不同进风方式对住宅厨房炊事双重污染扩散影响数值模拟_刘昱.pdf

文章编号:1009-6094(2023)07-2514-09不同进风方式对住宅厨房炊事双重污染扩散影响数值模拟*刘昱1，2，3，李冲1，麻宏强1，姜益强2，3，董建锴2，3，郑文科2，3，罗新梅1(1 华东交通大学土木建筑学院，南昌 330013;2 哈尔滨工业大学建筑学院，哈尔滨 150090;3 寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室，哈尔滨 150090)摘要:我国常规住宅炊事废热和颗粒物双重污染较严重，厨房进风方式影响污染物扩散和分布。为了研究厨房不同进风方式下污染物扩散分布规律，建立小型住宅厨房物理模型，采用 CFD 软件模拟室内气流流动，基于离散相模型模拟颗粒物运动轨迹并得出质量浓度分布，选取了炊事过程实测数据验证模型。提出开窗进风、窗缝渗透进风、恒定进风量进风 3 种进风方式，假定540 m3/h、810 m3/h 和1 080 m3/h 3种进风风量，根据典型气候区室外环境参数确定进风温度，数值模拟进风方式和风量对室内环境的影响。数值模拟结果显示:厨房颗粒物源散发率在 0.6 mg/min 时，室内呼吸区颗粒物质量浓度为 0.025 0.277 mg/m3。合理地补充进风量能够降低室内颗粒物浓度，厨房窗口恒定风量进风有助于形成较好的室内环境。关键词:环境工程学;住宅厨房;油烟颗粒物;室内环境;数值模拟中图分类号:X506文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2022.0638*收稿日期:2022 04 14作者简介:刘昱，讲师，博士，从事室内空气质量保障技术研究，liuyu ecjtu edu cn;麻宏强(通信作者)，副教授，博士，从事天然气液化技术研究，mhq2014 sina com;姜益强(通信作者)，教授，博士，从事多相流流动传热研究，jyq7245sina com;董建锴(通信作者)，教授，博士，从事低能耗建筑室内环境营造与调控研究，djkheb163 com。基金项目:国家自然科学基金项目(51978193)0引言住宅厨房是居民日常烹饪活动常停留空间，营造一个健康、舒适的厨房室内环境有助于提升人们的生活品质，也是当前人们对健康居住环境的迫切需求1。厨房天然气涉及重大安全问题2，而炊事污染物则导致室内环境和人体健康问题。厨房炊事污染物扩散对住宅室内环境空气质量造成严重影响，已经引发了住宅室内环境长期、连续污染3 4，制约了人民对美好、健康生活的向往，是亟待解决的现实问题。针对住宅厨房污染物的研究起步时间较晚，21世纪随着人们对室内空气质量的关注越来越多，厨房炊事导致住宅污染问题才受到学者的重视。2006年，胡建军5 采用数值模拟方法，研究了排油烟机不同运行工况下厨房内的气流组织。2007 年，Lai等6 首次系统地研究了厨房炊事颗粒物在室内不同房间的扩散特性。2010 年，王岳人等7 实测了厨房污染物浓度、李梅芳8 提出了厨房油烟控制技术。2012 年，高军等9 首次引入人员呼吸模型，深入研究了厨房不同通风条件下油加热过程在人体呼吸区暴露浓度。2017 年，Cao 等10 首次提出了基于人员颗粒物暴露的厨房通风改善措施，但研究基于厨房机械送风，未考虑自然进风的影响。2018 年，汪伟等11 提出了采用油烟机加装射流风幕隔挡油烟逸散以提高厨房油烟污染治理效果。而近些年，厨房通风模式研究受到广泛关注。2017 年，李慧星等12 模拟分析了自然通风住宅油烟污染物空间分布。2019 年，刘素梅等13 首次结合了灶台上送风幕补风和灶台下置换空调通风的新型厨房通风方式，保证了厨房内空气品质和人员热舒适。同年，陈文华14 深入研究了烹饪区空气流动和污染物扩散规律，为厨房局部排风系统气流组织和捕获效率的提高提供了参考。2021 年，徐先港15 实测研究了严寒地区低能耗住宅厨房环境参数及评价指标。