开放式厨房与闭式厨房燃气泄漏模拟对比研究

第36卷第3期

山东建筑大学学报

Vol.36 No.32021 年 6 月

JOURNAL OF SHANDONG JIANZHU UNIVERSITY

Jun. 2021

D0I ：10.12077/sdjz.2021.03.004

开放式厨房与闭式厨房燃气泄漏模拟对比研究

张增刚*，商铭恒，陈云丽

（山东建筑大学热能工程学院，山东济南250101）

摘要：开放式厨房中的燃气泄漏后，研究室内不同时间段的危险程度和燃气扩散规律，可以为相关建筑规范的

制定及开放式厨房的推广提供理论依据。文章基于仿真模拟软件，数值模拟了采用开放式厨房和闭式厨房的

同一房屋的燃气泄漏，得到了室内燃气泄漏扩散的一般规律。结果表明：发生燃气泄漏后，120 min 时闭式厨房

内就会达到爆炸下限；开放式厨房之外区域燃气体积分数较高，扩散的区域更大;240 min 内，开放式厨房比闭式厨房安全，但如果长时间泄漏，开放式厨房发生爆炸的可能性将会更大。

关键词：开放式厨房；闭式厨房；室内燃气泄漏；体积分数分布规律

中图分类号:TU996 文献标识码:A 文章编号：1673-7644（ 2021） 03-0025-07

Comparative study of gas leakage simulation between

open kitchen and closed kitchen

ZHANG Zenggang * , SHANG Mingheng , CHEN Yunli

( School of Thermal Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China )

Abstract : After gas leakage occurs in open kitchens , research on the degree of danger and gas

diffusion laws in the room at different time periods will help provide a theoretical basis for the

formulation of regulations and the promotion of modern kitchens. Based on the Fluent simulation

software , the paper performs numerical simulation of gas leakage in the same house with open kitchen

and closed kitchen respectively, and obtains the general law of indoor gas leakage and diffusion. The results show that when a gas leak occurs, the lower explosive limit will be reached at 120 minutes in

the closed kitchen. The gas concentration inside and outside the open kitchen is higher, and the diffusion area is larger. Within 240 minutes, the open kitchen is safer than the closed kitchen. But if

it leaks for a long time, the possibility of explosion in the open kitchen will be greater.

Key words : open kitchen ； closed kitchen ； indoor gas leakage ; concentration distribution law

0引言

开放式厨房来自西方国家，将厨房和餐厅、起居

室合而为一［1］。在北美、欧洲等地开放式厨房是主

流，人们饮食以低温、少油的冷菜或清蒸、水煮的清

淡食品为主，多使用电磁炉、微波炉等非明火产品加热。而在国内，闭式厨房为主流，与传统的旺油爆炒、煎炸烹炸等习惯有关，而且国内的厨房多使用燃

收稿日期:2020-07-09

作者简介：张增刚（1971-），男，副教授，博士，主要从事燃气输配理论与技术、压缩天然气及液化天然气利用技术等方面的研究。E-mail:

