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    ???????高層住宅廚房排氣系統靜壓分布的對比分析

    • 作者:
    • 中國暖通空調網
    • 發布時間:
    • 2019-12-09

    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??刂品匠倘缦拢?/p>

           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μt =ρCμk2/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=1.44,C=1.92,Cμ=0.99,σk=1.0,σε=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。
           版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。

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