通风管道中止回阀阻力系数研究

集中烟道是现在住宅排烟的主要形式[1-2].对集中排烟的方式进行研究后,发现集中排烟系统还存在着一些问题[3]:一是底层用户油烟排放困难,排烟效果不佳厨房内烟气残留较多,严重影响了居室的空气质量;二是有些楼层用户会出现串味、倒灌等现象.厨房油烟排放不畅会影响整个住宅的空气质量.更重要的是,厨房的油烟含有多种有害成分[4-6],对身体健康有很大的危害,甚至会诱发包括呼吸道疾病、皮肤疾病、心血管疾病在内的各种疾病.厨房油烟排放不畅,厨房内烹饪时产生的燃烧颗粒物以及余热会将这些有害物质扩散到居室其他的区域,对人体产生长时间的危害[7],严重影响生活质量.因此,如何调控各层油烟机排风量,防止油烟回流等问题便变得越发重要.

现今主流的烟道通风调控方法就是利用阀门开合对风量进行调控.阀门在管路系统中作为管道的承压元件,数量繁多和种类复杂.而止回阀是则是出现在管路系统中的最常用的阀门类型之一.止回阀的主要功能是防止管道内流体介质倒流,介质顺向流动时阀瓣自动开启,介质逆向流动时阀瓣自动关闭,因此,止回阀又称单向阀.常用止回阀按结构划分主要类型有升降式止回阀、旋启式止回阀、斜盘式止回阀、双板式止回阀以及轴流式止回阀等[8-9].本研究烟道中的止回阀采用的是斜盘式止回阀.

烟气在通过止回阀时会出现压力损失,压力损失越大,烟气越难以排放[10-11],而止回阀的阻力系数与烟气的压力损失有着直接的数量关系[12],因此,对烟道中止回阀阻力系数进行研究是很有必要的.

1 止回阀阻力系数数值模拟

1.1 建立模型

根据实体尺寸对烟道进行简化建立3维计算模型如图1,运用Fluent对其整体内部流场进行了数值计算,对于止回阀的阻力系数的计算,在止回阀不同的开度下给定不同的风量来进行模拟.

图1 止回阀模型示意图
Figure 1 Schematic diagram of check valve model

对烟道带有止回阀的部分用Solidworks对其进三维模型的绘制.在三维模型中进行了适当的简化和省略,为后续的网格划分做准备.当流体经过油烟机,排入管道再经止回阀进入公烟道,这一管道再利用Gambit软件中布尔减等功能获取流体区域之后画出,并一同进行网格划分,流体区域如图2所示.

图2 流体区域示意图
Figure 2 Schematic diagram of fluid region

划分好网格之后进行网格的无关性检验,选取网格量为37.59 W.在止回阀阻力系数数值模拟中,采用的边界条件和支管阻力系数数值模拟工作一致,就不赘述.

在进行模拟时,止回阀的转动角度每10°(止回阀的阀片平行于支管轴线时为90°)进行一次模拟.当流场内部流体运动趋于稳定之后对其整体压力分布和速度分布以及几个截面上的压力和速度进行分析,并对止回阀前后两个截面上的压力差进行分析.截面1为烟道轴线截面;截面2、3分别为止回阀前后两个截面,同时也是取压面,截面示意图如图3.

图3 提取截面示意图
Figure 3 Schematic diagram of extraction section

完成截面选取后,对烟道模型的边界条件进行一系列的调整,设置好参数之后再进行数值模拟工作.进行数值模拟时,油烟机的各个档位流量已知,通过改变数值模拟时的入口边界条件来模拟不同档位(一、二、三档,其中三档分风量最大)下的油烟机风量.通过改变止回阀开启度数来模拟不同开度下的烟道,每10°作为一个状态进行模拟,止回阀平行于油烟速度方向为90°.阻力系数计算公式如下:

(1)

式(1)中:ΔP表示支管进出口的压力差值;ξ为支管的阻力系数;ρ是空气的密度为1.29 kg/m3;V表示管道内的流体速度.

1.2 数值模拟数据对比

止回阀每10°作为一个状态进行模拟,止回阀平行于油烟速度方向为90°.每一个开启角度下,分别计算不同的档位(即三档、二档、一档)下的阻力系数,由于数据量很大,因此，下面仅取开启70°时二挡(图4)、开启70°时一档(图5)和开启50°时一档(图6)的数据进行对比.

图4 止回阀开启70°二档位数据
Figure 4 Check valve open 70° of second gear data

图5 止回阀开启70°一档位数据
Figure 5 Check valve open 70° of first gear data

图6 止回阀开启50°一档位数据
Figure 6 Check valve open 50° of first gear data

通过数值模拟可以看出随着止回阀开启角度逐渐变小,止回阀前后取压面上的压力变化越来越大,对每个开度下不同油烟机档位进行数值模拟并提取结果,通过公式(1)计算得到其阻力系数,并且绘制折线图如图7.由折线图可以得到止回阀在同一开启角度下随着油烟机档位变化,其阻力系数基本不变.风量对止回阀阻力系数的影响可以忽略,认为止回阀的阻力系数只与开启角度有关.

图7 止回阀阻力系数数值模拟折线图
Figure 7 Numerical simulation diagram of check valve resistance coefficient

2 止回阀阻力系数实验测试

为了更进一步对止回阀阻力系数进行研究,参照支管阻力系数实验测试平台搭建止回阀实验测试平台,对止回阀的阻力系数进行实验测试,同时验证数值模拟工作的可靠性.实验平台的搭建与前面提到的支管阻力系数实验测试类似,只是在支管的出口连接有止回阀,取压点的方式和前面提到的一致,位置取在止回阀进出口的位置处.止回阀阻力系数测试现场图如图8.

图8 止回阀阻力系数测试现场图
Figure 8 Field diagram of check valve resistance coefficient test

实验测试时选用的止回阀为电动止回阀,可调节的角度在90°到30°,电动止回阀如图9.将止回阀安装在铝箔管与集中烟道的连接处,进行实验测试.

图9 电动止回阀实物图
Figure 9 Physical drawing of electric check valve

通过实验测试分析得出电动止回阀在同一开启角度下,风量对止回阀的影响很小,可以认为风量对止回阀的阻力系数没有影响,在同一开启角度下止回阀的阻力系数只与阀片的开启角度有关系.同时分析实验数据可以得到:止回阀开启90°时阻力系数约为0.05;70°阻力系数约为1.25;60°阻力系数约为3.63;50°阻力系数约为9.40;40°阻力系数约为23.80;30°阻力系数约为91.5.止回阀开启角度越小止回阀的阻力系数越大.实验测试与数值模拟的结果对比如图10.

图10 实验数据与数值模拟对比
Figure 10 Comparison between test data and numerical simulation

通过分析可以看出数值模拟和试验测试的结论一致,止回阀的阻力系数受风量的影响可以忽略,认为止回阀的阻力系数只与止回阀的开启角度有关,且通过对数据的拟合得到止回阀阻力系数与开启角度的关系为

ξ=k1ek2(90-θ).

(2)

其中，k1=0.115 4,k2=0.111 3.详细数据如表1.

表1 详细实验数据
Table 1 detailed experimental data

3 结语

结合数值模拟和实验测试,通过对比止回阀不同的开启角度下给定不同的风量时的数据,结合公式计算阻力系数,得出烟道中风量大小对止回阀阻力系数影响可忽略不计,而随着开启角度减小,阻力系数增大.同时结合所得数据,拟合出了止回阀阻力系数与开启角度的关系,对油烟机风道设计和风量分配有着很好的借鉴意义.