CN109635353A - 一种厨师操作对抽油烟机油烟捕集效率影响的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种厨师操作对抽油烟机油烟捕集效率影响的评价方法，步骤(1)、建立厨房模型；步骤(2)、进行人为扰动源引入模拟计算；步骤(3)、得到动量源轨迹方程以及自定义动量源项方程、构建自定义函数UDF；步骤(4)、将厨房模型算例导入Fluent中，加载自定义函数UDF，初始化边界并对流场进行计算；步骤(5)、模拟流场收敛后，加载DPM颗粒物模型，建立两相流油烟粒子模型，对人为扰动下的室内流场、污染物浓度场进行仿真数值模拟；步骤(6)、统计颗粒物的计算结果，计算油烟颗粒的捕集效率；步骤(7)、求解特定瞬时态流场中油烟颗粒的空间分布。本发明所得到的模拟结果更真实可靠，并且能够得到直观精确的人为扰动影响程度评价结果。

Description

一种厨师操作对抽油烟机油烟捕集效率影响的评价方法

技术领域

本发明涉及计算流体动力学(CFD)的数值模拟技术领域，特别涉及一种基于CFD的评价人为扰动对油烟捕集效果影响的方法。

背景技术

近年来室内空气质量引起了广泛的关注，特别是油烟污染对厨房内工作人员的健康、舒适性、生产力的影响，一个炎热且不舒适的厨房环境会导致生产力的下降和烹饪者的懒怠。油烟中的污染物会对人体健康产生不良影响，食用油产生的烟雾具有遗传毒性，严重的增加致癌风险。因此，随着人们生活水平的提高，人们对厨房空气品质的要求也越来越高，对油烟机的排烟效果也提出了更高的要求。

油烟机在使用过程中，风量是油烟机排烟效果重要的性能指标，通过提高油烟机的风量可以有效地降低室内的污染物浓度。但是，油烟机的风量越大，随之产生的噪声问题也越严重，过大时还可能抽走氧气对火苗产生一定的影响。油烟机的使用对于人体的影响不仅表现在人体舒适度方面，更重要的是安全系数的考量。然而，操作者在烹饪过程中的扰动如搅拌、翻炒等都是不可忽略的，特别是一般油烟污染大时，操作者的扰动通常更大，即人为的扰动反过来也会对油烟机的使用效果造成影响。由于扰动一般发生在锅口处，因此对油烟后续的扩散方向影响很大，使热气流更加紊乱且难以收集，研究表明空气中的颗粒物浓度与人为扰动密切相关，人员的活动对室内气流和污染物的扩散、分布都会产生较大的影响。尽管如此，在已有的对室内空气质量的研究评价中大部分都是在“室内环境视为静态”的假设下进行的，研究结果参考价值不高。

目前，运用添加动量源项的方法建立人体扰动模型，采用CFD数值模拟的研究方法处于起步阶段，且油烟捕集模拟中鲜少考虑烹饪工作者的扰动影响，在现实生活中，厨房内的人员通常处于活动状态，不考虑操作者的扰动是理想化、不符合实际的。因此，在现有基础上引入烹饪过程中的人体扰动，评价人为扰动对油烟捕集效果的影响有着重要的意义。

发明内容

为了填补在油烟机捕集效果模拟中引入人的扰动的空白，解决以往研究中存在的使用条件与实际情况存在差异的问题，探讨扰动体附近的流动对厨房室内空间内气流和污染物扩散的影响，本发明提供了一种厨师操作对抽油烟机油烟捕集效率影响的评价方法，基于CFD数值模拟技术进行人为扰动对油烟收集效果影响的评价，实现了以量化方式直观精确地评价人为扰动的影响程度。

