基于CFD的礦用軸流式風(fēng)機(jī)工作流場分布的研究

劉 根

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)金山煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 041000）

引言

目前煤炭的開采主要集中在更深的地層、更復(fù)雜的環(huán)境中，為了確保綜采作業(yè)時(shí)井下的氣流流動(dòng)，滿足人們生產(chǎn)、生活的需求，對礦井通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行提出了更高的要求。通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在工作時(shí)隨著轉(zhuǎn)速的增加其工作時(shí)的不穩(wěn)定性也會(huì)隨之加大，給通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來較大的隱患，特別是運(yùn)行時(shí)的流量損失現(xiàn)象嚴(yán)重，而目前多數(shù)學(xué)者對風(fēng)機(jī)高速工作時(shí)的工作流場分布情況沒有完善的理論，難以以此為依據(jù)對風(fēng)機(jī)的工作特性進(jìn)行優(yōu)化。因此本文在前人總結(jié)分析的基礎(chǔ)上提出利用流體動(dòng)力學(xué)原理對軸流式通風(fēng)機(jī)工作時(shí)的流場特性進(jìn)行研究，提升其工作的穩(wěn)定性。

1 軸流式風(fēng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型

本文以FBCDZ系列對旋式軸流通風(fēng)機(jī)為對象，建立其全流場分布模型，在該風(fēng)機(jī)中其為兩級葉輪式結(jié)構(gòu)，其葉片均為翼形扭曲葉片，一級葉輪的葉片數(shù)量為13片，二級葉輪的葉片數(shù)量為11片，一級葉片的安裝角度為44°，二級葉片的安裝角度為29°，轉(zhuǎn)速為980 r/min，其全流場分布模型如圖1所示[1]。

礦用軸流式風(fēng)機(jī)在工作時(shí)其內(nèi)部的氣體的流動(dòng)遵循動(dòng)量守恒和質(zhì)量守恒原理[2]，為了便于分析，將風(fēng)機(jī)內(nèi)的流體流動(dòng)全部看成一種湍流流動(dòng)，在計(jì)算過程中假設(shè)氣流在流動(dòng)時(shí)為不可壓縮且恒溫狀態(tài)。

因此可推出該氣體在通風(fēng)機(jī)內(nèi)流動(dòng)的動(dòng)力守恒方程和質(zhì)量守恒方程：

其質(zhì)量守恒方程可表示為：

圖1 軸流式風(fēng)機(jī)的全流場分布模型

式中：u為風(fēng)機(jī)運(yùn)行的速度矢量在x軸方向上的分量；v為風(fēng)機(jī)運(yùn)行的速度矢量在y軸方向上的分量；w為風(fēng)機(jī)運(yùn)行的速度矢量在z軸方向上的分量；ρ為氣流密度；μ為氣流運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)力黏度；Su、Sv、Sw均為Navier-Stokes方程的廣義源項(xiàng)；p為氣體流動(dòng)時(shí)微元上的壓力。

2 軸流式通風(fēng)機(jī)工作流程場數(shù)值模擬分析

利用流體動(dòng)力學(xué)原理對軸流式通風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)的流場分布情況進(jìn)行分析，在對其流場分布情況進(jìn)行分析時(shí)，采用SIMPLE算法[3]對其分布方程進(jìn)行求解，同時(shí)采用體積法對該風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的三維流場進(jìn)行求解，風(fēng)機(jī)的擴(kuò)散器表面的靜壓分布如下頁圖2所示。

由圖2可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)工作時(shí)其流場在擴(kuò)散器表面的靜壓分布情況呈現(xiàn)了帶狀的增長趨勢，當(dāng)氣流通過風(fēng)機(jī)的一級葉輪和二級葉輪進(jìn)行對旋加速后，其實(shí)際的扭速非常小，因此可知?dú)饬髟陲L(fēng)機(jī)內(nèi)是從軸向方向進(jìn)入到擴(kuò)散器內(nèi)的，為了避免氣流在擴(kuò)散器內(nèi)的流動(dòng)損失，應(yīng)確保擴(kuò)散器內(nèi)的擴(kuò)壓度維持在較低的范圍內(nèi)。

