嚴(yán)寒地區(qū)住宅廚房油煙顆粒物擴(kuò)散機(jī)理和沉積特性的數(shù)值模擬分析

李慧星，王元博，馮國會(huì)，劉欣怡

(沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168)

烹飪過程會(huì)向室內(nèi)空間排放大量的有害物質(zhì)。燃料燃燒散發(fā)出有害氣體和顆粒物，油和食物加熱過程產(chǎn)生油煙[1-2]。中餐獨(dú)有的煎、炒、烹、炸等方式所散發(fā)的有害氣體和顆粒物更為嚴(yán)重。烹飪過程中會(huì)產(chǎn)生溫度較高的熱羽流，迫使大量顆粒物集中在烹飪?nèi)藛T呼吸區(qū)域并被吸入，對(duì)人體呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)產(chǎn)生不利的影響[3-6]。計(jì)算流體力學(xué)(CFD)是一種獲取室內(nèi)環(huán)境詳細(xì)信息的經(jīng)濟(jì)有效的方法。一些研究通過烹飪?cè)瘁尫艞l件來預(yù)測(cè)顆粒物的空間分布[7-8]。數(shù)值模擬預(yù)測(cè)烹飪顆粒物的濃度對(duì)評(píng)估室內(nèi)空氣品質(zhì)有非常大的幫助。但是很少有研究單個(gè)烹飪顆粒物的擴(kuò)散機(jī)制，即空氣分布如何影響顆粒物擴(kuò)散，缺乏對(duì)特定烹飪過程中顆粒物動(dòng)力學(xué)機(jī)制的理解和量化。沉積是空氣中顆粒物的重要空氣動(dòng)力學(xué)特征之一。一方面沉積會(huì)減少室內(nèi)懸浮顆粒物的數(shù)量；另一方面沉積量過高會(huì)增加室內(nèi)污染，形成非常難看的污垢。筆者通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方法，預(yù)測(cè)烹飪過程產(chǎn)生的顆粒物在住宅廚房中的分布，并基于滑移通量模型和半經(jīng)驗(yàn)沉積模型，量化顆粒物的運(yùn)動(dòng)特性。通過模擬廚房中的門窗不同開閉情況，分析不同空氣分布下烹飪顆粒物的擴(kuò)散機(jī)理。

1 數(shù)值模擬分析

1.1 廚房模型

住宅廚房采用的布局形式為一字型。廚房長寬高分別為3 m×1.8 m×2.4 m。烹飪?nèi)藛T簡(jiǎn)化為長方體多塊模型，人員站在距離灶臺(tái)0.10 m處[9]。采用八叉樹法(Octree)劃分非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對(duì)窗、門、燃?xì)庠詈团艢饪诰植考用?，以增加?jì)算的精確度。

1.2 模擬工況

模擬不同通風(fēng)模式下的9種工況如表1所示。吸油煙機(jī)的排氣量是控制廚房污染物的關(guān)鍵，選取304.3 m3/h、518.4 m3/h和777.6 m3/h排氣量進(jìn)行分析[10]。實(shí)際廚房中的擾流通常來源于人員移動(dòng)、開著的門或窗等[11]。采用3種不同的門窗開啟條件，以提供不同的空氣分配策略。在廚房中選取一些平面和截面交線顯示整個(gè)空間的流動(dòng)特性和顆粒物特征，線位置劃分如圖1所示。

表1 模擬工況設(shè)定

圖1 廚房線位置劃分示意圖

1.3 邊界條件

設(shè)置廚房邊界條件類型和數(shù)值。將污染物/熱源邊界的入口速度設(shè)置為0.1 m/s[12]。通過用戶自定義標(biāo)量標(biāo)準(zhǔn)化烹飪?cè)刺幍某跏紳舛龋栽u(píng)估廚房顆粒物濃度分布。通風(fēng)量分別為304.3 m3/h、518.4 m3/h和777.6 m3/h的吸油煙機(jī)排氣口被定義為0.7 m/s、1.2 m/s和1.8 m/s的速度入口。將門或窗戶設(shè)定為壓力入口條件來實(shí)現(xiàn)不同的擾流條件，提供不同的室內(nèi)氣流模式。在當(dāng)前的工作中，采用簡(jiǎn)化的烹飪過程，將其定義為油預(yù)熱階段。這個(gè)過程是一些傳統(tǒng)的中高溫中式烹飪的典型預(yù)熱階段。因此將烹飪過程合理地簡(jiǎn)化為油加熱過程，油溫設(shè)置為210 ℃。并根據(jù)個(gè)體的顯熱量50 W，將人員體表定義為熱通量為27.7 W/m2的壁面邊界。模擬中假設(shè)廚房幾乎不透氣，廚房圍護(hù)結(jié)構(gòu)定義為傳熱系數(shù)1.5 W/(m2·K)，溫度295 K的壁面。邊界條件中湍流規(guī)范方法設(shè)置為湍流強(qiáng)度和水力直徑。

