船舶厨房通风系统气流数值模拟研究范文

摘要:利用Airpak软件对典型船舶厨房区域的气流组织情况进行模拟计算，得到额定风量和低档风量两种工况下的速度场、空气龄场和气流流线。计算结果表明，在额定风量下油烟可以被迅速排出，在低风量工况下含油烟的气体有进入临近舱室的可能，需要进一步优化。

关键词:船舶厨房;数值模拟;气流组织

中式厨房烹饪产生的高温油烟和蒸汽往往不能及时排除，导致厨房空气品质和舒适性较差，影响厨房内工作人员的工作效率和身体健康［1］。相比陆上建筑厨房，船舶厨房空间更为狭小和封闭，无法通过自然进排风来解决通风换气问题，进排风与烟气控制设计具有更大的难度，因此，厨房通风在船舶空调通风系统设计时应重点关注［2］。基于计算流体动力学(CFD)的气流组织仿真是空调通风设计时常用的优化设计手段［3-6］。CFD方法目前被应用于对陆上厨房空气分布情况进行模拟和预测［7-9］，得到房间内速度、温度、湿度以及有害物质量浓度等物理量的详细分布情况。大型船舶的厨房包含舱室种类众多、送风量大、通风系统设计复杂，目前的相关研究主要都集中在集气罩本身的性能［10-13］，对船舶厨房整体气流组织情况进行模拟的研究尚不多见。为改善船舶厨房空气品质，提高厨房烟气控制效果，创造适宜的膳食加工环境，利用Airpak软件对船舶典型厨房区域空调通风系统气流组织数值模拟研究，为厨房区域的气流组织设计提供参考。

1典型厨房区域计算模型

1．1设计参数厨房通风采用厨房专用空调装置对厨房送风进行集中处理。厨房用空调装置采用全新风设计;在厨房炉灶等可能产生油烟、水汽的设备上方，需设置集气罩;餐厅送风通过厨房负压排出，厨房区域四周餐厅的风会通过舱壁上布置的通风格栅进入厨房区域，餐厅空调风可起到维持厨房负压，辅助厨房冷却的作用。选取的典型船舶厨房区域空调通风设备布置见图1。该区域长16m、宽15m，由5个舱室组成。舱室1和舱室4为处理间;舱室2和舱室3是厨房灶台的布置区域;也是油烟产生的区域，舱室5的操作过程中会产生水蒸汽，需要在上方布置蒸汽集气罩及时排除蒸汽。厨房通风的主要末端装置包括油烟收集净化装置、集气罩、球形布风器3种:对舱室2、3、4、5的主要操作部位采用23个额定风量为300m3/s球形布风器送空调冷风措施以改善工作环境，舱室2和舱室3的炉灶上方布置有6台油烟净化装置集气罩，其中5台的额定风量为4000m3/s，其余1台的额定风量为2000m3/s，总额定排风量为22000m3/s;舱室5布置有5台蒸汽集气罩，每台集气罩风量为800m3/s。油烟净化集气罩具有两档风量切换控制的功能，其低档风量是额定风量下的一半，烹饪工况下按额定风量运行，非烹饪工况下按低风量档运行。由于油烟净化集气罩风量对厨房气流中组织影响较大，需对额定和低档风量时的气流组织情况分别进行讨论。

1．2计算模型Airpak是专门用于模拟室内气流组织的CFD软件，目前在暖通工程和科学研究领域广泛应用。其湍流模型采用的是零方程模型，基本思想是将湍流黏度归结为当地平均速度和长度的函数，而与湍流的特性参数无关。该模型应用十分方便，计算量较双方程模型小很多［14］。根据图1中厨房设备和厨房空调通风系统送排风口布置情况，在Airpak中建立三维计算模型。将5个舱室组成的16m×15m的矩形厨房区域作为计算区域。以结构化网格对空间进行划分，对出风口、布风器、集气罩等气流变化较为剧烈的地方进行加密处理，计算区域总网格数约为46万。见图2。