本发明的一种厨师操作对抽油烟机油烟捕集效率影响的评价方法，具体包括以下步骤：

步骤1、利用静态网格类型划分网格的方法，建立厨房模型；

步骤2、进行人为扰动源引入模拟计算：将人为扰动的方式分为垂直极限扰动和水平极限扰动两种，并取3种不同的搅拌速度、分别对应的模拟搅拌周期为0.667-2s进行扰动对流场作用轨迹的采样；

步骤3、以动量源代替扰动对流场的作用，得到动量源轨迹方程：

所述垂直极限扰动模式中的轨迹方程为：

其中，A为搅拌旋转的半径，w为搅拌角速度，为初相位，x₁为垂直搅拌动作中x轴方向的起始坐标，y₁为垂直搅拌动作中y轴方向的起始坐标；

所述水平极限扰动模式的轨迹方程为：

其中，A为搅拌旋转的半径，w为搅拌角速度，为初相位，x₁为垂直搅拌动作中x轴方向的起始坐标，y₁为垂直搅拌动作中y轴方向的起始坐标，x₂为水平搅拌动作中手臂中心点在x轴方向的起始坐标，y₂为水平搅拌动作中手臂中心点在y轴方向的起始坐标；

所述的自定义动量源方程为:

S＝ρ·a (7)

式中，ρ为流体的密度，a为切向加速度；

构建自定义函数UDF；

步骤4、按照CFD模拟的求解步骤依次设置，将模型算例导入Fluent软件中，编译上一步构建的UDF，采用基于压力的SIMPLE算法，开启能量模型，模型方程离散采用压力离散选项，其他变量均采用一阶迎风格式，湍流模型采用k-ε标准湍流模型进行计算；设置边界条件，人体表面采用定温边界，统一设为304.16k、油烟机排放口设为压力出口、风量为15.2m³/min，初始化边界并对流场进行计算；

步骤5、模拟流场收敛后，加载DPM离散相模型模拟油烟颗粒物，即利用拉格朗日法描述颗粒物的运动轨迹：

其中，F_D(u-u_p)为颗粒的单位质量拽力，式中

其中，u为流体相速度，μ为流体动力粘度，ρ为流体密度，ρ_p为颗粒密度，d_p为颗粒直径，Re为相对雷诺数，其定义为：

步骤6、统计颗粒物的计算结果，根据颗粒物停留时间计算油烟颗粒的捕集效率，关于捕集效率的计算，定义计算式如下：

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)

对比无人为扰动和两种不同人为扰动方式下，室内流场的速度分布和油烟捕集效率的变化趋势特征的差异，定量评价人为扰动的影响；

步骤7、求解特定瞬时态流场中油烟颗粒的空间分布，将整个计算域划分为V_B＝0.3m×0.18m×0.236m的小方块，统计分析计算域中所有颗粒物的空间位置，输出每个小方块内颗粒物的数量，即定义为颗粒物浓度C，单位为个/V_B，进而得出流场中不同区域位置内的颗粒物浓度，以确定不同区域、不同扰动方式受污染物影响的程度。

与现有技术相比，本发明在现有住宅厨房油烟机排油烟效果的研究中加入了对人体扰动影响的考虑，实现方案更贴合实际，所得到的模拟结果更真实可靠；将定性与定量相结合，得到直观精确的人为扰动影响程度评价，为将人为扰动因素纳入油烟机设计提供一定的理论基础。