2 數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 氣流模型

通過ANSYS Fluent軟件，基于有限體積法將整個(gè)廚房作為計(jì)算域進(jìn)行數(shù)值模擬。在湍流兩方程模型中，相比于標(biāo)準(zhǔn)模型和可實(shí)現(xiàn)模型，重整化群(RNG)模型被認(rèn)為可以在仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)量之間獲得更好的一致性[13]。因此采用RNG模型和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)求解廚房三維氣流場(chǎng)。在典型的室內(nèi)環(huán)境中，顆粒物的體積分?jǐn)?shù)約為10-10，遵循單向耦合假設(shè)，利用SIMPLE算法來耦合壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)[14]。

2.2 顆粒物傳輸模型

通過用戶自定義函數(shù)將滑移通量模型嵌入到FLUENT中運(yùn)行，來模擬室內(nèi)顆粒物分布?；仆磕Ｐ褪且环N歐拉方法，其控制方程與Navier-Stokes方程相似，不同之處在于它將顆粒物的重力沉降效應(yīng)整合到對(duì)流項(xiàng)中。目前滑移通量模型已廣泛應(yīng)用在室內(nèi)環(huán)境領(lǐng)域，驗(yàn)證模型的適用性和準(zhǔn)確性[15]。然而，僅考慮重力沉降和擴(kuò)散的滑移通量模型可能無法完整描述烹飪顆粒物的相間機(jī)理。因此，采用改進(jìn)的滑移通量模型，該模型已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并考慮引起顆粒物滑移的所有機(jī)制[16]。

(1)

式中:Vj和Vslip,j分別為空氣流速和顆粒物滑移速度；C為顆粒物濃度；εp為顆粒物的渦流擴(kuò)散系數(shù)；Sc為源項(xiàng)。

采用半經(jīng)驗(yàn)沉積模型來獲得顆粒物沉積通量[17]。該模型基于通過壁面附近的濃度邊界層的粒子通量，通量的表達(dá)式可以用菲克定律表示，其中擴(kuò)散系數(shù)由布朗擴(kuò)散系數(shù)和湍流擴(kuò)散率之和為

(2)

式中：D為布朗擴(kuò)散系數(shù)；vs為顆粒物沉降速度；i值的大小取決于壁面的朝向。

3 模擬結(jié)果分析

圖2為9種工況的住宅廚房空氣流速輪廓圖。從圖中可以看出，烹飪過程會(huì)導(dǎo)致在爐具處產(chǎn)生較大的溫度梯度，形成強(qiáng)烈上升的熱羽流。吸油煙機(jī)排氣口處會(huì)產(chǎn)生不斷擴(kuò)大的負(fù)壓區(qū)，使得廚房?jī)?nèi)部的空氣向烹飪區(qū)流動(dòng)。在開門的工況下，補(bǔ)充空氣主要從門的下半部分進(jìn)入廚房。這部分空氣在進(jìn)入烹飪區(qū)域后，在熱羽流和吸油煙機(jī)周圍氣流的浮力作用下向上流動(dòng)。而開窗時(shí)，部分流入的空氣與烹飪區(qū)氣流直接混合，部分空氣補(bǔ)充下半部被吸油煙機(jī)排出的空氣。

圖2 工況1-工況9住宅廚房空氣流速輪廓圖

4 油煙顆粒物分布

4.1 顆粒物擴(kuò)散機(jī)理

圖3為各因素引起滑移通量的平均影響階數(shù)。由湍流引起的顆粒波動(dòng)導(dǎo)致動(dòng)量傳輸?shù)幕仆繛镾M；由對(duì)顆粒物的熱泳力引起的滑移通量為FTH；由重力引起的滑移通量為G；由顆粒相每單位體積的動(dòng)量變化率引起的滑移通量為D。從圖3可以看出，顆粒物在住宅廚房熱環(huán)境運(yùn)動(dòng)時(shí)受力的量階大小有很大的差異。對(duì)不同粒徑的顆粒物，F(xiàn)TH的平均階數(shù)約為10-14，量階太小而無法顯著影響空間內(nèi)顆粒物的運(yùn)動(dòng)。通過對(duì)住宅廚房氣流場(chǎng)的分析能夠發(fā)現(xiàn)，除烹飪熱源周圍的區(qū)域外，廚房各平面平均氣溫相差不大，導(dǎo)致遠(yuǎn)離熱源處的溫度梯度太小，使得熱泳力對(duì)顆粒物在室內(nèi)的傳輸過程影響很小。由重力引起的滑移通量階數(shù)大小與顆粒物的直徑直接相關(guān)，隨著粒徑的減小，G的量階也變小。PM2.5下G的平均階數(shù)大小約為10-4，而PM0.1下G的平均階數(shù)大小約為10-7，表明了重力對(duì)細(xì)顆粒物和超細(xì)顆粒物影響的顯著不同。相比于熱泳力的影響，顆粒相每單位體積的動(dòng)量變化率引起的滑移通量的階數(shù)明顯更大，PM2.5的平均階數(shù)約為10-5，并且對(duì)比不同粒徑發(fā)現(xiàn)，D與G的平均階數(shù)相差不大。由湍流引起的滑移通量的階數(shù)在不同粒徑下都很大，PM2.5的SM平均階數(shù)約是D和G的350倍，表明湍流的影響對(duì)顆粒物在住宅廚房中的擴(kuò)散起主導(dǎo)作用。