ZENGGANG_ZHANG@ ［ * 通讯作者］

气1］。

近年来，由于开放式厨房具有巧妙利用空间、便

于互动等优点，在国内受到人们的广泛欢迎［2］。然而目前关于开放式厨房中发生燃气泄漏后，室内在

不同时间段的危险程度和燃气扩散规律等问题并不

明确，导致国内很多燃气公司不给采用开放式厨房的房屋供气，已成为居民用户和供气单位的矛盾焦

点⑶。鉴于此，学者们对此开展了研究。MONTIEL

等⑷建立数学模型计算研究小孔泄漏或管道泄漏

山东建筑大学学报2021 年

量等问题。田贯三⑸根据射流原理数值模拟了燃气泄漏扩散，并根据模拟结果显示的速度场与浓度

场分布规律评价了燃气泄漏的局部危险性。张甫仁等［6］通过建立燃气非稳态泄漏扩散模型，讨论并分

析了泄漏相对孔径、风速和大气稳定度等不同影响因素对燃气泄漏扩散的影响。古蕾⑺建立了居民

住宅的实际物理模型，利用计算流体动力学

(Computational Fluid Dynamics , CFD)软件模拟了燃

气泄漏后不同条件下的扩散情况，并对泄漏后燃气

的分布及危险区域进行分析，提出了燃气安全使用相关的建议。于义成⑻利用CFD 软件对实际房屋

进行建模, 并根据模拟计算结果分析了泄漏后的燃

气的扩散规律，划分了不同时间段可能发生燃气爆

炸的空间，定量计算了爆炸产生的破坏力并评估了爆炸产生的危害。翟卫东［3］论述了开放式厨房的类型、

相关规范对开放式厨房供气条件的要求，计算了通风条件对室内空气质量的影响，探讨了给开放式厨

房供气应采取的措施。李红培［2］利用CFD 软件建立了开

放式厨房燃气泄漏扩散模型，并在不同影响因素下模

拟了开放式厨房内的燃气扩散，得出了开放式厨房室

内燃气泄漏扩散的规律，在此基础上建立了开放式厨

房爆炸模型, 并进行爆炸模拟。

尽管对闭式厨房或开放式厨房内的燃气泄漏问题做了大量的研究，但均未对比两种厨房在相同外

界条件下燃气泄漏规律，并分析出两种厨房在不同

时间段发生爆炸可能性的大小。为此，基于仿真模

拟FLUENT 软件，对采用闭式厨房和开放式厨房的

1模型建立

1.1几何模型

为了保证模拟更加符合实际，以真实户型为模拟

研究对象，选择了某一小区两室两厅一卫一厨房一书

房的房屋，户型平面图如图1所示。利用前处理软件

GAMBIT，建立房间的三维物理模型，如图2所示。每

个房间和阳台各设有一个窗口，假设厨房的窗口以内

倒［10-11］方式敞开，阳台的窗口完全敞开，其余窗口完

全关闭，完全关闭的窗口当作墙处理，假设入口门关闭，忽略从门缝流出的燃气，将入口门当作墙处理，卧

室门完全敞开。窗台高度为1.2 m 、房门尺寸为2mx 0.8 m(高x 宽)、厨房灶台高度为0.8 m ；设置两个燃气

泄漏口，位置分别为(x = 0.5 m 、y = 5.15 m 、z = 0.8 m)

和(x = 0.95 m 、y = 5.15 m 、z = 0.8 m)o 房屋高度取装修完成后室内的平均高度为2.6 m 。在建

立物理模型

的过程中，为了减少模型的复杂程度及网格划分的数

量，简化了实际的房屋，如物理模型中忽略了室内的

装修造型和各种家具的存在。此外，文章模拟的是家用燃气双眼灶灶孔处发生泄漏的工况，可将密集火孔

简化为一个大的圆状火孔，火孔尺寸为10 mm ：12】。

取型号为JZ2-T20/T22/T22B 燃气双眼灶，右灶眼的

额定热负荷为4.6 kW 、左灶眼的额定热负荷为 4.0 kW ［13］，取燃气灶的热负荷平均值为4.3 kW，燃气

的低热值为3.6x106J/m 3(标准状态)。泄漏速度由式(1)表示为

同一房屋分别进行燃气扩散数值模拟，并对比分析

了模拟计算后的结果。对两种厨房燃气泄漏后体积

Q 9・A

U =

(1)

分数分布规律的对比分析，有助于预防燃气火灾事

故，保障人身安全，减少财产损失，更好地推动开放式厨房的使用⑼。

式中U 为泄漏口燃气速度,m/s ； Q 为燃气灶的热负

荷,kW ； 9为燃气的低热值,kj/m 3 ； A 为泄漏口面积，m 2。求得 U =1.5 m/s 。

. 360 斤匚 280 J. 320 J

(b)开放式厨房

图1户型平面图

/cm

第3期张增刚，等：开放式厨房与闭式厨房燃气泄漏模拟对比研究27 Z Z

(a)闭式厨房(b)开放式厨房

图2房间物理模型图

1.2网格划分

网格划分质量的好坏是整个计算模拟的基础。文章使用GAMBIT软件建立模型并进行网格划分，根据实际物理模型选用四面体网格并在泄漏口和出口附近进行网格局部加密。综合考虑网格质量、网格数量、网格疏密3方面因素，经过多次试算，最终确定的网格数量为1106645o

2泄漏扩散控制方程的建立

流体流入无限的空间，流动没有固体边界的限制，此情况被称为无限空间中的射流，也就是自由射流［14］。燃气泄漏是在内、外压差的作用下通过泄漏孔向室内扩散的过程，该过程可以描述为自由射流，泄漏出来的燃气与周围环境中空气混合，发生质量和动量交换［15］。此次模拟做出如下假设：(1)燃气泄漏是速度保持不变的连续泄漏［9］;(2)燃气扩散过程中与空气只进行组分运输，而没有热量交换。

