礦井通風(fēng)對(duì)旋軸流風(fēng)機(jī)三維整機(jī)流場(chǎng)仿真研究

摘 要：對(duì)旋軸流風(fēng)機(jī)廣泛應(yīng)用于礦井通風(fēng)等場(chǎng)合。本文建立包括風(fēng)機(jī)兩級(jí)葉輪、外殼、集流器及擴(kuò)散器等在內(nèi)的對(duì)旋風(fēng)機(jī)三維整機(jī)幾何模型，完成了風(fēng)機(jī)內(nèi)部三維流場(chǎng)的非定常仿真計(jì)算。詳細(xì)分析了對(duì)旋風(fēng)機(jī)三維流場(chǎng)的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的變化規(guī)律，對(duì)風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要工程指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：礦井通風(fēng)；對(duì)旋軸流風(fēng)機(jī)；葉頂間隙；數(shù)值模擬

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.12.063

0 引言

對(duì)旋軸流風(fēng)機(jī)廣泛應(yīng)用于礦井通風(fēng)等領(lǐng)域，最近國內(nèi)外風(fēng)機(jī)企業(yè)及科研院所加大了對(duì)旋風(fēng)機(jī)的研發(fā)力度。近期隨著流體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)的發(fā)展，以及其在后處理模塊的強(qiáng)大功能，可以幫助設(shè)計(jì)師定性清晰地了解風(fēng)機(jī)流場(chǎng)的細(xì)節(jié)，對(duì)優(yōu)化風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)、提升風(fēng)機(jī)綜合性能具有重要作用[1]。

1 幾何及網(wǎng)格模型

如圖1所示為某礦井通風(fēng)對(duì)旋軸流風(fēng)機(jī)的三維幾何模型，分為前后兩級(jí)葉輪，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3000rpm，葉輪與外殼之間的間隙僅有2mm。圖2所示為某礦井通風(fēng)對(duì)旋軸流風(fēng)機(jī)葉輪及導(dǎo)流體區(qū)域的網(wǎng)格模型，采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算區(qū)域的空間離散，最終六面體網(wǎng)格的數(shù)量約500萬。

2 數(shù)值算法

風(fēng)機(jī)流體力學(xué)仿真滿足物理守恒定律，三大主要的守恒定律包括：能量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、質(zhì)量守恒定律。由于風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣流的流動(dòng)處于湍流狀態(tài)，同時(shí)還要滿足附加的湍流輸運(yùn)方程[2]。由于本次仿真不考慮風(fēng)機(jī)內(nèi)熱量傳遞，因此不考慮能量守恒[3]。

風(fēng)機(jī)流體仿真對(duì)應(yīng)的動(dòng)量守恒控制方程為：

風(fēng)機(jī)流體仿真對(duì)應(yīng)的質(zhì)量守恒控制方程為[4]：

風(fēng)機(jī)流體仿真對(duì)應(yīng)的湍流輸運(yùn)方程為[5]：

式中：為湍動(dòng)能，為湍流耗散率，是由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)，是由于浮力引起的湍動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)，代表可壓縮湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)。

3 仿真結(jié)果

對(duì)旋風(fēng)機(jī)的仿真采用非定常計(jì)算，圖3所示為計(jì)算過程中的殘差監(jiān)視曲線，計(jì)算到4000步基本可以判斷計(jì)算收斂，從而進(jìn)行后續(xù)仿真結(jié)果后處理及分析。

3.1 速度場(chǎng)

從圖4對(duì)旋風(fēng)機(jī)三維流線圖可以定性直觀地看出氣流的流動(dòng)軌跡，風(fēng)機(jī)進(jìn)口氣流經(jīng)過風(fēng)機(jī)整流罩后均勻流入風(fēng)機(jī)一級(jí)葉輪和二級(jí)葉輪，經(jīng)過兩級(jí)葉輪加速后經(jīng)擴(kuò)散器增壓后流出風(fēng)機(jī)。在風(fēng)機(jī)葉輪區(qū)域存在明顯的高速區(qū)域，特別是葉頂間隙位置由于間隙尺寸較小，局部氣流速度較高。

3.2 壓力場(chǎng)

圖5所示為對(duì)旋風(fēng)機(jī)壓力場(chǎng)分布，可以看出壓力數(shù)據(jù)沿風(fēng)機(jī)軸向的分布變化趨勢(shì)，進(jìn)入風(fēng)機(jī)的氣流經(jīng)過導(dǎo)流罩后壓力場(chǎng)均勻分布，后經(jīng)過兩級(jí)葉輪做功后氣流壓力進(jìn)一步提升，后經(jīng)過擴(kuò)散器擴(kuò)壓后進(jìn)入大氣環(huán)境。

4 小結(jié)

基于煤礦局部通風(fēng)對(duì)旋風(fēng)機(jī)建立其整機(jī)流道幾何模型以及網(wǎng)格模型，通過數(shù)值模擬方法完成了風(fēng)機(jī)內(nèi)部全流場(chǎng)仿真計(jì)算，著重分析了整機(jī)速度場(chǎng)及壓力場(chǎng)的分布情況。通過數(shù)值仿真及分析，對(duì)對(duì)旋風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：袁言昆（1986-），男，山東菏澤人，本科，助理工程師。