附图说明

图1为本发明的评价方法整体流程图；

图2为本发明具体实施例的CFD模型示意图；

图3为流场速度监测线示意图；

图4为z＝1m高度的速度监测值比较(w＝3.14rad/s)；

图5为z＝1.5m高度的速度监测值比较(w＝3.14rad/s)；

图6为垂直极限扰动模式搅拌速度-捕集效率图；

图7为水平极限扰动模式搅拌速度-捕集效率图；

图8为无人为扰动z＝1.5m高度颗粒数等值线图(w＝3.14rad/s)；

图9为垂直极限扰动模式z＝1.5m高度颗粒数等值线图(w＝3.14rad/s)；

图10为水平极限扰动模式z＝1.5m高度颗粒数等值线图(w＝3.14rad/s)。

具体实施方式

下面将结合示例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

将本发明的一种厨师操作对抽油烟机油烟捕集效率影响的评价方法应用于如图2的本发明具体实施例的CFD模型示意图所示的住宅厨房算例中：设置于人体正前方的锅底为油烟颗粒释放源1，动量源模型根据实际情况中的扰动位置施加于图中的锅底释放源2上方。垂直极限扰动模式相当于与扰动部位等长的物体垂直于锅底面，在锅底面上方的位置进行逆时针旋转的运动过程。水平极限扰动模式是指，进行扰动动作的手臂平行于灶台顶面，且在手臂前端连着垂直于锅底面的烹饪厨具进行逆时针旋转的连杆运动过程。本发明具体实施方式描述如下：

1、人为扰动源引入模拟计算：取3种不同的搅拌速度，对应的模拟搅拌周期为0.667s-2s，结合人体搅拌动作的运动形式，以动量源代替搅拌对流场的作用，构建、编译udf，运用CFD模拟计算。

2、速度场评价：流场收敛后，加载DPM颗粒物模型，将油烟机排烟罩内腔面、格栅、整流板、厨房内壁面等设置为捕捉壁面，排风口为逃逸壁面，开启非稳态颗粒物追踪，继续迭代计算，查看比较如图3所示的速度监测线上的速度值，z＝1m和z＝1.5m分别代表穿过动量源施加区域和人体呼吸区域的高度，结果如图4和图5所示，可见z＝1m高度处有无人为扰动的速度值差别较大，而在z＝1.5m高度处有无人为扰动的速度值则无明显的差异。

3、油烟颗粒物捕集效率评价

计算结束后，生成厨房内部各个面的DPM报告文件，根据颗粒物停留时间计算捕集效率，定义污染物释放后直接进入油烟机被捕集并排走的部分为一次捕集，先逃逸到室内最后随室内空气被油烟机捕集排走的部分为二次捕集。如表1所示，为搅拌周期为2s的例子中有无人为扰动的捕集效率对比。结果显示，在加入了人为扰动之后，总捕集效率下降，在相同的风量下，一次捕集效率降低明显，二次捕集效率升高。

表1

选取3种不同的搅拌速度，比较在垂直极限扰动模式下和水平极限扰动模式下的捕集效率的变化，结果如图6和图7所示。在垂直极限扰动模式下，总捕集效率在低速搅拌范围内较高，随搅拌速度的增大而降低，当搅拌速度达到9.425rad/s时显著降低，变化范围约在97.96％～71.76％之间。一次捕集效率的变化规律与总捕集效率的变化规律基本一致。对于二次捕集效率，在低速搅拌范围内随速度增加而增大，但当速度达到9.425rad/s反而下降。在水平极限扰动模式下，总捕集效率、一次捕集效率随搅拌速度的增大呈稳定下降的趋势，总捕集效率均高于92％，一次捕集效率的变化范围在81.59％～73.05％，二次捕集效率随搅拌速度的增大略微有所增加。

4、颗粒物浓度场分布评价

取油烟机对颗粒物进行二次捕集的初始时刻，观测该时刻流场中油烟颗粒的空间分布，二次捕集的初始时刻根据第3步中颗粒物的一次捕集效率和二次捕集效率的统计结果得到。将整个计算域划分为VB＝0.3m*0.18m*0.236m的小方块，利用matlab数学计算软件编制程序，计算每个小方块内颗粒物的数量，即定义为颗粒物浓度C，单位为个/VB。沿z轴方向取某一特定坐标范围内的所有小方块，分析在该高度上整个流场粒子分布的情况，并根据颗粒数作等值线。

