王 巍
(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四臺(tái)礦,山西 大同 037003)
提高離心通風(fēng)機(jī)的效率,對(duì)于節(jié)能減排具有重要的意義。在實(shí)際的使用過程中,離心通風(fēng)機(jī)安裝于管道系統(tǒng)中,管路系統(tǒng)的布置,特別是進(jìn)氣口的管路對(duì)于離心通風(fēng)機(jī)的效率具有重要的影響[1]。采用數(shù)值模擬的方式對(duì)進(jìn)口彎管結(jié)構(gòu)不同時(shí)的通風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行分析,可以明確進(jìn)口管結(jié)構(gòu)對(duì)通風(fēng)效率的影響,從而為離心通風(fēng)機(jī)的管路布置使用提供指導(dǎo),更好地提高離心通風(fēng)機(jī)的效率。
在通風(fēng)機(jī)的進(jìn)口管路中,進(jìn)口處的彎管,尤其是90°彎管結(jié)構(gòu)容易導(dǎo)致離心通風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣口氣流不均,造成氣流的速度分布不均,能量損失較大。對(duì)不同的進(jìn)口彎管的結(jié)構(gòu)影響進(jìn)行分析,以某型號(hào)的離心通風(fēng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)接口作為對(duì)比,采用90°彎管的結(jié)構(gòu)增加不同長度的直管,建立離心通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)模型[2]。
采用Pro/E三維建模軟件進(jìn)行離心通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的建模,葉輪作為通風(fēng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu),決定了內(nèi)部流場的分布,對(duì)葉輪實(shí)體采用單流道的方式進(jìn)行建模,通過旋轉(zhuǎn)鏡像的方式完成葉輪的建模。在葉輪的進(jìn)出口部分,對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的延伸,從而可以依據(jù)邊界層理論更加符合實(shí)際的氣流狀態(tài)[3]。對(duì)離心通風(fēng)機(jī)的其他結(jié)構(gòu)包括集流器、吸入腔、擴(kuò)壓器和蝸殼等進(jìn)行建模,并將其進(jìn)行裝配,由此可以將離心通風(fēng)機(jī)劃分為靜止區(qū)域和旋轉(zhuǎn)區(qū)域。采用CFD軟件對(duì)離心通風(fēng)機(jī)的性能進(jìn)行分析,需將模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,模型網(wǎng)絡(luò)采用結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)劃分,控制網(wǎng)格的精度[4]。對(duì)葉輪網(wǎng)格、蝸殼網(wǎng)格及集流器網(wǎng)格分別進(jìn)行劃分處理后,將三者進(jìn)行合并,得到離心通風(fēng)機(jī)的整體三維網(wǎng)格模型如圖1所示。
圖1 離心通風(fēng)機(jī)網(wǎng)格模型
對(duì)離心通風(fēng)機(jī)的邊界條件進(jìn)行設(shè)定,選用速度進(jìn)口為邊界條件,設(shè)定進(jìn)口處的速度分布均勻,方向垂直于進(jìn)口的平面;出口邊界條件設(shè)定為壓力出口,設(shè)定出口的靜壓,壓力出口邊界條件具有較好的收斂性,由此可以提高計(jì)算的精度并減少計(jì)算時(shí)間[5]。
