收稿日期：2020-03-01
作者简介：崔蓝予（1975-），男，学士，工程师，主要从事交通工程质量监督、管理工作。高层住宅厨房集中排烟道弯头阻力模拟分析
崔蓝予，刘贵军，黄凯良，刘    馨，李慧星
（沈阳建筑大学，辽宁    沈阳    110168）
摘要：随着城市的飞快发展与人口密度的迅速增加，高层建筑逐渐成为常见的住宅形式，而厨房作为住宅中重要组成，厨房烟气的排放关乎整个住宅内的空气环境。厨房内的油烟以及其他有害气体无法及时
排出，对整个房间内的空气环境产生许多不良影响。本文在高层住宅厨房集中排烟相关研究的基础上，针对排烟道弯头段对整体烟气排放带来的阻力影响进行探讨研究。以沈阳某一高层住宅为研究对象，对住宅厨房集中排烟道整体以及弯头段进行阻力计算，分别计算3层用户与7层用户同时开启排油烟机时烟道内部阻力大小分别为235.6Pa 及1191.37Pa，在烟机提供的最大静压下，烟气均可顺利排出，其中弯道阻力损失分别占总损失的9.87%和10.6%。利用FLUENT 软件对烟道排烟情况进行模拟，分析烟道内部各处压力分布，得出弯头对烟道排烟产生的影响。关键词：高层住宅；集中排烟；FLUENT；数值模拟
中图分类号：TU834.26                文献标志码：B                文章编号：1673-0402（2021）04-0053-03
现如今，室内空气环境质量是人们追求健
康居住生活时十分在意的问题。相关资料表明：室内空气污染程度远严重于室外污染。厨房污染物对于室内环境产生极大影响。厨房产生的污染物主要是燃烧天然气之后留下的废气废热以及做饭过程中产生的油烟[1]。这些有害气体被人体吸入后，会对人体健康产生很大威胁，不仅会导致喉咙不适、干咳、成人呼吸道窘迫综合症等问题，同时这些有害气体也是鼻咽癌、肺癌等癌症的主要元凶。我国居民习惯在烹饪时采用煎炒烹炸等方式，这些烹饪习惯导致在做饭时会产生大量的油烟，继而大大加重室内的污染程度。因此，厨房烟气的顺利排出对室内环境至关重要。
张若楠等[2]采用数值模拟的方法对主烟道内烟气的温度场和速度场进行研究。对比分析了在主烟道截面面积不变的前提下，不同几何尺寸主烟道出口截面的平均速度、平均温度、最高温度，并提出了排烟管道尺寸优化设计的方法。王海超[3]通过数值模拟对排烟道内局部构件产生的阻力进行优化模拟与研究。
目前，高层住宅厨房烟道主要形式为竖向集中排烟系统，这种集中排烟系统可能会出现由于烟气量过大，烟道内阻力过大而导致的串烟、倒灌等排烟问题。本文分析了为满足建筑设计需求，排烟道所设置的弯头段产生的阻力以及对排烟产生的影响。
1集中排烟系统排烟道阻力计算
厨房内烟气通过集中排烟道顺畅排放的同时也使厨房内呈负压状态，外边的新鲜空气得以进入，空气质量得到提高，室内气体也达到平衡状态。排油烟机是家用厨房的基础排烟设施，为了顺利排出烟气，烟机提供的出口压力需大于烟气在烟道内流动产生的阻力。为了探讨集中排烟道弯头段处是否会对烟气的排放产生影响，即烟气能否克服由于弯头段带来的额外阻力顺利排出，首先要确定烟道总的阻力损失大小和弯头段的阻力大小。
1.1    工作原理与理论公式
在集中排烟道内，烟气流经烟道与烟道壁
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发生摩擦而产生的能量损失为沿程损失。局部损失的产生则是由于烟气经过管道内的障碍物时引起了流体风速大小、方向的改变。在排烟的水力计算中，局部阻力与沿程阻力的作用十分重要。
截面一定，单位长度的比摩阻与摩擦阻力系数、流速的平方、流体密度成正比，与水力半径成反比：
242
d m V R R ρλ⋅
=
式中：ν为流体平均流速（m/s）；R d 为风管水力半径（m）；λ为管道摩擦系数。
排烟系统由各种不变断面的直管道和许多局部构件组成。其中，局部构件包括调节阀、弯头、三通管、渐扩管和渐缩管等。烟气经过烟道内局部构件导致的能量损失为局部阻力，计算公式如下[4]：
