CN107797970A - 一种基于cfd的油烟机油烟捕集效率的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CFD的油烟机油烟捕集效率的确定方法，首先，对于油烟机内部面，分别输出每个边界面的颗粒停留时间与粒子占比分布直方图；其次，定义粒子为一次捕集颗粒或二次捕集颗粒；最后，分别统计并记录油烟机内部各个壁面的一次捕集颗粒数及二次捕集颗粒数；计算捕集效率。与现有技术相比，本发明在CFD数值模拟研究中，操作简便，更精确地模拟油烟颗粒物在室内的运动，更快速地得出一、二次油烟捕集效率，大大节省了计算耗时及计算内存空间，缩短研究周期。

Description

一种基于CFD的油烟机油烟捕集效率的确定方法

技术领域

本发明属于油烟机性能评价领域，是涉及一种基于CFD的油烟机油烟捕集效率的确定方法。

背景技术

随着人们生活水平的提高，人们对室内空气品质提出了更高的要求。厨房为室内主要空气污染来源之一。烹饪过程中，油脂和食物高温氧化分解产生大量有机气溶胶、油烟颗粒及CO2等废气，严重影响室内空气品质。吸油烟机可在油烟污染产生的同时及时将其抽吸排走，控制油烟的扩散，对保障操作人员的健康，改善厨房及室内环境的空气品质有重要作用，因此，有必要研发更加高效的油烟机，以创造健康清新的厨房环境，同时达到经济节能环保的目的。

与实验的研究方法相比，采用CFD数值模拟的研究方法具有省时快捷高效经济的优势，广泛应用于厨房油烟收集的研究中。针对不同的油烟机结构形式，通常以油烟捕集效率作为排油烟性能的评价指标。捕集效率分为两部分，一部分污染物释放后直接被抽吸排走，称为一次捕集效率；另一部分污染物未直接排走而是先逃逸到室内，后随室内空气被抽吸排走，称为二次捕集效率。目前，对于油烟机一次油烟捕集效率确定方法存在空白。提出一次捕集效率的确定方法，对于评价油烟机捕集油烟效率，研制高性能油烟机，具有十分重要的应有价值。

发明内容

本发明目的是为提供一种基于CFD的油烟机油烟捕集效率的确定方法，利用对油烟机内部各个壁面的一次捕集颗粒数及二次捕集颗粒数的定义和统计，计算得到油烟捕集效率。

本发明的一种基于CFD的油烟机油烟捕集效率的确定方法，该方法包括以下步骤：

首先，对于油烟机内部面，分别输出每个边界面的颗粒停留时间与粒子占比分布直方图，横坐标为停留时间，纵坐标表示每个停留时间区间内粒子数占该面统计总粒子数的比例；

其次，假设一次捕集的颗粒停留时间类似正态分布，统计得知该面颗粒最小停留时间为S秒，将直方图中颗粒数占比最大的横坐标区间即停留时间区间的中点值X秒确定为一次捕集停留时间正态分布的峰值停留时间，以此为一次捕集停留时间范围的中心，则一次捕集停留时间范围的最大值可确定为2X-S秒；则定义停留时间在S秒至2X-S秒内的粒子均为一次捕集颗粒，其余停留时间大于2X-S秒的均认为是二次捕集颗粒；

最后，分别统计并记录油烟机内部各个壁面的一次捕集颗粒数及二次捕集颗粒数；计算捕集效率，定义如下式：

一次捕集效率＝(油烟机内部各面上的一次捕集颗粒数之和)/(污染源产生的颗粒数)

二次捕集效率＝(油烟机内部各面上的二次捕集颗粒数之和)/(污染源产生的颗粒数)

总捕集效率＝(油烟机内部各面上的颗粒总数之和)/(污染源产生的颗粒数)

逃逸率＝(除油烟机内部面外室内其他壁面上的颗粒数之和)/(污染源产生的颗粒数)＝1-总捕集效率。

与现有技术相比，本发明在CFD数值模拟研究中，操作简便，更精确地模拟油烟颗粒物在室内的运动，更快速地得出一、二次油烟捕集效率，大大节省了计算耗时及计算内存空间，缩短研究周期。

附图说明

图1为DPM模型捕集效率计算原理图；

图2为DPM模型捕集效率计算方法操作步骤；

图3为油烟机捕集效率模拟算例图；(3-1)为油烟机捕集效率模拟算例物理模型；(3-2)为油烟机出口面不同停留时间粒子个数分布直方图(区间大小0.1s)；(3-3)为烟罩内腔面不同停留时间粒子个数分布直方图(区间大小0.1s)；(3-4)为格栅面不同停留时间粒子个数分布直方图(区间大小0.1s)；(3-5)为格栅背面不同停留时间粒子个数分布直方图(区间大小0.1s)；(3-6)为内风管管段不同停留时间粒子个数分布直方图(区间大小0.1s)。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步的详细描述。

