摘要：外排式吸油烟机的空气性能试验采用特殊的风筒试验装置，通过变换出口孔板的开孔直径来测得各个工况点的动态数据，再通过计算得出其空气性能数据。本文通过结合流体力学理论推导标准中给出的数学模型，帮助试验者更好地理解试验原理并把握试验中的细节因素。
关键词：吸油烟机；空气性能；能效
Abstract：The performance test of air extraction range hood is operated on a specialized air tube facility. Air pressure is measured in process when changing the value of the orifice diameter. Thus, air performance is calculated by the test data. Analysis on the derivation of mathematical models in the standards is given hereinbelow to enhance the understanding of fluid mechanics fundamentals and promote the accuracy of test result.
Key words：range hood; air performance; energy efficiency
自2015年起，国家开始全面实施吸油烟机的能效管理制度，对安装在家用烹调炉具、炉灶或类似用途的器具上部，额定电压不超过250V的外排式吸油烟机均需按要求备案和使用能源效率标识。吸油烟机的能效以全压效率、待机功率、关机功率、常态气味降低度和油脂排放限值来分级，其中全压效率是确定产品能效等级最关键的指标。
1 试验准备
包括全压效率、常态气味降低度和油脂分离度在内，目前吸油烟机的空气性能是按照GB/T 17713-2011《吸油烟机》标准进行测试的。试验在环境温度为20±5℃，相对湿度不大于85%，无外界气流和热辐射的试验室内进行。外排式吸油烟机应安装随机附带的与排风管连接用的过渡罩，拆除止逆阀等遮盖件，但不必安装排风管。如果产品有附加的过滤装置的话，应安装干净的过滤装置。被测吸油烟机应在额定电压、额定频率和正常工作时的最高转速档位运行1h后再进行测试读数。
2 试验装置
外排式吸油烟机的空气性能试验装置如图1所示，被测吸油烟机的出风口通过连接器与空气性能试验装置的十字整流器连接。试验时，吸油烟机排出的气流依次通过连接器、十字整流器和扩散段后进入减压筒。通过变换减压筒出口孔板的开孔直径来测得每一个工况点的动态测试数据，并通过计算得出空气性能试验的结果。
对该套试验设备而言，最重要的尺寸有两处。一是十字整流器的直径D4，也就是扩散段上游直径，二是减压筒直径D6。只要确定这两个尺寸，就基本决定了试验设备的整体外形尺寸。目前外排式吸油烟机的出风口直径多为160mm到180mm之间，因此试验室在选择设备时，应该将D4优先确定为160mm或180mm等常用的直径尺寸上。
实践中，经常会遇到吸油烟机出风口尺寸与扩散段上游直径不一致，此时就需要使用连接器将不同直径的管道进行过渡。标准中给出的连接器在具体试验时是由两部分组成的。由于吸油烟机的钣金壳体上出风口通常为矩形，而建筑墙洞和配售用户的风管均为圆形，因此生产企业会首先设置如图2所示的随机连接器。然后试验室需要再使用一个锥筒形连接器，以此将吸油烟机的出风口与试验装置的十字整流器段相连接。
对于连接器，在GB/T 14806-2003中有更详细的描述。当吸油烟机的随机连接器出风口直径与试验装置的十字整流器直径相同时，可采用直接连接，如图3所示。但当随机连接器的出风口直径与试验装置的十字整流器直径不相同时，需要额外再加装锥度为7°的圆筒形连接器，如图4所示。