对于厨房通风，上述研究均在气流控制良好的小室中进行，而现有常规住宅厨房无良好的气流控制，因此需要研究该状况下炊事污染物的扩散。厨房炊事废热和油烟颗粒物双重污染物散发扩散是室内环境下降的重要因素。一方面，中式炊事过程产热量大。采用燃气热源至少有 40%热量散发到环境中，在中式厨房狭小空间内易形成较差的热环境。炊事过程厨房空气温度显著升高，炊事操作者和环境空气温差最高可达近 10.0 16 17。厨房垂直空间温度差异显著，距离地面0.1 m 和1.7 m高度的温度差异达到 6.3 18。另一方面，常规中式厨房油烟颗粒物扩散显著。厨房外窗进风气流强烈干扰炊事热羽流，厨房形成无组织进风，导致颗粒物向周围环境扩散非常严重，甚至扩散到邻室客厅及卧室。此外，对于居住环境颗粒物质量浓度限值，我国目前实行的是世界卫生组织推荐最宽泛的标4152第 23 卷第 7 期2023 年 7 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 7Jul，2023准，即日均质量浓度不超过 0.075 mg/m3，年均质量浓度不超过 0.035 mg/m3 19，但目前我国大多数既有居住建筑室内颗粒物质量浓度远超过此限值。我国厨房 PM2.5质量浓度均值高于室外环境 20 40倍18，油炸炊事方式导致厨房空间质量浓度升高到4.493 mg/m3 20 21。炊事使得室内客厅 PM2.5质量浓度达到最大值 1.187 mg/m3 22。因此，炊事对室内环境具有显著影响，尤其是在缺乏机械送风的常规自然通风住宅。厨房炊事双重污染是室内环境改善的瓶颈问题，也严重制约了人们对美好健康生活的需求。目前，我国常规住宅厨房大部分无机械送风装置，进风多采用由窗户进入的方式。本文针对我国住宅厨房常规进风方式，基于典型室外环境参数，采用典型进风方式和进风风量，研究厨房炊事双重污染扩散规律，数值模拟炊事热和颗粒物空间分布特性。本文研究结果以期为常规住宅厨房室内环境改善提升方法提供借鉴参考，助力早日实现健康中国目标。1数值模型1.1湍流流动数值模型将室内空气当做不可压缩流体，遵循质量、动量和能量守恒定律，室内空间热量传递、颗粒物扩散输运都遵循 3 大守恒方程，见式(1)(3)23。显著热量散发时，室内空气流动大多为湍流流动，采用不同的湍流流动模型来求解。湍流流动数值模型包括:直接法、大涡模拟和雷诺平均法，常用模型为雷诺平均法24。其中，由湍流脉动动能 k 和动能耗散率 组成的标准双方程 k 模型在实际应用最为广泛，见式(4)和(5)。t+u()ixi=0(1)uit+ujuixj=1pxi+xjvuix()j(2)(T)t+(uiT)xi=xicpTx()i+ST(3)t(k)+xi(kui)=xj+t()kkx()j+Gk+Gb YM+Sk(4)t()+xi(ui)=xj+t()kkx()j+G1k(Gk+G3Gb)C22k+S(5)式中 为流体密度，kg/m3;t 为时间，s;xi、xj为 i、j方向;ui、uj为 i、j 在 x、y、z 3 个方向的速度，m/s;p 为压力，Pa;为涡黏性系数，m2/s;T 为温度，K;cp为比定压热容，J/(kgK);为导热系数，W/(mK);ST为能量源项，J/(m3s);k 为湍流脉动动能，J;为动力黏性系数，Pas;t为湍流黏度，Pas;k为湍动动能扩散项;Gk为速度产生湍动能，J;Gb为浮力产生湍动能，J;为动能耗散率，%;YM为脉动膨胀;Sk为 k 方程中用户自定义源项;C1e、C2e、C3e均为默认常数;S为 方程中用户自定义源项。1.2空气 颗粒两相流数值模型颗粒物扩散涉及空气相和颗粒相，数值模拟中常见模拟室内颗粒物运输的两相流模型为欧拉模型和拉 格 朗 日 模 型25，不 同 模 型 均 可 计 算 空 气流场26。作用在颗粒上的单位质量力，见式(6)。fi=dup，idt(6)式中fi为 i 方向作用在颗粒的单位质量力，m/s2;up，i为颗粒在 i 方向的速度，m/s;t 为时间，s。