选取搅拌周期为2s的例子，在烟罩下方的工作区域取横截面Z＝1.50m，即人体呼吸区域的高度，得到无人为扰动，垂直极限扰动和水平极限扰动模式下的颗粒物浓度场分布图，计算结果如图8～10所示。通过对比不同扰动模式下的油烟颗粒分布情况可以看出，在二次捕集的初始时刻，人为扰动作用下的油烟颗粒扩散范围明显扩大，各个等位线围绕的区域面积也增大，且垂直极限扰动模式中出现了16000个/VB以上的分布区域。因此，人为扰动产生的气流可能会引起颗粒物的扩散，导致局部颗粒物数浓度的增加，降低油烟机的捕集效果。在厨房及油烟机的设计中，应该合理规避由于扰动引起的捕集效果降低的问题，不再单纯依靠提高排放量提升油烟机的排烟效率，而是为将人为扰动因素纳入考虑，既控制了室内的空气品质，又达到节能的目的。

Claims (1)

1.一种厨师操作对抽油烟机油烟捕集效率影响的评价方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤(1)、利用静态网格类型划分网格的方法，建立厨房模型；

步骤(2)、进行人为扰动源引入模拟计算：将人为扰动的方式分为垂直极限扰动和水平极限扰动两种，并取3种不同的搅拌速度、分别对应的模拟搅拌周期为0.667-2s进行扰动对流场作用轨迹的采样；

步骤(3)、以动量源代替扰动对流场的作用，得到动量源轨迹方程：

所述垂直极限扰动模式中的轨迹方程为：

其中，A为搅拌旋转的半径，w为搅拌角速度，为初相位，x₁为垂直搅拌动作中x轴方向的起始坐标，y₁为垂直搅拌动作中y轴方向的起始坐标；

所述水平极限扰动模式的轨迹方程为：

其中，A为搅拌旋转的半径，w为搅拌角速度，为初相位，x₁为垂直搅拌动作中x轴方向的起始坐标，y₁为垂直搅拌动作中y轴方向的起始坐标，x₂为水平搅拌动作中手臂中心点在x轴方向的起始坐标，y₂为水平搅拌动作中手臂中心点在y轴方向的起始坐标；

所述的自定义动量源方程为:

S＝ρ·a (7)

式中，ρ为流体的密度，a为切向加速度；

构建自定义函数UDF；

步骤(4)、按照CFD模拟的求解步骤依次设置，将模型算例导入Fluent软件中，编译上一步构建的UDF，采用基于压力的SIMPLE算法，开启能量模型，模型方程离散采用压力离散选项，其他变量均采用一阶迎风格式，湍流模型采用k-ε标准湍流模型进行计算；设置边界条件，人体表面采用定温边界，统一设为304.16k、油烟机排放口设为压力出口、风量为15.2m³/min，初始化边界并对流场进行计算；

步骤(5)、模拟流场收敛后，加载DPM离散相模型模拟油烟颗粒物，即利用拉格朗日法描述颗粒物的运动轨迹：

其中，F_D(u-u_p)为颗粒的单位质量拽力，式中

其中，u为流体相速度，μ为流体动力粘度，ρ为流体密度，ρ_p为颗粒密度，d_p为颗粒直径，Re为相对雷诺数，其定义为：

步骤(6)、统计颗粒物的计算结果，根据颗粒物停留时间计算油烟颗粒的捕集效率，关于捕集效率的计算，定义计算式如下：

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)

对比无人为扰动和两种不同人为扰动方式下，室内流场的速度分布和油烟捕集效率的变化趋势特征的差异，定量评价人为扰动的影响；

步骤(7)、求解特定瞬时态流场中油烟颗粒的空间分布，将整个计算域划分为V_B＝0.3m×0.18m×0.236m的小方块，统计分析计算域中所有颗粒物的空间位置，输出每个小方块内颗粒物的数量，即定义为颗粒物浓度C，单位为个/V_B，进而得出流场中不同区域位置内的颗粒物浓度，以确定不同区域、不同扰动方式受污染物影响的程度。