圖3 各因素引起滑移通量的平均影響階數(shù)

4.2 油煙細(xì)顆粒物分布

圖4為PM2.5在各線上的濃度分布。

圖4 工況1-9沿線PM2.5分布

從圖4可以看出，不同氣流場(chǎng)下顆粒物的空間分布有很大的差異。除線4外，線1到線6上的顆粒物分布表明在靠近天花板位置的無量綱顆粒物濃度C*較高，而靠近地板的位置處顆粒物濃度都很小。比較不同排氣速度下的顆粒物濃度分布，排氣速度的增加導(dǎo)致各線上顆粒物濃度降低。這是因?yàn)樵谂艢馑俣容^小的情況下，從窗戶或門流入的空氣會(huì)破壞熱源上方的熱羽流并削弱吸油煙機(jī)對(duì)顆粒物的控制作用，造成空氣向外逃逸。由于氣流在顆粒物的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)中起主導(dǎo)作用，逃逸的空氣會(huì)夾帶著顆粒物在廚房中形成循環(huán)流，使得顆粒物擴(kuò)散到周圍。在熱浮力的作用下空氣向上流動(dòng)，造成天花板位置濃度較高。隨著排氣速度的增加，吸油煙機(jī)容納氣流的能力增強(qiáng)，外部空氣對(duì)熱羽流的影響急劇下降，大部分的顆粒物隨氣流從排氣口排出，少部分顆粒物隨逸出氣流擴(kuò)散到周圍環(huán)境。

4.3 顆粒物對(duì)壁面沉積分析

圖5為PM2.5在各壁面的沉積。圖5(a)為不同通風(fēng)模式下PM2.5對(duì)廚房各壁面的沉積速度，其中Vdd、Vdu、Vdf和Vdb分別代表對(duì)天花板、地板、前壁面和后壁面的沉積速度。在不同工況下顆粒物對(duì)相同壁面的沉積速度幾乎沒有變化，近壁面附近的顆粒物濃度成為沉積通量的最大決定因素。沉積速度的大小取決于摩擦速度和重力沉降速度，而對(duì)于同一粒徑的顆粒物，重力沉降速度相同。摩擦速度定義為壁面切應(yīng)力與空氣密度之比的平方根，由近壁速度梯度決定。PM2.5對(duì)不同壁面的沉積速度差異很大，其中對(duì)地板的沉積速度Vdu總是最大的。這一差異能夠歸結(jié)于近壁面的湍流速度不同，既受住宅廚房特殊的通風(fēng)模式影響。圖5(b)為不同通風(fēng)模式下PM2.5對(duì)廚房各壁面的沉積通量。其中Jdd、Jdu、Jdf、Jdb分別代表對(duì)天花板，地板前壁面和后壁面的沉積通量。對(duì)比不同工況PM2.5對(duì)前壁面和地板的沉積通量總是很大。對(duì)地板的沉積量大能夠歸結(jié)于沉積速度處于較高的數(shù)值。與開窗和門窗都開的工況比較，僅開啟門時(shí)對(duì)地板的沉積量總是處于最大值，介于1.5×10-5～2×10-5。因?yàn)椴煌陂_窗時(shí)流入的空氣與烹飪區(qū)氣流直接混合，開門時(shí)氣流會(huì)從廚房地板流向天花板。這種氣流形式起到了類似于置換通風(fēng)的作用，導(dǎo)致地板近壁面速度梯度更大。前壁面的沉積通量大是因?yàn)榫嚯x烹飪?cè)唇?，近壁面顆粒物濃度高。對(duì)相同壁面的沉積通量主要取決于顆粒物的濃度分布，而顆粒物分布與通風(fēng)形式密切相關(guān)，說明通風(fēng)形式也顯著影響烹飪顆粒物的沉積。

圖5 PM2.5在各壁面的沉積

5 結(jié) 論

(1)不同通風(fēng)模式下廚房空間氣流特性相差很大，氣流分布主要集中在烹飪區(qū)。當(dāng)排氣量較小時(shí)，從門窗流入的空氣會(huì)干擾熱羽流并削弱吸油煙機(jī)對(duì)顆粒物的控制作用。而增大排氣量能夠增強(qiáng)吸油煙機(jī)容納熱羽流能力，降低廚房空間顆粒物濃度。

(2)當(dāng)粒徑在0.1～2.5 μm內(nèi)的顆粒物在廚房中擴(kuò)散時(shí)，湍流的影響起主導(dǎo)作用。由于遠(yuǎn)離熱源處的溫度梯度很小，使得熱泳力不會(huì)對(duì)顆粒物擴(kuò)散產(chǎn)生重大影響。

(3)開門情況下，顆粒物對(duì)地板的沉積增多，沉積通量介于1.5×10-5～2×10-5。在不同工況下顆粒物對(duì)相同壁面的沉積速度幾乎沒有變化，而對(duì)不同壁面的沉積速度差異很大，差異可以歸結(jié)于近壁速度梯度不同。