“室内空气环境质量控制”天津市重点实验室建造环境（BERL）课题组徐敬等联合南昌大学，进一步分析油烟机气流组织PIV实验数据，针对住宅厨房烹饪污染物易外逸、排风能耗高、人体烹饪操作扰动明显等问题，提出了一种新型吹吸式油烟机，为住宅厨房油烟高效捕集与低能耗排风设计提供了新的形式。相关研究成果在高水平期刊《Building and Environment》（JCR Q1，IF=7.6）上发表。

一、题目

Experimental study on airflow containment and pollutant capture of a push-pull ventilation system in residential kitchens

实验研究新型吹吸式油烟机捕获气流特性与污染物捕集性能

二、作者

Wenhua Chen（陈文华），Mengyang Yan（闫梦阳），Yunxiang Cui（崔云翔），Yanzhe Yu（喻彦喆），Jing Xu（徐敬，通讯作者），Junjie Liu（刘俊杰），Jiayu Li（李佳钰）

三、研究亮点

• 提出一种于灶台侧边设置倾斜向上送出捕获射流的新型吹吸式油烟机。

• 采用粒子图像测速技术（PIV）与散射灰度法，定量分析厨房烹饪区速度场、湍流强度、涡量场和颗粒浓度场，系统研究了排风量、捕获射流速度和模拟烹饪操作扰动对污染物捕集性能的影响。

• 发现捕获射流速度为0.8 m/s时系统表现最优，在360-480 m³/h排风量下总颗粒捕集效率达到95.9%-97.1%。相比无捕获射流工况，总颗粒捕集效率最高提升约14%，而捕获射流所需风量仅约22 m³/h。

• 建立了捕获射流中心线轨迹和速度衰减的经验线性模型。

• 揭示了0.3-0.5 μm和1.7-2.1 μm粒径段颗粒捕集效率相对较低，可为后续模拟与优化设计提供关键粒径依据。

四、摘要

烹饪是室内空气污染的主要来源，因此高效通风系统对阻隔烹饪污染物至关重要。本文提出一种设置于灶台侧面的倾斜式捕获射流新型吹吸式油烟机。通过粒子图像测速技术与散射灰度法，测量了不同排风风量、捕获射流速度及模拟烹饪操作扰动条件下，烹饪区域的气流特性与颗粒物浓度分布。随射流速度增大，烹饪区流场逐渐由捕集射流主导，当射流中心线与排风口趋于对齐，形成稳定的约束区。加热条件下捕获射流偏转角大于等温条件下的偏转角；射流偏转角随排风风量增大而增大，随射流速度增大而减小。射流中心线轨迹与速度衰减经验线性模型可精准描述上述变化规律。烹饪操作扰动会增大热羽流半径和捕获射流卷吸半径，但对0.8 m/s射流速度下的偏转角影响可忽略不计。捕获射流能够有效缩减高湍流区域范围，增强污染物的捕集效果。烹饪操作产生的扰动可使颗粒物总捕集效率下降5%，且这种降低程度随扰动转速增加而增大。在射流速度为0.8 m/s时可实现最优的污染物捕集与控制性能，排风风量为360-480 m³/h时，颗粒物总捕集效率可达95.9%-97.1%（目前市场上最好的油烟机~80%）。相较于无捕获射流的对照工况，该新型油烟机可将总捕集效率最高提升14%。

五、主要结果

1.捕获射流可重构烹饪区气流组织

在无捕获射流条件下，烹饪热羽流占据烹饪区流场的主导地位，污染物随热羽流向上扩散，容易在油烟机边缘发生逃逸。当引入侧边倾斜捕获射流后，烹饪区流场逐渐转变为由射流主导的强制对流。捕获射流的偏移与衰减规律受排风风量、射流速度及热力工况共同影响：加热条件下捕获射流偏转角大于等温条件下的偏转角；射流偏转角随排风风量增大而增大，随射流速度增大而减小。

Fig. 6. Time-averaged velocity fields of cases under isothermal/heating condition: a) 300 m³/h - 0 m/s; b) 300 m³/h - 0.4 m/s; c) 300 m³/h - 0.8 m/s; d) 300 m³/h - 1.2 m/s; e) 360 m³/h - 0.8 m/s; f) 480 m³/h - 0.8 m/s.

2.捕获射流具有较好的抗扰动能力

烹饪过程中的翻炒、搅拌等人体操作会扰动锅具上方热羽流。实验结果显示，模拟烹饪操作扰动会增大热羽流半径和捕获射流卷吸半径，且扰动速度越高，影响越明显。在捕获射流速度为0.8 m/s时，扰动对射流中心线偏转角影响较小。湍流强度和涡量分析也表明，捕获射流能够削弱烹饪区污染物滞留区域，有助于污染物被快速输运至排风口。

Fig. 7. Time-averaged velocity fields of cases with disturbance under heating condition: a) 300 m³/h - 0 m/s - 30 rpm; b) 300 m³/h - 0 m/s - 60 rpm; c) 300 m³/h - 0.4 m/s - 30 rpm; d) 300 m³/h - 0.4 m/s - 60 rpm; e) 300 m³/h - 0.8 m/s - 30 rpm; f) 300 m³/h - 0.8 m/s - 60 rpm; g) 360 m³/h - 0.8 m/s - 30 rpm; h) 360 m³/h - 0.8 m/s - 60 rpm.