2
v 2ρξ
=Z 式中：ξ为局部阻力系数（Pa）；ν为流体平均流速（m/s）；ρ为空气密度（kg/m ³）。
1.2    工程实例
以沈阳一高层住宅建筑为例，该建筑总计34层，排烟系统为竖向集中排烟系统。取其中一处烟道为例，该烟道因建筑需求在13~14层之间设一弯形烟道，大致如图1所示。该建筑中土建烟道截面为长600mm、宽500mm 的矩形，烟道干管长163.6m，弯管段总长16.4m。烟道摩擦系数λ值取
0.035。
图1    弯形烟道示意图
假设该建筑用户使用烟机型号一致，统一规定型号CXW-228-JQD2T。外形尺寸（mm）为长800×宽445×高610。性能参数：强档下风量为900m ³/h，最大静压值为430Pa，弱档下风量为600m ³/h，最大静压值410Pa。以下计算均假设排油烟机处于弱档状态。排油烟机出口处为1m 伸缩管，管径DN150，材质为铝箔，采用铝箔烟管更加耐热，安全性能更好。铝箔λ的值可以取0.0445, 局部阻力系数ξ取0.14；排烟道弯管处，材质选取为不锈钢，摩
擦系数λ取0.023, 局部阻力系数ξ取0.15。
1.3    烟道阻力计算
分别计算该排烟道所属的3层住户和7层住户排油烟机同时运行的情况。为方便计算，作出如下假设：
（1）假设每楼层仅有一家住户，每户一台排油烟机。
（2）为简化计算，将3层用户和7层用户的排烟量当做一个整体。
排油烟机出口支管处风速：式中：Q 为排油烟机出口处风量（m ³/h）；F 为排油烟机出口处管道截面积（m 2）。
3层用户排油烟机同时运行，排烟道内风速为：
7层用户排油烟机同时运行，排烟道内风速为：
根据以上公式求得排烟道内沿程阻力与局部阻力，具体计算结果见表1。
表1    排烟道水力计算表
烟道流速v/（m/s）沿程阻力/Pa 局部阻力/Pa 总阻力/Pa
弯头段
总阻力
/Pa
3层烟机同时开启  1.67209.725.9235.6
23.27
7层烟机同时开启
3.89
1097.67
93.7
1191.37126.24
通过对烟道阻力计算，可得3台烟机同时运行时，烟道总阻力为235.6Pa，弯头段阻力占总阻力9.87%，烟机提供压力为1230Pa，烟气可以顺利排出。7台烟机运行时，烟道总阻力为1191.375Pa，弯头段阻力占总阻力10.6%，烟机提供压力为2870Pa，烟气仍可顺利排出。
2高层住宅排烟系统数值模拟
2.1    模型建立及简化假设
选取13~14层之间的弯形等截面烟道为研究对象，通过 ANSYS ICEM CFD 软件建立风道模型，并采用结构化网格。
该理论烟道模型的简化与假设如下:
（1）空气为稳态的不可压缩流动且烟气为湍流流动；
（2）只考虑温度而不考虑压强对密度的影响，符合Boussinesq 假设；
（3）无内热源，考虑壁面的散热[5]；（4）厨房油烟气的粘度和密度与空气的物性参数相近, 在进行模拟计算时, 可以将油
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烟气也简化成空气进行处理[6]。
2.2    控制方程与边界条件2.2.1    控制方程
由于排烟道内烟气流动速度变化情况复杂，烟气流动认为是湍流流动。厨房烟气通过采用非稳态RNG k-ε湍流模型和组分传输模型进行三维不可压缩流动数值模拟，利用SIMPLEC 算法对该模型进行离散求解[7]。
连续性方程：
动量守恒方程：
()i o i j j i i i i i i g T x u x u x x p x u u t T ∆−+
∂∂+∂∂∂∂+∂∂−=∂∂+∂∂βρµρρ
1k 和ε的输运方程：
εσµρρ
−++
∂∂∂∂=∂∂+∂∂b k i k t i i i G G x k x x k u t k ()k C G G k C x x x u t b k i t i