圖2 風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器處的靜壓分布

風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)其在一級葉輪和二級葉輪的翅片根部的靜壓分布如圖3所示。

圖3 葉輪翅片根部的靜壓分布情況

由圖3可知，在兩級葉片的壓力面上，其靜壓值要遠(yuǎn)高于葉片吸力面上的靜壓值，由此導(dǎo)致其在兩級葉片的根部處存在著極大的壓力差值，導(dǎo)致在氣流流動(dòng)時(shí)存在著一定的擾動(dòng)，使風(fēng)機(jī)高速工作時(shí)噪聲突出。而風(fēng)機(jī)內(nèi)二級葉片翅根處的靜壓值大于一級葉片翅根處的靜壓值，其表面的靜壓值沿葉片四周的分布具有較好的均勻性和對稱性。

因此為了降低風(fēng)機(jī)工作時(shí)一級葉輪對二級葉輪氣流的影響，可以采用調(diào)整風(fēng)機(jī)葉輪安裝角度的方式對其工作特性進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 不同安裝角下風(fēng)機(jī)的工作特性曲線

搭建風(fēng)機(jī)性能測定試驗(yàn)平臺(tái)，對不同風(fēng)葉安裝角下風(fēng)機(jī)的工作特性情況進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，其試驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示[4]。

對旋式軸流通風(fēng)機(jī)在不同葉片安裝角情況下的效率分布曲線如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)的一級葉輪的風(fēng)葉安裝角為44°，二級葉輪風(fēng)葉安裝角度為29°情況下其流量變化范圍較小，而其風(fēng)機(jī)效率變化范圍最大，其他幾種情況下風(fēng)機(jī)的效率差別不大，而其流量變化范圍跨度極大。此情況下的風(fēng)機(jī)的效率和流量對應(yīng)變化曲線與實(shí)際仿真分析結(jié)果一致，從而證明了仿真分析結(jié)果的有效性。

圖4 風(fēng)機(jī)性能測試試驗(yàn)平臺(tái)

圖5 不同安裝角下風(fēng)機(jī)的效率變化曲線

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)的一級葉輪葉片安裝角度為55°，二級葉片安裝角度為41°的情況下其風(fēng)機(jī)能夠在效率變化不超過28%的情況下實(shí)現(xiàn)其輸出流量在8×104m3/h和18×104m3/h之間變化，從而能夠有效地確保根據(jù)煤礦井下巷道的掘進(jìn)情況滿足不同工況下風(fēng)量的需求。

4 結(jié)論

為了對軸流式通風(fēng)機(jī)工作時(shí)的流場分布情況進(jìn)行研究，提升風(fēng)機(jī)工作時(shí)的穩(wěn)定性和靈活性，本文在建立風(fēng)機(jī)流場分布數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上對其流場分布情況進(jìn)行研究，同時(shí)對不同葉片安裝角下風(fēng)機(jī)的工作效率情況進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，結(jié)果表明：

1）氣流在風(fēng)機(jī)內(nèi)是從軸向方向進(jìn)入到擴(kuò)散器內(nèi)的，為了避免氣流在擴(kuò)散器內(nèi)的流動(dòng)損失，應(yīng)確保擴(kuò)散器內(nèi)的擴(kuò)壓度維持在較低的范圍內(nèi)。

2）在兩級葉片的壓力面上，其靜壓值要遠(yuǎn)高于葉片吸力面上的靜壓值，由此導(dǎo)致其在兩級葉片的根部處存在著極大的壓力差值，導(dǎo)致在氣流流動(dòng)時(shí)存在著一定的擾動(dòng)，使風(fēng)機(jī)高速工作時(shí)噪聲突出。

3）風(fēng)機(jī)的一級葉輪葉片安裝角度為55°，二級葉片安裝角度為41°的情況下其風(fēng)機(jī)能夠在效率變化變化不大的情況下實(shí)現(xiàn)對輸出流量的靈活調(diào)整，滿足井下不同的氣流量需求，穩(wěn)定性高，靈活性好。