论文总字数：19245字

摘 要

抽油烟机是一种用于净化厨房内部环境的厨房用电器。它被安装在厨房健康节能吸油烟机炉灶上方，能将炉灶燃烧的废物以及烹饪过程所产生的对人体有害的油烟抽走，排出室外，减少污染，净化空气，并具有防毒、防爆的安全保障作用。

其工作原理为电源带动电机，风轮正向旋转，使炉灶上方产生负压区，将室内油烟气体吸入吸油烟机内部，入口油网过滤第一次油烟分离，烟机内部通过叶轮的旋转对油烟气体进行第二次的油烟分离，风柜中的油烟凝聚成油滴，通过油路收集到油杯，烟气净化之后沿出口的通路排出。

具体工作内容为测量抽油烟机的主要尺寸，针对抽油烟机内部主要尺寸使用solidworks，建立风柜内部模型；再导入ansys对流场建模，根据冻结转子法分割流场，并根据材质进行有限元划分；最后通过cfx，进行流场仿真分析；根据仿真结果生成云图，并根据速度分布云图提出优化方案，实现流场参数优化。通过选取不同尺寸的流场以及扇叶，分别带入进行仿真，并对出口流量横向比较，最终达到增强流场风量的优化效果。

关键词：吸油烟机、流场、CFX、云图

Optimization Design Of The Flow Field Of The Range Hood Fan System

Abstract

Range hood is a kind of kitchen appliance to improve kitchen environment. It is installed above the health saving kitchen stove hood, to clear the harmful lampblack produced by boiler burning and cooking, then exhaust it out of door. Range hood can reduce pollution and purify air. It is also antivirus and anti-explosion, which is safety and security.

The operating principle of range hood is supplied by power, the motor rotates to drive the fan. Negative pressure is produced above the kitchen range, to absorb the lampblack gas into th range hoob. Spraying streamline net filters the lampblack gas to divide the lampblack. Internal range hook divides the lampblack sencond time by fan rotating. Lampblack in the gallery condenses to oil drop, then collected by the oil cup. Lampblack is vented finally after cleansing.

Concrete work content is listed. First, measure the main size of the range hood. Second, use the solidworks to model by main internal size. Third, import the models into ansys, model the flow field, divide the flow field by frozen motor method. Forth, do finite element division, calculate and simulate by CFX. Generate cloud images according to the results. Propose optimization scheme by cloud images. By choosing different sizes of flow field and fan, contrasting export flow, to optimize the flow field of fan.

Key Words: Range hood、Flow field、CFX、Cloud images

目 录

第一章 前言 5

1.1 研究背景 5

1.2 软件介绍 5

1.3 发展趋势 6

1.4 研究内容 7

第二章 基本理论 9

2.1 计算流体力学 9

2.2 湍流模型 9

2.3 有限元分析 10

2.4 冻结转子法 11

第三章 solidworks建模 13

3.1 主要零件 13

3.2 相关尺寸设置 13

3.3 流体域生成 15

第四章 Ansys CFX仿真 18

4.1 模型导入 18

4.2 网格设置 19

4.3 CFX前处理 20

4.4 CFX求解 24

4.5 CFX后处理 25

第五章 仿真结果 27

5.1 速度流线 27

5.2 速度分布 28

5.3 气压分布 29

5.4 扇叶压强 30

5.5 动画制作 31

第六章 参数优化 33

6.1 风柜圆角参数优化 33

6.2 扇叶个数优化 34

6.3扇叶夹角优化 36

6.4 扇叶曲率优化 37

第七章 结果参数分析 39

7.1 流速分析 39

7.2 气压分析 40

7.3 SST模型对比 41

7.4 结论 41

第八章 后续研究展望 43

总结 44

致谢 45

参考文献 46

第一章 前言

1.1 研究背景

抽油烟机一般装置在厨具上侧，它可以将厨具工作产生的废气以及烹调过程中可能产生的不利于人体的油烟快速吸走，通过管道最终收集烟气，从而达到净化空气的效果，同时对使用者具有保护作用。

在近几年的发展中，国内抽油烟机行业不断发展，可以算是比较成熟的产业。中国内部销售抽排油烟机的产量至今多达1895万台。在此之前，中国抽油烟机由浙、粤、青岛形成的三大产业集群的旧战略版图，逐渐被由浙、粤、川、海四大新产业集群形成的新战略版图所取代。