Fig. 8. Tu of fluctuating velocities for cases: a) 300 m³/h - 0 m/s - iso; b) 300 m³/h - 0 m/s - heating; c) 300 m³/h - 0 m/s - 30 rpm; d) 300 m³/h - 0 m/s - 60 rpm; e) 360 m³/h - 0.8 m/s - iso; f) 360 m³/h - 0.8 m/s - heating; g) 360 m³/h - 0.8 m/s - 30 rpm; h) 360 m³/h - 0.8 m/s - 60 rpm.

Fig. 9. Time-averaged vorticity field of cases: a) 300 m³/h - 0 m/s - iso; b) 300 m³/h - 0 m/s - heating; c) 300 m³/h - 0 m/s - 30 rpm; d) 300 m³/h - 0 m/s - 60 rpm; e) 360 m³/h - 0.8 m/s - iso; f) 360 m³/h - 0.8 m/s - heating; g) 360 m³/h - 0.8 m/s - 30 rpm; h) 360 m³/h - 0.8 m/s - 60 rpm.

3.捕获射流轨迹和速度衰减可用线性模型描述

研究进一步分析了捕获射流中心线轨迹和速度衰减规律。结果显示，在多数工况下，捕获射流中心线轨迹与速度衰减均呈现良好的线性关系，可以为吹吸式排风系统的设计提供指导。

Fig. 10. Dimensionlesstrajectory of the capture jet centerline velocity at: a) different velocity of capture jet and exhaust flowrate; b) different disturbance speed.

Fig. 11. Dimensionless jet centerline velocity decay at: a) different velocity of capture jet and exhaust flowrate; b) different disturbance speed. Error bars represent standard deviation.

4.颗粒浓度场显示0.8 m/s为最佳射流速度

颗粒浓度场结果直观展示了不同工况下污染物的扩散与捕集过程。在无捕获射流或射流速度较低的情况下均有颗粒物逃逸出烹饪区，且颗粒物的逃逸主要表现为由高浓度差引起的湍流扩散横向逃逸。当捕获射流速度为0.8 m/s时，可以有组织的控制颗粒物的捕获并排出室外。但当射流速度进一步增加至12 m/s时，由于出口速度过大，在油烟机右侧可能会造成射流夹带颗粒物穿透排风捕获区域，造成油烟机右侧下边缘的颗粒物对流逃逸。因此，捕获射流并非越强越好，而是需要与排风量和热羽流强度匹配。

Fig. 12. The time-averaged particle grayscale (C_g) fields: a) 360 m³/h - 0 m/s; b) 360 m³/h - 0.4 m/s; c) 360 m³/h - 0.8 m/s; d) 360 m³/h - 0.8 m/s - 30 rpm; e) 360 m³/h - 0.8 m/s - 60 rpm; f) 360 m³/h - 1.2 m/s.

5.总颗粒捕集效率最高可达97.1%

颗粒捕集效率测试表明，排风量增加能够提升捕集效率，但单纯增大排风量的收益有限。相比之下，优化气流组织、增加合理的捕获射流更为有效。0.8 m/s为捕获射流实现污染物捕集综合最优性能的设计风速。在排风风量360-480 m³/h工况下，捕获射流对颗粒物的总捕集效率可达95.9%-97.1%；相较于无捕获射流工况，增设捕获射流可使颗粒物总捕集效率最高提升14%。此外，模拟烹饪操作扰动会降低捕集效率，且扰动速度越高，降低幅度越明显。研究发现，扰动可使总颗粒捕集效率最多下降约5%，并使部分粒径颗粒捕集效率下降约14%。

Fig. 13. The PM_0.02-10 particle capture efficiency of different cases.

六、结论

（1）本研究提出了一种新型吹拉式抽油烟机，烹饪区的流动模态由热羽流的自然对流作用主导转变为由捕获射流主导，从而有助于提高排风油烟捕获效率。

（2）模拟烹饪操作扰动虽会增大射流卷吸半径与颗粒聚集区域范围，并降低捕集效率，且扰动速度越高，降低幅度越明显，但对射流中心线的偏转角及运动轨迹几乎无影响。

（3）捕获射流速度为0.8 m/s时系统综合性能最优。在排风风量360-480 m³/h工况下，颗粒物的总捕集效率可达95.9%-97.1%；相较于无捕获射流工况，最高提升了14%。

（4）该研究证实，超细颗粒物捕集效率随粒径增大呈上升趋势，PM_0.02-10分级粒径颗粒物捕集效率呈现双谷分布特征，其中0.3-0.5 μm与1.7-2.1 μm粒径区间颗粒物捕集效率相对偏低，可作为后续通风系统数值仿真与优化设计的关键临界区间。

七、致谢

本研究得到国家自然科学基金、十三五重点研发计划大气专项等项目资助。

文章引用格式：Chen W, Yan M, Cui Y, et al. Experimental study on airflow containment and pollutant capture of a push-pull ventilation system in residential kitchens[J]. Building and Environment, 2026: 114676.

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稿件编辑：徐敬

稿件审核：刘俊杰、田媛