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摘要：通过吸油烟机市场调研，对我国目前市场上主流吸油烟机的性能和技术现状进行了综述。针对吸油烟机内部流动特性和特殊的箱体结构，文章提出了在吸油烟机箱体内施加斜挡板和封闭板的吸油烟机风道系统结构改进方案，并对其性能进行了实验测量。结果表明: 吸油烟机的风量和风压均有所提高，即使在最大风量条件下，吸油烟机的噪声增加也不超过1dB（A）。最后对完善和提高吸油烟机性能、促进吸油烟机技术发展进步提出了合理建议。
关键词：吸油烟机；内风道系统；性能优化
吸油烟机的气动与噪声性能不仅能够直接关系到国民的生活质量，同时对国家的节能减排有重要影响，因此对其风道系统进行改进、改善厨房环境具有重要的现实意义和社会价值。吸油烟机主要由集烟罩、油网、箱体、离心风机、出风部件以及电控系统组成，影响吸油烟机空气性能与噪声特性的部件包括集烟罩、油网、箱体结构、离心风机和出风部件结构等，其中吸油烟机中的核心部件为前向多翼离心风机，与其他离心式通风机相比，多翼离心风机流量系数大、压力系数高，同时具有噪声低、尺寸小等特点。作为吸油烟机的核心部件，其性能的好坏对整个吸油烟机的影响最为显著。为了达到吸油烟机在风量、风压和噪声方面的要求，研究人员不断对其进行优化改进，但主要集中在对多翼离心风机的改进上。
一、我国主流吸油烟机的性能和技术现状分析
在我国吸油烟机行业竞争日益激烈的形势下，吸油烟机的研发部门面临很大的挑战与机遇。多数企业研发团队对吸油烟的设计更多的是根据经验，他们制造一系列试验样品进行研究，并没有考虑结构设计对吸油烟机内部空气动力学性能的影响。由于多翼离心风机内部流场较为复杂，因此在多翼离心风机的传统设计中，受到试验条件和测试设备等因素的限制，设计人员不能很好地分析多翼离心风机中的气体流动状态，一些关键部件的参数只能通过经验确定。
20 世纪60 年代开始，随着计算机硬件以及计算方法的迅速发展，CFD 技术（计算流体动力学Computational Fluid Dynamics，CFD）获得了广泛的应用，在航空航天、船舶动力、水力发电、空调、吸油烟机等工程领域有着优良表现。通过CFD 技术对多翼离心风机流场和声场进行数值模拟，可以将计算结果通过具体数值和图像显示出来，有助于对多翼离心风机的关键部件进行优化和设计改进。相比于试验设计方法，CFD 技术有效地提高了研发效率、缩短了研发周期，同时降低了吸油烟机产品研发成本，这使得CFD 技术在吸油烟机行业越来越受到重视。
CFD 技术在吸油烟机行业中发挥的作用不仅取决于物理模型建立的正确与否，更在于对计算结果的理论分析以及如何应用计算结果完成吸油烟机优化设计的指导和实践。随着吸油烟机行业的发展需求，CFD 技术必定在吸油烟机产品的研发及性能提升方面发挥更加重要的作用。
二、吸油烟机内风道系统的响应面优化
响应面法（response surface methodology，RSM）是数学方法和统计学方法相结合的产物，其主要思想是通过一系列设计．实验来获得最佳的响应值。由于响应面法可以经过函数拟合得出变请与相应值之间的关系，有效减少实验时间和实验成本，因此在工程问题的优化设计和CFD数值分析中也得到了广泛应用。在吸油烟机中，由于箱体尺寸的限制，蜗壳的尺寸往往受其制约而与理论设计尺寸相比偏小，吸油烟中风机的进气条件与单独风机的进气条件相比有所不同。吸油烟机内部非电机侧进风宽度为X1，电机侧为X2，蜗壳宽度为B，这三个参数的匹配会对吸油烟机的风量产生一定的影响。在吸油烟机中，选取出风口截面a和蜗壳出口截面b的流通面积比作为该处流道的关键参数，其中a截面是半径为80mm的圆形以连接烟管，定义以下参数：ε＝X1/ X2，β=Sa/Sb；其中，Sa为出风口流通面积（固定值）Sb为蜗壳出口流通面积，在改变β时，保持风机原有蜗舌间隙t不变。ε反映了蜗売在机箱中的位置摆放，β反映了蜗壳出口扩张率。本文主要是基于响应面法对箱体进风宽度比ε、蜗壳宽度B、蜗壳出口扩张率β三个参数进行优化设计。