所有作用在颗粒上的力 Fi表达式，见式(7)。Fi=Fd+Fg+FP+Fai(7)式中Fd为颗粒所受流体拽力，N;Fg为颗粒所受重力，N;FP为颗粒所受浮力，N;Fai为颗粒所受其他外力，N。气流和颗粒存在相对运动，由于黏滞性和惯性效应，空气和流体间会产生流体拽力，见式(8)。Fd=18pd2pCde24(8)式中p为颗粒密度，kg/m3;dp为颗粒直径，m;e为颗粒雷诺数;Cd为拽力系数。将颗粒视为球状，流体对颗粒施加的浮力 FP见式(9)。FP=mPg=6d3PPg(9)式中P为颗粒密度，kg/m3;mP为颗粒质量，kg;g为重力加速度，m/s2。由于布朗力作用，颗粒物和空气分子运动撞击形成无规则运动，见式(10)。Fbi=GiS0槡t(10)式中Gi为高斯随机数;S0为光谱强度;t 为时间步长，s;Fbi为布朗力，N。厨房炊事热源散导致室内产生较大温度梯度，颗粒受到由温度梯度引发的作用力，见式(11)。51522023 年 7 月刘昱，等:不同进风方式对住宅厨房炊事双重污染扩散影响数值模拟Jul，2023Fth=7.02dP2(K+2.18Kn)(1+3.42Kn)(1+2CtKn+2K)1mPTTx(11)式中Kn为气体分子平均自由程，m;K 为气体平动动能导热率与颗粒导热率比值;为气体动力黏度，Pas;T 为流体温度，K;Fth为热泳力，N;Ct为温度越变系数。采用拉格朗日方法对颗粒从散发源到排油烟机出口整个运动过程进行追踪，将颗粒物轨迹转化为颗粒物质量浓度26，见式(12)。a=Mni=1dt(i，a)Va(12)式中a 为网格 a;a为网格 a 颗粒物平均质量浓度，kg/m3;M 为颗粒物质量流量，kg/s;Va为网格 a体积，m3;t 为颗粒物在网格内停留时间，s;i 为第 i条轨迹。颗粒 离 散 相 模 型 边 界:沉 积(trap)、反 射(reflect)和逃逸(escape)27。将墙面、地板、天花板设置为沉积“trap”边界，即当颗粒物接触之后被捕获，颗粒运动随之停止;将开口处(窗户、内门)和排油烟机设置为逃逸“escape”边界，即颗粒物运动至此则终止计算;将热源表面设置为反射“reflect”边界，即当颗粒物运动至此被反弹。1.3房间物理模型建立常规中式厨房平均面积约为 6.0 7.0 m218。参照传统中式厨房尺寸，建立厨房及邻室房间物理模型:长 X=4.5 m、高 Y=2.4 m、宽 Z=2.4 m，并分为厨房和邻室两个空间，厨房长度取 2.5 m。模型示意见图 1。其中，厨房窗户长 1.0 m、宽 0.5m，下边缘距离地面 1.0 m。橱柜高 0.8 m、宽 0.5m。假设热源和颗粒物散发源视为长 0.2 m、宽 0.2m、高 0.1 m 立方体。排油烟机为顶吸式，位于中部。假设厨房门处于开启状态，与邻室空气直接进行交换。1.4数值方法空气流动采用基于有限体积法的“SIMPLE”算法求解速度场，采用标准 k 模型计算湍流，采用壁面函数法处理近壁面，采用耦合方法计算空气流动连续相与颗粒离散相的运动。非定常采用压力求解器、二阶隐式时间离散格式。1.5模型边界设置热源采用温度边界。油加热结束后油温达到最大值，加入食物配料后油温下降。食用油加热 0.5min 后油温升高至 79.6 119.3 28，锅壁面温度接近 100 29。散发源采用质量流量边界，中式炊事颗粒物散发率为0.06 87.6 mg/min3，28，因此颗粒物散发速率取0.6 mg/min。假设颗粒物粒径全部为 2.5 m，密度为 850 kg/m329 31。采用上吸式排烟机，压力边界。厨房窗户开启，形成由窗口进风方式。模型中主要边界设定见表 1。对于油锅温度，参照文献 10 油加热温度试验监测数据，编写油温随时间变化 UDF 函数并输入到边界参数。经过计算确定出合适的时间步长为 0.15 s。1.6模型网格尺寸网格尺寸影响数值模拟计算结果精确度，网格相对越密集，计算结果越精准，但消耗资源也越多。在数值模拟之前，选取合适网格