连续方程(质量守恒方程)由式(2)⑻表示为

+V-(四)_0,(2)

式中p为密度,kg/m3；Z为时间，s；即为流速,m/s。

其在三维坐标的形式由式(3)表示为

d p+d(pu)+d(以)+d(pe)_0⑶

d dx dy dz_，()式中—e分别为流速W在x、y、z方向的分量,m/s。

不可压缩流动的连续方程由式(4)表示为

du dr de/、

++_0o(4)

dx dy dz

燃气泄漏扩散遵守动量守恒方程，运动方程(动量守恒方程)在扩散过程中动量守恒方程微分形式由式(5)⑻表示为

dW dW1

_+(W・V)W_/+V・X,(5) d/d p 式中/为单位质量力,N/kg；X为单位表面力,Pa。

其在三维坐标下的形式由式(6)表示为

——+u

----+r

----+e

du1dp xx dP yx

dz)

二L+(++

dz p dx

dr dr dr dr£1/叽叽叽、

——+u----r—+e f y+(——++)

d dx dy dz'山p dx dy dz

de de de de「1/叽叽助zz、

—+u----r-----+e—二f z+(+

d dx dy dz p dx dy dz'

(6)式中p为应力张量,Pa。

p与变形速度张量&的一般关系由式(7)表示为

-2-

卩可_-P+(灿，一乙丛)V，W6+2“勺，(7)式中m为黏性系数；”为第二黏性系数;6为克罗内克符号，当i_j时6_1，而当i丰j时4_0o 对于式(7)，由于选择的是带浮力修正的k-&湍流模型，所以在动量方程中f z单位质量力应该包括除重力以外的浮力项，表达形式为S-几)g，其中几为空气密度,g为重力加速度。

根据能量守恒定律可以得出能量方程，由式(8)⑻表示为

de p1d(dF I

~T_-----V g W+①+—I入厂I,(8)

d/p p dx人O x，丿

式中e为内能,J；T为温度,K；入为导温系数;。为耗散系数，表示的是由于摩擦而产生耗散的能量，其具体形式由式(9)表示为

1(2I2

①_匚卜‘一亍J(V・W)2+尹％勺。(9)

连续方程、运动方程和能量方程是流体力学的三大基本方程，可以看出这几个方程并不封闭。因此，为了能够使其达到封闭从而求解这些方程，就必须引入新的方程。由于文章模拟的是燃气泄漏扩散到空气中，所以可以引入组分输运方程，由式

山东建筑大学学报2021 年

(10)⑻表示为響+£叽)叮A T0，(10) di dXy dx 八 “X •丿

式中K 为组分的质量分数。

为了解出方程组，还应增加混合气体的密度方

程, 由式( 11) ［8］表示为

叭陆

P AT ［少陆 + (1 - e ) M V ］，

()

