摘要：目前，人们对于船舶舱室的空气质量研究越来越重视。由于厨房在工作时会产生大量污染物，船舶厨房的人居环境一般比其他舱室更加恶劣。厨房内部通过排烟罩来排除烹饪活动发生的油烟。影响排烟罩控制油烟性能的因素有很多，本文设计正交实验，运用极差分析和方差分析，以一典型船舶厨房为例，研究排烟罩风幕射流角度、风幕射流速度、风幕射流宽度、排风量和排烟角度等因素对其捕集效率的影响程度顺序。
关键词：船舶厨房；排烟罩；捕集效率；数值模拟
1 引言
随着海洋的开发以及人们的生活观念的转变，船舶的保有量日益增加，船舶不仅是各类海员主要的生活空间，也成为大多数人们的选择的出行工具之一。由于船舶厨房较为封闭，且油烟等污染物释放量较大，与一般的船舶舱室相比较，船舶厨房的空气品质问题更加明显。相对于一般的陆地厨房，船舶厨房空间狭小且没有与大气相通的窗户，空气流通比较差，一般采用排烟罩进行局部排风。排烟罩的性能好坏关系到室内的空气品质，因此排烟罩性能进行相关研究，对改善厨房内工作环境意义重大。
本文将设计正交实验，对不同工况进行仿真分析，得到不同因素（排烟罩风幕射流角度、风幕射流速度、风幕射流宽度、排风量和排烟角度）的捕集效率，并分析不同因素影响力的主次顺序。
2 排烟罩控制油烟的数值模拟
2.1物理模型
本文选取一个船舶厨房为样本，建立仿真模型。如图1所示，厨房内设有排烟罩，并采用空调送风加新风的方式，在顶棚设置了空调布风器，可以最大程度上为工作台附近的工作人员降低工作温度，提供更好的工作环境，同时设有新风口用来补风。室内摆放有冰箱、橱柜等各种厨房所需用品。
1-冰箱 2-补风口 3-空调风口 4-米面柜5-橱柜 6-工作台 7-工作人员 8-豆浆机
9-灶台 10-油锅 11-排烟罩
图1 厨房几何模型
该厨房的尺寸为7m×6m×2.3m，设计总排风量为4760m3/h，新风量为1473m3/h，总空调送风量为1800m3/h。厨房进行工作时厨房内部顶棚布置有9个空调布风器用来输送空调风和两个格栅风口用来补充新风。新风口的尺寸为0.4m×0.4m，油锅的半径为0.2m。各风幕的射流角度和排烟角度的定义如图2。
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图（a）风幕射流角度定义 图（b）排烟角度定义
图2 风幕角度参数定义
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2.2边界条件的确定
夏季船舶厨房设计室温26℃，室外温度为35℃。由于厨房所处的位置是三面都有相邻的舱室，因此只计算其中东面舱壁的热传导，经过计算墙壁设置热流密度为12.2W/m2。空调送风温度为17℃，速度为4m/s；新风口进风温度为26℃，速度为2m/s。设置灶台的发热量为2kW，人员散热量为100W/人。设置灶台污染源为CO2，浓度为5000ppmv，送风口污染物浓度300ppmv，厨房内污染物初始值为300ppmv。风幕采用下送式，油烟释放速率1m/s。
2.3 排烟效率的定义
本文采用Wolbrink和Sarnosky对受限流动中的捕集效率得到的推导公式。排烟罩的捕集效率为：
（1）
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式中：Cr——油烟外溢处污染物浓度，ppmv
Cc——油烟散发浓度，ppmv
Co——室内初始浓度，ppmv
从式（1）中可以得到，油烟外溢处污染物浓度越低，排烟罩捕集效率越高。
2.4 数值模拟结果
以排烟角度为例，选择角度为30°，45°和60°进行模拟分析。对工作人员附近的温度、CO2浓度分布进行分析，选取工作人员所处平面X=3.5m。其温度分布如图3所示，CO2浓度分布如图4所示。
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（a）排烟角度30° （b）排烟角度45° （c）排烟角度60°
图3 不同排烟角度时温度分布
从图3可以看出，当排烟角度为30°和60°时，工作人员面前温度较高，约为26.4℃，工作人员后背温度较低，这是由于烹饪产生的高温烟气容易流向人员面前。而当排烟角度为45°时，工作人员面前的温度有所降低，约为25.3℃。
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（a）排烟角度30° （b）排烟角度45° （c）排烟角度60°
图4 不同排烟角度下CO2浓度分布
从图4可以看出，当排烟角度不同时，厨房内部CO2浓度分布大不相同。当排烟角度为30°时，油烟容易外溢到工作人员面前，CO2浓度约为900ppmv。当排烟角度为60°时，油烟外溢程度稍有增加，工作人员面前CO2浓度约为960ppmv。当排烟角度为45°时，一定程度上抑制了油烟的外溢，在工作人员面前CO2浓度较低，仅为600ppmv左右，但在工作人员下部和后背浓度却有所增加。
3.基于正交实验设计的排烟罩性能影响因素研究
正交实验起初源于日本，直到1960年以后才传入中国。正交实验经济高效，适合于研究多个因素多个水平的问题。它的原理为，从全面实验中挑选出一部分，这部分实验由正交表均衡选择，具有平衡性，能够代替全面实验的结果。
3.1正交实验的设计
3.1.1因素和水平选取