采用CFD對(duì)不同進(jìn)口彎管結(jié)構(gòu)的離心通風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行分析,選取不同的彎管結(jié)構(gòu)如圖2所示,設(shè)定直管連通的離心通風(fēng)機(jī)為標(biāo)準(zhǔn)模型,以管徑D為基準(zhǔn),不同的進(jìn)口彎管結(jié)構(gòu)如圖2所示,彎管段距通風(fēng)機(jī)的尺寸分別為0、D、2D及4D,以風(fēng)機(jī)進(jìn)口端氣流進(jìn)入時(shí)的壓力機(jī)速度為分析對(duì)象,由此對(duì)離心通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)性能進(jìn)行分析[6]。
圖2 不同進(jìn)口彎管結(jié)構(gòu)
采用不同的進(jìn)口彎管結(jié)構(gòu)對(duì)離心通風(fēng)機(jī)的進(jìn)口端速度分布進(jìn)行模擬,得到如圖3所示的速度分布云圖。從圖3中可以看出,在標(biāo)準(zhǔn)的通風(fēng)機(jī)進(jìn)口下,進(jìn)口端的氣流速度分布較為均勻,速度分布基本呈對(duì)稱分布的趨勢,向著出口位置稍有偏離;在中心位置處的速度值最大,周邊由于蝸殼壁具有一定的阻力作用,使得速度有一定的下降,整個(gè)速度云圖呈環(huán)狀分布。0距離的進(jìn)口速度分布與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)口速度分布相差不大,而隨著彎管距離的增加,其他三種模型的速度分布都呈現(xiàn)外側(cè)速度大于內(nèi)側(cè)速度的趨勢,且同樣向著蝸殼的出口位置處偏離。在D、2D的進(jìn)口速度分布差別最大,邊界的位置速度的分布不均勻性較大。在4D距離下的模型由于進(jìn)口彎管距離較遠(yuǎn),其周邊的氣流速度進(jìn)行了充分的重新分布,恢復(fù)為環(huán)狀的結(jié)構(gòu),中心位置處的分布相對(duì)較差。
圖3 不同進(jìn)口彎管結(jié)構(gòu)下的速度分布云圖
采用不同的進(jìn)口彎管結(jié)構(gòu)對(duì)離心通風(fēng)機(jī)的進(jìn)口端壓力分布進(jìn)行模擬,得到如圖4所示的壓力分布云圖。進(jìn)口端的壓力值是進(jìn)行通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)和使用的重要參數(shù),其全壓值是額定功率下工作參數(shù)。從圖4中可以看出,在氣流經(jīng)過彎管進(jìn)入通風(fēng)機(jī)后,流體沿著管道流動(dòng)的同時(shí)還受到離心力的作用而呈現(xiàn)向管道外側(cè)流動(dòng)的趨勢。由于經(jīng)過管道中心的氣流速度較大,而周邊的氣流速度較小,因此,中間氣流的離心力作用較大,使得彎管的外側(cè)壓力值大于內(nèi)側(cè)的壓力值;作用在管道左右兩側(cè)的氣流同時(shí)受到管壁的壓迫而形成雙渦流流動(dòng),使得進(jìn)口的壓力呈現(xiàn)月牙形等不,外側(cè)壓力高于內(nèi)側(cè)的壓力值。在不同的模型中,0時(shí)的雙渦流現(xiàn)象不明顯,隨著進(jìn)口彎管距離的增加,D、2D模型時(shí)的雙渦流現(xiàn)象較為明顯,而在4D時(shí)由于距離的增加,使得彎管的最大全壓值小,氣流的均勻性分布更加合理。由于雙渦流現(xiàn)象的存在,會(huì)造成氣流形成螺旋式前進(jìn)的方式,并且在進(jìn)入通風(fēng)機(jī)后改變了葉片的進(jìn)氣流角度,造成了葉輪內(nèi)部氣流的分層,使得離心通風(fēng)機(jī)的性能變差。
圖4 不同進(jìn)口彎管結(jié)構(gòu)下的壓力分布云圖
1)在進(jìn)口端直接連接彎管時(shí)對(duì)通風(fēng)機(jī)的性能影響不大,而在距離為管徑的1~2倍時(shí),對(duì)通風(fēng)機(jī)的性能具有明顯的減弱作用,當(dāng)距離增加至4倍管徑時(shí),其影響作用減弱,離心通風(fēng)機(jī)的性能逐漸恢復(fù)。
2)在進(jìn)行離心通風(fēng)機(jī)的管路布置時(shí),要充分考慮進(jìn)口端彎管結(jié)構(gòu)對(duì)其性能的影響,以提高通風(fēng)機(jī)性能。