雙風機吸油煙機風量和靜壓的研究

萬博臣 莫遠忠 賈鈮 廖晶

珠海格力電器股份有限公司家電技術研究二院 廣東珠海 519070

1 引言

吸油煙機已成為現(xiàn)代家庭生活中不可缺少的廚房電器之一。吸油煙機的主要功能就是迅速將廚房產生的油煙吸入，并排到公共煙道中。吸油煙機最主要的兩大性能指標是風量和靜壓。大風量的吸油煙機的吸煙效果好，能迅速將油煙吸入；大靜壓的吸油煙機能克服較高的管網阻力，使得吸油煙機在高背壓的狀態(tài)下仍能保證較大的風量。

隨著產品競爭激勵，各大廠家不斷提高吸油煙機的性能，為了吸引消費者購買而不斷提高風量和靜壓。但是僅僅通過優(yōu)化風機、風道系統(tǒng)，傳統(tǒng)單風機的吸油煙機的性能很難再有飛躍式的提升。

本文將某公司的一款單風機側吸式吸油煙機作為參照，在此基礎上改造成一款雙風機吸油煙機，如圖1所示。通過理論、仿真和實驗三個方面，研究雙風機對比單風機的性能差異，主要針對吸油煙機的風量和靜壓進行對比分析。

2 雙風機吸油煙機風量和靜壓的理論分析

雙風機系統(tǒng)采用并聯(lián)工作的形式，采用兩個相同的風機，并且讓兩個風機的轉速保持一致。根據(jù)風機的工作原理，兩個風機并聯(lián)工作時，與單風機相比，可以達到靜壓相等，風量增加的效果[1]。

現(xiàn)有的側吸式單風機吸油煙機，單風機對應一個吸風口，吸風口在灶臺中心，風量提升有限。雙風機吸油煙機的設計思路在于，雙風機對應兩個吸風口，吸風口能直接對準灶臺，期望達到大風量，吸排油煙效果佳的目標。

但從理論上說，當風機并聯(lián)工作時，想要增加較大的風量，只能在管網阻力較小的管路中使用[2]。若管網的阻力較大，則風量難以得到明顯提升。如圖2所示的P-Q（靜壓-風量）曲線上可以看出單風機與雙風機的特性。圖中a、b、c代表3種不同管網阻力的管道特性曲線。從圖2中可見：曲線a代表阻力小的管網，它與雙風機曲線的交點為A2，此時風量為QA2比單風機工作時的風量QA1要明顯大許多；曲線b代表阻力稍大的管網，它分別與雙風機曲線和單風機曲線相交時，交點風量QB1和QB2的大小較為接近；曲線c代表阻力較大的管網，此時雙風機與單風機的風量沒有明顯差別，風量大小基本相等。

綜上所述：理論上雙風機并聯(lián)工作時，想要獲得較大的風量，需要在管網阻力較小的狀況下運行，否則風量不會有明顯提高。

圖1 吸式單風機與雙風機吸油煙機示意圖

圖2 理論的單風機與雙風機吸油煙機的P-Q曲線

圖3 單風機與雙風機吸油煙機仿真簡化模型

圖4 仿真的單風機與雙風機吸油煙機的P-Q曲線

3 雙風機吸油煙機風量和靜壓的仿真分析

根據(jù)實際側吸式單風機吸油煙機建立簡化模型。在ICEM軟件中劃分網格，導入FLUENT軟件中進行設置求解。湍流模型采用RNG k-ε模型，進行穩(wěn)態(tài)求解。數(shù)值計算過程中，采用分離求解器中的SIMPLE算法，對動量、湍流動能、湍流耗散率的差分格式都設為二階迎風格式。不考慮溫度的影響，計算域中的流體材料使用FLUENT中默認的air。計算域的進口定義為壓力入口，壓力設置為標準大氣壓。計算域的出口為排煙管末端，定義為流量出口。風機設定轉動速度之后，通過設定不同的出口流量，模擬得到對應出口的靜壓，將仿真得到的多組流量與靜壓數(shù)據(jù)連接繪制成曲線，便得到了吸油煙機的P-Q曲線。

為了能較為準確地模擬出吸油煙機的風量與靜壓，與風機連接的排煙管不能被忽略。排煙管的管徑采用標準的180mm尺寸[3]，由于吸油煙機煙管需要與公共煙道相連接，所以雙風機的兩個排煙管須要匯集成一根排煙管，如圖3所示。兩根煙管匯聚成一根煙管通道，此處會有較大的局部損失。

設定同一風機轉速920rpm，對圖3中兩個吸油煙機的風量和靜壓分別進行計算機仿真模擬，仿真得出雙風機吸油煙機的最大風量相對較高，比單風機吸油煙機的最大風量提高約5m3/min。仿真得到的風量與靜壓關系的曲線如圖4所示。從圖4可知雙風機的最大靜壓與單風機相同，在靜壓較小的區(qū)間，雙風機的風量比單風機要大；當靜壓增大時，雙風機的風量與單風機十分接近。