式中P 为压强,Pa ；人为理想气体常数;M v 为甲烷的

相对分子质量;M a 为空气的相对分子质量。

由于方程已经封闭，通过求解即可得到方程通解，给定边界和初始条件便可求得相应的特解。

3 FLUENT 软件模拟分析

在GAMBIT 软件建立模型并划分网格后，导入 CFD 软件的FLUENT 软件中，进行设置并计算。检

查网格质量合格、尺寸和单位正确后，使用基于压力

的求解器。泄漏过程选用非稳态过程，燃气泄漏扩

散符合能量守恒定律，启动能量方程。由于从泄漏

口射出的燃气与空气剧烈掺混，流动状态属于湍流

状况，可采用k -&模型216］。对燃气泄漏后体积分

数分布规律的研究，不考虑发生爆炸的情况，因此采

用无化学反应的组分运输模型。燃气为天然气，简

化为甲烷，其爆炸极限为5%〜15%［17］。燃气泄漏

口设为“速度入口”，入口速度为1.5 m/s ；厨房窗口

是外界风的进口，也设为“速度入口 ”，其值为 0.1 m/s 。出口为阳台的窗口，由于出口与大气相通

且出口速度不易求得，可将出口设为“压力出口”。此

次模拟不考虑墙壁的传热和传质问题，将墙壁设置为

无滑移墙(wall)，保持默认设置。求解采用压力耦合

方程组的半隐式算法(SIMPLE)，亚松弛因子取值表见表1o 对整个流体连通域进行初始化并保证室内

初始甲烷体积分数为0，设置迭代时长，开始计算。

表1亚松弛因子取值表

参数

压力

密度体积力动量湍流动能湍流耗散率湍流黏度甲烷能量

亚松弛因子

0.3110.70.80.8111

3.1闭式厨房

3.1.1闭式厨房燃气泄漏30 min

燃气发生泄漏 30 min 时, 采用闭式厨房的房屋

内，在x =1.4 m 处和y = 5.15 m 处平面，燃气体积分

数分布如图3所示，厨房内燃气分布如图4所示。

此时闭式厨房内燃气体积分数为1%〜4%，低于爆

炸下限。由于燃气密度＜空气密度，泄漏的燃气在

浮力的作用下向上扩散，只有燃气泄漏口上方小部

分区域燃气体积分数＞5%，达到爆炸下限。由于闭

式厨房与大厅之间墙的阻隔，使厨房之外的区域燃气体积分数＜0.1%，远低于爆炸下限。

104103|.021011001

甲烷声

积分数

0.05 or- 0J 0J 0」 0J 图3泄漏30 min 房屋燃分布图

图4泄漏30 min 厨房内燃气分布图

3.1.2闭式厨房燃气泄漏60 min

燃气发生泄漏60 min 时，采用闭式厨房的房屋内，在x =1.4 m 处和y = 5.15 m 处平面，燃气体积分数分布如图5所示，厨房内燃气分布如图6所示。

此时闭式厨房内燃气体积分数为2%〜5%，其中在

燃气泄漏口上方的区域燃气体积分数已＞5%，达到

爆炸下限。在厨房窗口进风的作用下，客厅中靠近

厨房的小部分区域燃气体积分数达到3%，其余绝

大部分区域燃气体积分数依然＜0.1%，远低于爆炸

下限。相较于泄漏30 min，达到爆炸下限的危险区

域扩大。

第3期张增刚，等：开放式厨房与闭式厨房燃气泄漏模拟对比研究29

图5泄漏60min房屋燃气分布图

图6泄漏60min厨房内燃气分布图

3.1.3闭式厨房燃气泄漏90min

燃气发生泄漏90min时，采用闭式厨房的房屋内，在x=1.4m处和y二5.15m处平面，燃气体积分数分布如图7所示。此时闭式厨房内绝大部分的区域燃气体积分数〉爆炸下限5%，整个厨房已成为一个随时都有可能发生爆炸的危险区域。随着时间推移，厨房中燃气逐渐从厨房扩散至餐厅区域。此时，餐厅

中靠近厨房的区域燃气的最高体积分数已达到4%o

图7泄漏90min房屋燃气分布图

3.1.4闭式厨房燃气泄漏120min

燃气发生泄漏120min时，采用闭式厨房的房屋内，在y二3.3m处、y二5.15m处和z二0m处平面，燃气体积分数分布如图8所示。此时，整个闭式厨房内燃气体积分数＞爆炸下限5%o餐厅的燃气主要是从厨房门口的底部扩散出来的，然后在浮力作用下向上扩散，餐厅中已有较小的区域达到爆炸下限5%o

图8泄漏120min房屋燃气分布图

3.1.5闭式厨房燃气泄漏240min

燃气发生泄漏240min时，采用闭式厨房的房屋内，在y二3.3m处、y二5.15m处和z=0m处平面，燃气体积分数分布如图9所示。此时整个闭式厨房内燃气体积分数＞爆炸下限5%,—旦有点火源出现，就会发生爆炸。餐厅中燃气主要体积分数为2%〜5%，已有部分区域达到爆炸下限。随着时间推移，如若燃气继续泄漏，餐厅和客厅区域中的燃气体积分数将不断增大并逐渐达到爆炸下限，危险区域将从厨房扩大到餐厅及客厅，发生爆炸的可能性将进一步扩大。

图9泄漏240min燃气分布图

3.2开放式厨房

3.2.1开放式厨房燃气泄漏30min

燃气发生泄漏30min时，采用开放式厨房的房屋内，在z二2.6m处、y二5.15m处和y二3.3m处平面，燃气体积分数分布如图10所示，厨房内燃气分布如图11所示。由于开放式厨房与大厅没有隔墙并且在窗口进风的作用下，从泄漏口泄漏出的燃气并不会在厨房内长时间积聚，而是从泄漏开始就沿着天花板逐渐向餐厅和客厅区域扩散。此时，由于泄漏时间不长，厨房内燃气体积分数为1%~4%，厨房以外的区域燃气体积分数＜1%，只有在燃气泄漏口附近很小的区域达到爆炸下限

5%o

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