研究排烟罩控制油烟的效果，主要对其捕集效率进行评估。影响其捕集效率的参数众多，选择其中与排烟罩本身相关的因素进行研究。所以本文选取排烟罩的排烟角度、排风量、风幕射流宽度、风幕射流速度和风幕射流角度为研究参数，如表1所示。
表1影响因素
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根据排烟罩在实际工作中的应用情况，确定其各个参数的取值范围，然后在取值范围内平均取值，每个影响因素取5个水平，
将各因素的水平值罗列出来，如表2。
表2因素水平
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3.1.2正交表选择
在因素和水平选取后，即开始设计正交表。本文根据影响因素和水平，选择因素为5水平为5的正交表L25（56），对25种工况进行模拟计算。正交表设计后，则主要确定列号的安排顺序。本文不考虑各个因素的交互作用，因此列中每个因素的顺序是随意的，本文依次放置因素A~E，把各个因素对应的水平填入表3中，如工况9为A2B4C5D1E2，代表着风幕射流角度为0°，速度为1.1m/s，宽度为5cm，排风量为0.2m3/s，排烟角度为37.5°。
表3 计算方案
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计算方案确定之后，按照所列工况进行数值仿真模拟，得到25个工况下的排烟罩的油烟控制结果。本文评价指标为捕集效率，来表征排烟罩控制油烟的效果。
3.2因素和水平选取
显著性是指两个不同工况结果的任何差异是由于系统因素而不是偶然因素的带来的影响，它表示各个因素之间用来相互区别的能力。可以通过对计算结果运用极差分析和方差分析，得到不同因素对排烟罩捕集效率的作用显著性，同时也可以确定各个参数的最优水平，为实际生活中排烟罩的设计应用提供参考。
3.2.1极差分析
极差R是某个因素中，不同水平的最大与最小值的差值。极差的大小表征了影响因素的显著性。本文按照所选取的25种工况进行数值计算，其中各个工况的计算条件相差较多，两两之间没有可比性。此时，需要对25中计算工况进行分类组合。记排烟罩的捕集效率为η1、η2、η3...η25，记TA1为A因素1号水平时，捕集效率的平均值，即
（2）
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在计算A因素排烟罩捕集效率时，B~E因素的各个水平也被计算了两次，说明在A1条件下，计算条件（B~E)发生的变动是均等的，因此可以认为A1、A2、A3、A4和A5反映了A因素的5个水平对捕集效率的作用规律，同时A因素的极差值反应了其对捕集效率的显著性，计算结果如表4所示。
表4 不同因素捕集效率的极差分析
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为了更加直观地表现各个因素对罩体捕集效率的影响，绘制其随各因素变化的走势图。从图5可以看出，排烟罩排风量对其捕集效率影响最大，其次是风幕射流宽度和射流速度，且两者的影响程度相当。风幕角度对其影响更小，影响最小的为排烟角度。
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图5 捕集效率随各因素变化趋势图
3.2.2方差分析
方差分析应用于数据差别的显著性检验。使用平均偏差平方和能更合理表示数据的集中程度。其计算方法为，将n个数据的偏差平方和除以（n-1）。在数学上，把（n-1）称为偏差平方和的自由度。而Fj是指，当因素水平变化时，平均偏差平方和与误差的平均偏差平方和之比。为了判别Fj值的大小所代表的的物理意义（即多大时可以认为为实验结果的差异主要由各个因素影响，多小时可以认为实验结果的差异主要有实验本身误差引起的），需要查询统计数学原理编制的F分布表[20]。
本文将分析影响捕集效率各个因素水平变化的贡献程度。对各个因素的统计量Fj进行计算，并取置信度为0.1，由F分布表查出Fɑ的值，查得其值为2.60，并与Fj进行对比，如果Fj＞Fɑ，则认为该因素对捕集效率影响显著。经计算，得到捕集效率的方差分析表，如表5所示。
表5 不同因素捕集效率显著性的方差分析
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通过表5可以看出，排烟罩风量对排烟罩捕集效率影响最为显著，其次是排烟罩的风幕射流宽度和风幕射流速度，总体来讲，排烟罩的各个设计参数对其捕集效率显著性顺序为：排风量＞风幕射流宽度＞风幕射流速度＞风幕射流角度＞排烟角度。该影响程度顺序可以为以后排烟罩的设计提供参考。
4 结论
本文通过正交实验研究了不同因素对排烟罩捕集效率的显著性。运用正交实验，在各个影响因素内进行均衡抽样，减少计算量。然后对计算结果运用极差分析和方差分析，得到各个因素的显著性顺序为：排风量＞风幕射流宽度＞风幕射流速度＞风幕射流角度＞排烟角度。
作者简介：
1.何春雨，博士，362344909@qq.com，海军装备部驻上海地区第二军事代表室，中国，上海，200129，The Second Military Representative Office of Naval Equipment Department in Shanghai
2.罗雯军，中国舰船研究设计中心，中国，上海，201108，China Ship Development and Design Center