将本发明的基于CFD的油烟机油烟捕集效率的确定方法应用于如图3所示厨房油烟机捕集效率模拟算例中：模拟流场收敛后，加载DPM颗粒物模型。首先，设右边锅底为颗粒污染面源，颗粒速度、温度与源面边界条件设置一致；设置颗粒源为1μm球形惯性CO₂颗粒，在材料中将CO₂颗粒的材料物性(密度，比热，导热系数)改为与空气一致(用于模拟烹饪热气流捕集效率)；开启随机游走模型，考虑湍流对颗粒运动的影响；考虑热泳力，布朗力，萨夫曼力的影响；其次，将油烟罩内腔、格栅及室内其他壁面设置为捕捉壁面，油烟出口设为逃逸壁面；最后，跟踪粒子轨迹，显示停留时间分布图，生成各面DPM报告文件，分别绘制油烟机内部面DPM停留时间分布图，即排风口、烟罩内腔、格栅、格栅背面及排出口前的风管管段壁面的DPM停留时间分布图。

统计得总粒子数5070个；

1、查看排风口面

总排出4059个粒子，停留时间最小S＝1.01s；由图3-2，X＝2.4s，2X-S＝3.8s，统计得停留时间大于3.8s的粒子共4059-3437＝622个；

2、查看烟罩内腔面

总捕捉215个粒子，停留时间最小S＝1.55s；由图3-3，X＝2.7s，2X-S＝3.75s，统计得停留时间大于3.75s的粒子共215-138＝77个；

3、格栅

总捕捉245个粒子，停留时间最小S＝1.13s；由图3-4，X＝2s，2X-S＝2.87s，统计得停留时间大于2.87s的粒子共245-180＝65个；

4、格栅背面

总捕捉149个粒子，停留时间最小S＝1.43s；由图3-5，X＝2.5s，2X-S＝3.57s，统计得停留时间大于3.57s的粒子共149-117＝32个；

5、排出口前的风管管段壁面

总捕捉153个粒子，停留时间最小S＝1.35s；由图3-6，X＝2.5s，2X-S＝3.65s，统计得停留时间大于3.65s的粒子共153-131＝22个；

6、其他壁面，共捕捉249个粒子。

将上面的统计结果汇总并计算，结果如表1所示：

表1、各边界面各类型颗粒个数统计表

根据计算式计算捕集效率：

一次捕集效率＝(油烟机内部各面上的一次捕集颗粒数之和)/(污染源产生的颗粒数)＝4003/5070＝78.95％

二次捕集效率＝(油烟机内部各面上的二次捕集颗粒数之和)/(污染源产生的颗粒数)＝818/5070＝16.13％

总捕集效率＝(油烟机内部各面上的颗粒总数之和)/(污染源产生的颗粒数)＝4821/5070＝95.08％

逃逸率＝(除油烟机内部面外室内其他壁面上的颗粒数之和)/(污染源产生的颗粒数)＝1-总捕集效率＝249/5070＝4.92％。

本方法在CFD数值模拟油烟捕集效率时，采用离散相DPM模型，在模拟流场收敛后加载DPM颗粒物模型，可准确模拟油烟颗粒物的运动，直接显示室内颗粒物运动轨迹图，并通过分析室内各个边界的颗粒停留时间分布，得到油烟的一次捕集效率、二次捕集效率、总捕集效率及逃逸率。

其中，粒子源可根据不同的污染物物性参数进行相对应的设置，可以设置为油烟颗粒，也可以设置为CO、CO2或其他污染物颗粒，模拟油烟机对各污染物不同的捕集效率；对于油烟颗粒，可设置不同的粒径分布，模拟油烟机对不同粒径的颗粒物的捕集效率。

设置DPM的壁面边界条件时，将油烟机排风口设为颗粒逃逸壁面，油烟机罩内腔、格栅及室内其他壁面设为颗粒捕捉壁面。

关于停留时间的分析，不同边界面有不同的统计方法。油烟机内部的各个面(排风口面、烟罩内壁面及格栅面等)上逃走或捕捉的颗粒中包含一部分一次捕集颗粒(污染源直接被油烟机收走的部分)，一部分二次捕集颗粒(污染源中先扩散到室内最后被油烟机收走的部分)。除油烟机内部面以外，室内其他各壁面上捕捉的全部为油烟机未能收集的颗粒。

Claims (1)

1.一种基于CFD的油烟机油烟捕集效率的确定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

首先，对于油烟机内部面，分别输出每个边界面的颗粒停留时间与粒子占比分布直方图，横坐标为停留时间，纵坐标表示每个停留时间区间内粒子数占该面统计总粒子数的比例；

其次，假设一次捕集的颗粒停留时间类似正态分布，统计得知该面颗粒最小停留时间为S秒，将直方图中颗粒数占比最大的横坐标区间即停留时间区间的中点值X秒确定为一次捕集停留时间正态分布的峰值停留时间，以此为一次捕集停留时间范围的中心，则一次捕集停留时间范围的最大值可确定为2X-S秒；则定义停留时间在S秒至2X-S秒内的粒子均为一次捕集颗粒，其余停留时间大于2X-S秒的均认为是二次捕集颗粒；

最后，分别统计并记录油烟机内部各个壁面的一次捕集颗粒数及二次捕集颗粒数；计算捕集效率，定义如下式：

一次捕集效率＝(油烟机内部各面上的一次捕集颗粒数之和)/(污染源产生的颗粒数)

二次捕集效率＝(油烟机内部各面上的二次捕集颗粒数之和)/(污染源产生的颗粒数)

总捕集效率＝(油烟机内部各面上的颗粒总数之和)/(污染源产生的颗粒数)

逃逸率＝(除油烟机内部面外室内其他壁面上的颗粒数之和)/(污染源产生的颗粒数)＝1-总捕集效率。