中国抽油烟机产业产量不断提升的同时，一些环境、效率、能源、污染问题也逐渐显露，有待优化。同时由于抽油烟机行业的检测标准不完善，开发能力较弱，环保节能效果不明显，国内技术提升缓慢，以及污染问题严重和安全保障等问题制约了行业推动发展。同时也使得国外抽油烟机抽油烟机市场入侵国内，技术提升刻不容缓。

抽油烟机根据 “空气负压”的原理工作。一般概括为“内部负压，外部正压”。在风柜机身内安装一只或两只叶轮，由电机带动。当叶轮做高速旋转时，可以在风柜内侧形成负压区域，内侧气压低于大气压，从而将油烟吸入风柜内部。同时由于扇叶推动，风柜出气口气压高于大气压，从而将油烟推入管道，其实质就是一个气体泵，将厨房内的油烟抽走。

抽油烟机的结构很简单，它是由箱体风柜，控制电路，电机风机系统和排风管道系统组成。风机系统是抽油烟机的主要工作系统，主要工作为电机带动叶轮。抽油烟机的实际排风功率，也是由风机系统的性能决定。控制电路是抽油烟机最有科技含量的模块，通过微电路板控制抽油烟机的电机工作状态和开关状态。排风管道系统顾名思义即为一根排风管。飞科使得油烟正向传动通过管道，同时防止烟气回流，降低风机功率，所以出风罩之外应当设计止回阀。箱体风柜系统主要包括主机和集烟模块，一般主要使用不锈钢等材料打造，具有耐高温耐腐蚀的性能。^[12]

1.2 软件介绍

为了更加直观的了解抽油烟机内部流体运动规律，并根据其流场规律对其出口流量进行提高与改善。本次课题借助Ansys CFX软件将风道、风机、扇叶作为模拟对象，对抽油烟机的主要零件根据流场内部工作状况进行三维模型模拟分析，分析其流动特征，并比较抽油烟机流场界面的速度矢量图、云图、流线图、进出口截面云图，为抽油烟机性能改进和流场优化提供基础，经软件流场模拟得到不同参数下的最佳效率工况。

CFX模块具体包含前处理系统、求解器、后处理系统。其主要功能包括：多相流模型、传热模型、先进的湍流模型、非结构化多模块、化学动力学和燃烧模型。ANSYS CFX还可以和ANSYS Structure及ANSYS Emag等软件配合，实现高仿真度的多相耦合分析。^[1]

除了应用面广泛的工业流场仿真以外，CFX也可以通过对热能、化学作用、应力的计算，完成对燃烧、建筑结构、化学反应等多种仿真实例。由于其强大的仿真功能，CFX目前广泛应用于机械、建筑、航空航天、纳米技术、汽车风阻、化工产业等工业问题，同时由于开发者的不懈努力，CFX不久的将来也有望作用于生物技术、消防处理、冶金技术等多种问题，更大程度为人类解决问题提供帮助。

1.3 发展趋势

随着中国工业技术不断推进，民用科技不断发展，抽油烟机产业的技术和销量也不断提升。抽油烟机市场需求逐渐多元化，市场不断细化，抽油烟机市场如今已经增长出各种复杂、个性的用户需求。

整个抽油烟机行业应当多角度考虑问题，从不同的需求展开研发，从而制造出真正贴合消费者的产品。

就当前抽油烟机市场发展趋势而言，抽油烟机不仅面向城镇，而是将市场扩宽到农村，从而有更为宽广的消费市场。同时国内抽油烟机厂商也考虑海外市场，不仅考虑国内用户需求，也会针对国内外文化差异和生活方式的不同而生产不同外形、不同参数的抽油烟机。

宏观市场收益来看，抽油烟机行业国内生产总值持续增长，家电产品总体销量平稳上升。受到房地产行业的带动，包括厨房电器在内的相关产业均被带动发展，国内行情发展良好。

根据网络数据统计，国内抽油烟机品牌前十名分别为：方太、老板、华帝一能、方太风魔方、优盟、老板佳盈、老板逊驰、德意、乐宜佳、美的。^[16]