原型吸油烟机与优化吸油烟机的内部流场有较大差别，原型吸油烟机由于电机侧进气宽度较小，导致其蜗売内部的流场分布不均匀度高于优化的吸油烟机的蜗壳内部流场分布，使得原型吸油烟机内部流动损失增大，而优化后的吸油烟机内部空间得到了更好利用，从而使得结构参数优化后的吸油烟机的流量得到一定程度的提高。
三、吸油烟机内风道系统性能优化
作为吸油烟机风道系统的重要组成部分，多翼离心风机风量、风压、噪声和效率直接决定了吸油烟机的主要性能参数。目前国内外学者对多翼离心风机的研究主要集中在叶轮、蜗壳等关键部件的结构参数上。除此之外，基于CFD 技术对吸油烟机箱体结构和其它部件的优化，对提升吸油烟机性能也起到了十分重要的作用。
1.叶轮优化
叶轮是多翼离心风机的主要运动部件，叶轮转动对气体做的功，对风机的风量、风压和效率产生直接影响。风机转动产生的旋转噪声，是多翼离心风机的主要噪声源之一。因此，提高叶轮性能可以改善气流流动状况，达到增风降噪的效果。
2.蜗舌改进
蜗舌是风机的重要组成部件，蜗舌的作用是诱导气流改变运动方向，使气流尽可能多的排出风机，减少风机中回流的产生。蜗舌的形状、间距和半径的变化都与风机内部流动状态的变化和噪声的产生密切相关。多翼离心风机在正常运转时，气体通过叶片的作用会冲击蜗舌结构，出现周期性的压力脉动和速度脉动，使风机在工作过程中产生旋转噪声。压力脉动和速度脉动也会在叶片上形成不稳定的作用力，使风机产生离散噪声。研究指出：蜗舌是多翼离心风机的主要噪声源之一，因此蜗舌的设计和优化直接关系到多翼离心风机的性能和噪声。
四、吸油烟机箱体结构改进
合理的箱体结构设计会提高吸油烟机的性能。在传统的吸油烟机箱体中只有一部分气流进入风机入口，其余气流会扩散到风机蜗壳顶部和箱体顶板之间的空间中。这部分气流由于受到箱体四周壁面的阻碍，在吸油烟机内产生漩涡和回流，从而影响吸油烟机的气动性能。为了使气流在箱体内部顺畅流动，提高吸油烟机的风量和风压，本研究提出了斜挡板和封闭板2 种方案对某型吸油烟机的箱体加以改进。
1.斜挡板
图1为采用斜挡板方案的吸油烟机结构，主视图(a) 中的黑粗线与左视图( b) 中的阴影处为施加斜挡板的位置。通过在风机入口流道处施加斜挡板，使更多气流受到挡板作用而进入到风机内部，完成能量转换。出于安装和实验的便利，将斜挡板与竖直面夹角设定为40°。
2.封闭板
图2为采用封闭板方案的吸油烟机结构，主视图(a) 和左视图(b) 阴影部分为封闭区域。通过对该区域进行封闭，能够减少流动死角，改善吸油烟机内部的流动。具体实施方案为: 采用2 块形状与左视图(b)中阴影完全相同的封闭板将蜗壳顶部与箱体封闭。在实验中，为使加工和安装方便，使用树脂材料将阴影部分完全填充。
图1 斜挡板方案 图2 封闭板方案
3.改进效果分析
本实验所用的气动实验装置按照国家标准GB/T17713-1999《吸油烟机》、GB/T14806-1993《家用和类似用途的交流换气扇及其调速器》规定配置。噪声测试环境符合GB/T4214.1 规定。改进后吸油烟机噪声测定值较改进前吸油烟机噪声测定值小1dB(A) 。由于吸油烟机多在高档转速下运行，因此测试时吸油烟机的转速设定为最高转速档位。
五、结语
随着CFD 技术的发展，基于三维非定常流动分析的优化设计方法将被应用到吸油烟机的设计中。数值计算结果能够有效揭示吸油烟机内部流动结构，采用多点多目标优化设计方法针对吸油烟机风道系统参数进行优化，使吸油烟机在不同转速档位下达到大风量、高风压、低噪声的设计要求。
参考文献
[1]吴灵辉,何立博,郑聪,王磊. 不同有效风量的吸油烟机外流场特性对比研究[J]. 风机技术,2018,60(01):28-32+47.
[2]蒋磊,张煜圣. 稳流板对全嵌式吸油烟机性能影响的实验研究[J]. 日用电器,2019(04):41-44.
论文作者:杜黎维
论文发表刊物:《防护工程》2019年11期
论文发表时间:2019/9/3
标签：吸油烟机论文; 风机论文; 箱体论文; 噪声论文; 性能论文; 挡板论文; 风量论文; 《防护工程》2019年11期论文;