i i 221εεεσµερερεεε−++
∂∂∂∂=∂∂+∂∂式中：u i 为x i 方向的风速；p 为空气压力；ρ为空气密度；k 为湍流的湍流动能；ε为湍流动能的耗散率，μt 为湍流粘度，g i 为x i 方向的重力。G k 为由浮力引起的湍流能量的产生，C p 为比热，Pr t 为湍流普朗特数，设定为0.85，C ε1和C ε2为输运方程的系数。
2.2.2    边界条件的设定
（1）入口边界条件: 抽油烟机开启时，取速度入口，即3层烟机与7层烟机同时开启时烟道内的速度值，分别为1.67m/s 和3.89m/s。
（2）出口边界条件: 压力出口，出口处压力为0 Pa。
（3）壁面边界条件: 壁面采用标准壁面函数，目前普遍采用的排烟道为玻璃纤维增强水泥混凝土管道，取绝对粗糙度k = 1.5 mm。[8]
3模拟结果分析
图2                                    图3
图2    3层用户同时使用排烟管道压力图  图3    7层用户烟机同时开机使用时排
分别对3层用户以及7层用户同时使用烟
机时的排烟道内部压力进行模拟，模拟结果如下图，右端为烟气出口处，压力值为正，烟气可以顺利排出，压力为负，则排烟受到影响。
图2为3层用户烟机同时开机使用时，排烟道整体压力分布及弯道处压力分布情况，可以看出越接近排烟道出口，压力值越小，但整体压力值为正，烟气可以顺利排出，不会出现油烟倒灌的现象。
烟道整体压力分布及弯道附近压力分布情况，可以看出接近排烟道出口部分压力值已经为负值，排烟道末端处烟气流动受到阻碍，烟气不能顺畅排出，可能出现油烟倒灌或窜烟等现象。
4结语
（1）集中排烟系统可能会出现由于烟气
量过大，烟道内阻力过大而导致的串烟、倒灌等排烟问题，通过对3层及7层烟机同时开机时排烟道内
阻力进行计算，可以得出烟机提供的静压足以克服管道阻力，烟气可以排出。弯头段阻力占总阻力约10%，与弯道长度对烟道总长度之比近似相等，说明弯头段对烟气的排放没有产生太大的影响。
（2）通过模拟3层及7层的排烟机开启烟道压力情况，总体可以得出烟道弯头处对于排烟的影响不大，但在超过七层时，排烟道末端可能有少量负压存在，导致烟气无法顺利排出，需要考虑管道优化措施。
参考文献:
[1]  高明侠.高层住宅厨房公共排烟道不均匀开启率
对烟道内烟气流动的影响[D].西安：西安建筑科技大学,2012.
[2]  张若楠，余跃进，许建.高层住宅排烟管道尺寸的
优化设计[J].南京师范大学学报(工程技术版),2014,14(3):43-47.
[3]  王海超. 高层住宅厨房集中排烟气道系统导流构件
实验与模拟研究[D].西安：西安建筑科技大学,2013.[4]  熊松. 住宅厨房多动力源集中排烟道的流动特性与
数值模拟研究[D].广州：广州大学,2019.
[5]  魏洁，余跃进，武志远.热压对住宅厨房集中排烟
道排烟能力的影响[J].南京师范大学学报(工程技术版),2015,15(1):25-29.
[6]  周金辉.高层住宅厨房集中排烟系统理论计算与数
值模拟[J].四川建筑科学究,2015,41(3):215-218.[7]  Kailiang H , Jiasen S , Guohui F , et al. Indoor air
quality analysis of residential buildings in northeast China based on field measurements and longtime monitoring[J]. Building and Environment, 2018,144,171-183.
[8]  邵治民. 高层住宅厨房集中排气系统的模拟研究
[D].西安：西安建筑科技大学,2010.

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