就抽油烟机制造业发展趋势而言，当前开发仍然只是一味追求叶轮的高转速和风柜的高排气量，而忽略了烟气收集、噪音、管道堵塞、等基本问题，造成比较差的用户体验。同时由于烟气本身的高热量以及电机高速转动产生热量，会有可能引发火灾。同时吸入的油雾也会有高助燃性，造成安全隐患。这些都是生产厂家应当考虑的问题。

对比近几年的销售数据，平顶式和深罩式的抽油烟机结构占比呈现下降趋势，而近吸式则体现出更高的需求量。低价位需求量降低，中高价位则更受消费者欢迎。^[17]

1.4 研究内容

本次研究内容为抽油烟机的“心脏”——风机系统。抽油烟机的主要作用为通过风机排出厨房油烟，风机的流场分布直接影响风机的出口流量。

图1-1 流程图工作安排

根据项目要求，本文设计了吸油烟机风机系统的初始模型，基于计算流体力学安排模拟仿真实验，用正交实验的方法优化吸油烟机风机系统的风量，提升风机性能，研究叶轮各结构参数对于吸油烟机风机系统风量的影响，并提出运用这些理论指导风机系统的设计工作的方法。

具体工作内容包括：1、以方太单风道抽油烟机为研究对象，测量零件主要尺寸，使用solidworks软件建模；2、导入到Ansys CFX，生成流场，对流场、扇叶进行网格划分，设置入口条件、出口条件、壁面条件、风机转速，对流场进行仿真，并在后处理中对流线、云图和矢量图进行评价；3、根据流场云图和矢量图，分析流场速度分布，重新选取尺寸并仿真，与初始流场流量比较，最终得到优化的效果。

优化目标方面，目前的风机优化研究多集中于风机风量、效率或噪声等单方面性能的提升，并且往往以其他方面性能的牺牲为代价，已有的多目标研究通常选取风量和效率作为优化目标；本次研究主要针对风机风量，分析叶轮各结构参数对于风量和噪声的影响机理，在电机转速确定的情况下使得风机风量达到最大。^[11]

第二章 基本理论

2.1 计算流体力学

计算流体力学作为一门交叉学科，是随着计算机不断发展，综合数学、流体力学和计算机算法从而产生的力学学科。其主要研究内容，是通过计算机迭代数值方法公式，从而求解流体力学的相关控制方程，最终对流体力学问题做出模拟和仿真分析。计算流体力学一般可划分为理论流体力学以及实验液体力学这两大派系分支。理论分析是通过数学方法求解问题的定量值，但是凭借人力毕竟只能求解简单的计算，计算流体力学也正是为了弥补人力不足，通过计算机迭代求解，高效的得到结果，从而发展起来。^[19]

通俗说明，计算流体力学的基本原理为：定义一系列有限离散点，设出变量值的集合，以离散量代替时间域和空间域的连续量，再对连续的流场定义出离散的流体控制方程，并根据离散点变量之间的力学、热学关系，得出离散的代数方程组，最后再通过计算机对代数方程组进行求解。

2.2 湍流模型

流体力学中求解湍流模型，可以使用直接数值模拟，也可以使用非直接数值模拟。直接数值模拟法是根据N-S方程展开计算，得到湍流流场在瞬时的状态结果。而非直接数值模拟法不是根据湍流的脉动特性进行直接求解计算，而是对湍流流场先做出相应简化和近似，再带入求解。

常用的湍流模型，根据采用的不同的微分方程数进行划分：零方程模型、一方程模型、两方程模型、四方程模型、七方程模型等。针对简单流动的流场而言，一般随着方程数量增多，其精度也就越高，同时计算量也就越大，收敛性也会越差。但是，对于模型更为复杂的湍流运动，则计算量更为复杂。^[7]

Ansys主要提供以下湍流模型：1、Spalart-Allmaras 模型；2、k-ε模型；3、k-ω模型；4、雷诺应力模型（RSM）；5、大涡模拟模型（LES）。

此次仿真主要使用k-ε模型，并会通过设置，与SST模型进行比较。k-ε湍流模型，其中k是指湍流动能，ε是每单位质量湍流动能的耗散率，具体可用下式表示：

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