吸油烟机的生产企业需要充分认识到随机连接器的重要性，因为这些连接器会影响到产品的输出气流，图4所示的连接器需要满足1≤(A4/A2)≤1.2，且连接器长度也有要求，过于悬殊的面积差和长度不足将使得气体被压缩，形成边界涡流并导致气体的密度和温度发生变化，从而给试验结果带来相当大的误差。另外，试验室需要注意的是，圆台形变截面积连接器的锥度也应该与试验装置的扩散段同为7°，否则空气会发生紊流现象影响试验精度。
3 数学模型
空气性能试验的数学物理基础来源于流体力学理论中的伯努利定律，其核心内容是流体的机械能守恒，即对于粘度可以忽略、不可被压缩的理想流体的能量可用式（1）描述。该定律另一项广为认知的推论就是等高流动时，流速越大，压力越小。
（1）
在将伯努利定律应用到吸油烟机的空气性能试验时，由于试验装置水平放置，因此式（1）中的气体势能分量ρgh的变化量为零。气体的静压P从安装在减压筒壁上的4个取压孔中直接测得，标准中的用PS6表示，气体的动压ρv2/2则通过对气体的流量和圆孔的直径按式（2）所示的方法先计算气体的流速v，再代入式（3）中进行换算。
（2）
（3）
标准中提出的全压概念，虽然没有在术语和定义条款中予以文字说明，但是在标准中给出了计算公式C.3，即本文式（4），其本质就是将测得的静压与换算的动压求和得到全压PFB。
（4）
标准中给出的公式在形式上与伯努利定律是保持一致的，PS6表示测得的静压，考虑到环境温度的影响，计算时使用的ρa为试验条件下的空气密度。另外需要说明的是，式中引入的设备结构常数K，其值由减压筒直径和扩散段上游直径的比值通过查表决定，这其实是将流体力学理论中关于渐扩管的压力损失系数用一种更直观的方法提供给试验者，避免重复计算。
由于温度会极大地改变空气的密度，因此标准中给出的计算公式最后会将试验结果换算到空气的标准状态下，这样就避免了由于试验温度的不同而造成的偏差。根据克拉伯龙方程，即在式（5）的基础上，标准中给出了试验条件下的空气密度计算公式C.1，即式（6）。需要注意的是，这里采用的是绝对温度进行计算。
（5）
（6）
其中的常数3485×10-6则来源于式（7），即当温度为20°C时，在大气压为101.325Pa，相对湿度40%，密度为1.20518kg/m3时的大气环境状态。
（7）
标准中给出的空气流量计算方法是建立在流体力学中孔板流量计的理论上的，简言之，就是测得孔板前后渐变断面上的压差来求得管道中空气的流量。由于试验装置的孔板下游就是环境大气，因此减压筒上测得的静压也就是孔板两侧的压差，根据式（8）计算空气的流速。
（8）
于是，空气的流量qv就可以通过其流速与小孔的直径按式（9）进行计算，即标准中的公式C.2。当然，为了方便试验者，标准中还给出了孔板的流量系数表供试验者确定α的值。
（9）
最后，将空气的全压PFBn与其流量qv相乘即可得到其功率，并与输入吸油烟机的电功率P进行比较，从而得出其效率值。
（10）
4 结论与建议
通过对外排式吸油烟机的空气性能试验装置和数学模型的解析，试验者除了应该掌握其中的流体力学原理以外，在日常试验时还需要注意以下几点：
1）试验所使用的连接器通常由吸油烟机的随机连接器和锥筒连接器两部分所组成，选取适当的随机连接器长度和锥筒连接器扩散角有助于减小试验误差。
2）试验设备所用的十字整流器直径应尽量选择大于被测吸油烟机的出风管直径，因为标准中没有给出截面积收缩的连接器，其对试验结果的影响尚不明确。
3）标准中给出的数学模型会将试验结果换算为标准空气状态，因此试验不必在恒温条件下进行，但试验时应该精确测量大气环境温度和大气压力。
4）标准在计算孔板流量时所使用的压力差是减压筒壁上测得的静压与大气压之间的差值，因此试验时在孔板的下游应留足空间，避免孔板外侧的大气压因受气流冲击而波动。
参考文献
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[2] 蔡增基,龙天渝.流体力学泵与风机[M].北京:中国建筑工业出版社, 2013.
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