2计算结果

2．1集气罩额定风量下的计算结果舱室2和舱室3有一面舱壁与餐厅相邻，舱壁分别布置有3个通风格栅，使餐厅的回风通过通风格栅直接进入厨房区域。集气罩额定风量下厨房不同水平截面处(离地高度1．5、2．2m)的速度分布情况见图3。结果显示，舱室2和舱室3的气流扰动十分剧烈，大量空气从上侧舱壁的空气格栅开口处涌入这2个厨房舱室，图3b)显示风口附近的最大风速达到了4．32m/s。这是由于油烟净化装置集气罩对风量的需求很大，舱室2的4台集气罩的额定排风量达到14000m3/s，舱室3的2台集气罩的额定排风量达到8000m3/s，较大的排风量使舱室2和舱室3形成了局部负压，舱室2的平均压力为－13．1Pa，舱室3的平均压力为－12．6Pa。图3额定风量下的速度分布空气龄是舱室内某点处空气在房间内已经滞留的时间，反映了室内空气的新鲜程度，可以综合衡量舱室的通风换气效果，是评价舱内空气品质的重要指标。集气罩额定风量下厨房不同截面处(离地高度1．5、2．2m)的空气龄分布情况见图4。由于舱室2和舱室3的气流扰动强烈，空气新鲜度高，空气龄较小，基本在60s以内，说明烹饪时下方灶台产生的油烟能够被集气罩迅速排出，不会在厨房内停留太长时间。空气龄较大的区域出现在舱室3的左下角和舱室4的右下角，其中最大空气龄255s出现在舱室4的区域，说明舱室4部分区域的气流组织需要进一步优化。

2．2集气罩低档风量下的计算结果油烟净化装置集气罩在低档风量下的排风量降低到额定风量的一半，即舱室2的4台集气罩的排风量降到7000m3/s，舱室3的2台集气罩的排风量降到4000m3/s。集气罩低档风量下厨房不同截面处(离地高度1．5、2．2m)的速度分布情况见图5。结果与图3类似，舱室2和舱室3的气流扰动相对其他舱室更为剧烈，大量空气从上侧舱壁的空气格栅开口处涌入这两个厨房舱室，图5b)显示风口附近的最大风速从图3b)中的4．32m/s减小为2．07m/s。这是由于集气罩排风量的减小使得舱室2和舱室3的负压值也减小，舱室2的平均压力降为－2．2Pa，舱室3的平均压力降为－3．1Pa。集气罩低档风量下厨房不同截面处(离地高度1．5，2．2m)的空气龄分布情况见图6。排风量的降低使所有区域的空气龄都有所增加，与图4中的结果类似，舱室2和舱室3空气新鲜度高，空气龄较小，与图4中结果不同的是空气龄较大的区域出现在舱室1，舱室1的大部分区域空气龄略大，空气组织情况不佳，主要是因为舱室2的风量需求显著减少，使通过舱室1和舱室2之间舱壁的通风格栅进入舱室2的风量减少，导致舱室1气体扰动不足，空气在该舱室滞留时间增大。图6低档风量下的空气龄分布

2．3两种工况下的气流流线图7给出了额定风量下的气流流线情况。图7a)中额定工况下舱室2和舱室3的压力最低，气流会通过舱壁格栅从其他舱室汇入集气罩。从图7b)给出的低档风量下的气流流线发现，舱室3中有部分气体通过通风格栅进入舱室5，可能会导致灶台的油烟进入其他舱室内，并有可能被吸入而污染蒸汽集气罩。这种情况应该避免，因此，建议取消舱室3和舱室5之间的通风格栅，同时在舱室5的左侧舱壁上增加通风格栅，以保证换气量。

3结论

采用流体计算仿真软件Airpak对额定风量和低档风量2种工况下典型厨房区域的气流组织情况进行仿真计算和分析，计算得到速度场、空气龄场。计算结果表明，在额定风量下油烟净化装置集气罩所在的厨房舱室气流扰动强烈，空气龄较低，油烟可以被迅速排出厨房区域;在低风量工况下，含油烟的气体有可能通过舱壁的通风格栅进入临近舱室，所以格栅的位置还需要进一步优化。

参考文献

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作者：余楠 单位：中国舰船研究设计中心