在吸油煙機正常工作時，由于風機對氣流的抽吸，會在吸風口處產生負壓區(qū)域，油煙被負壓區(qū)所吸引，然后被吸入吸油煙機中再被排走。因此吸風口處的負壓區(qū)的大小，直接影響吸油煙機的吸煙效果：負壓區(qū)域較大則吸煙效果好，負壓區(qū)域較小則吸煙效果較差。因此用計算機仿真模擬單風機與雙風機吸油煙機吸風口處產生的負壓區(qū)域的大小并進行對比分析。

為了方便進行對比分析，設定同一風量16m3/min，在三維仿真結果中截取吸風口處的橫截面，觀察對比橫截面上的靜壓分布云圖，如圖5所示。在圖5中，顏色由紅偏綠的區(qū)域代表著負壓區(qū)域，可見單風機吸油煙機產生的負壓區(qū)域明顯較大。這是由于在相同的風量下，并聯(lián)工作的雙風機存在兩個吸風口，分散了負壓區(qū)。負壓區(qū)域被分散之后，導致兩個負壓區(qū)都偏小。單風機由于僅存在一個吸風口，負壓區(qū)域集中且負壓較強，這樣對油煙的吸引力更強，吸煙效果也會較好。當雙風機系統(tǒng)的兩個吸風口均能提供如單風機系統(tǒng)相當?shù)呢搲簳r，才能提供強于單風機的捕煙能力，這就需要雙風機達到比現(xiàn)在的系統(tǒng)大很多的風量。

綜上所述：通過仿真分析得知雙風機并聯(lián)工作時，與單風機相比最大風量有所提高，最大靜壓相同。從仿真的P-Q曲線上可知，雙風機在較高的管網阻力下，風量與單風機十分接近。另外在風量相同的情況下，雙風機系統(tǒng)由于存在兩個吸風口，負壓區(qū)被分散而變弱，導致吸油煙的效果較差。

圖5 同風量下的吸油煙機截面靜壓分布云圖

圖6 在風機同轉速下實測的單風機與雙風機吸油煙機的P-Q曲線

圖7 在同風量下實測的單風機與雙風機吸油煙機的P-Q曲線

4 雙風機吸油煙機風量和靜壓的實驗分析

為了測試雙風機吸油煙機的真實性能，按照模型設計打造了一套雙風機吸油煙機樣機進行實驗測試分析。

對單風機吸油煙機和雙風機吸油煙機分別進行風量與靜壓測試，記錄并繪制P-Q性能曲線進行對比，如圖6所示。雙風機和單風機統(tǒng)一設定轉速為920rpm，將圖6與圖5對比可以看出實測與仿真的最大風量非常接近，并且P-Q性能曲線的趨勢也與仿真結果基本趨于一致。在圖6中添加兩條吸油煙機管網阻力曲線a和曲線b，分別代表較低的管網阻力與較高的管網阻力，夾在曲線a和曲線b之間的橢圓區(qū)域為用戶在家中常用的實際工況。在實際工況下，單風機曲線高于雙風機曲線的部分略大，代表著單風機能抵抗阻力的能力更優(yōu)，因此在實際工況下認為單風機略優(yōu)于雙風機。

通過調整轉速，對同最大風量狀態(tài)下的單風機與雙風機吸油煙機繼續(xù)進行測試。以單風機最大風量為基準，單風機吸油煙機的風機轉速保持920rpm不變，把雙風機的轉速從920rpm調低至680rpm，目的是讓雙風機與單風機在最大風量相近的情況下對比兩個系統(tǒng)的靜壓差異。如圖7所示為根據(jù)實驗測試結果繪制的P-Q曲線圖，可見單風機的靜壓始終比雙風機大，并且在橢圓區(qū)實際工況內，單風機系統(tǒng)的靜壓要比雙風機大許多，意味著單風機在同風量的狀態(tài)下能抵抗更大的管網阻力。

綜上所述：在轉速相同的情況下，雖然雙風機吸油煙機的最大風量較高，但是最大風量是在實驗室中測得的沒有后端阻力的理想風量。在用戶實際使用的情況下，管網阻力不會為0，因此不會達到最大風量的狀態(tài)。吸油煙機后端彎曲的煙管，位于較低樓層上排油煙的狹長管道，以及公共煙道的堵塞等現(xiàn)象[4]，都會導致較高的管網阻力。而雙風機吸油煙機在用戶家中常用的實際工況下，抵抗阻力的能力不及單風機，導致風量不能得到有效提高。

5 結語

本文通過理論、仿真和實驗三個方面，對雙風機吸油煙機的風量與靜壓，與單風機吸油煙機進行對比分析，得到了以下結論：

（1）雙風機并聯(lián)工作的吸油煙機，其最大靜壓相近，最大風量提高。但是在實際用戶工況下，雙風機吸油煙機抵抗管網阻力的能力略差，導致風量并不能得到有效提升。

（2）雙風機系統(tǒng)由于存在兩個吸風口，負壓區(qū)被分散成兩個。在同風量情況下，會導致兩個吸風口處的負壓區(qū)都偏小，捕煙效果要比單風機差。

（3）雙風機吸油煙機由于多了一個風機，成本上升，而性能卻不能得到有效的提高。其性價比較低，因此目前市面上的雙風機吸油煙機非常少見。