决了基于FLUENT稳态算法在高管道阻力下仿真无法收敛且误差较大的问题，得到结论如下：

（1）在低管道阻力下监测出口风量，在高管道阻力下利用减压筒模型计算公式算出风量值，两种方法相结合对吸油烟机气动性能的预测有较好的准确性，误差在7%以内。

（2）基于大涡模拟结合FW-H噪声场算法对于吸油烟机在高管道阻力下的噪声变化趋势预测有比较好的准确性，由于行业内旋转风机噪声模拟方法的局限性，噪声模拟值与实测值误差在10%左右。

（3）基于组分运输方程对吸油烟机的吸烟效果的模拟有较好的准确性，在高管道阻力下，只要保证风量在10 m3•min-1以上便能取得良好的吸烟效果，当管道阻力超过361 Pa时，吸烟效果的计算已无法收敛，表明此模拟方法具有一定局限性。