礦井通風對旋軸流風機三維整機流場仿真研究

摘 要：對旋軸流風機廣泛應用于礦井通風等場合。本文建立包括風機兩級葉輪、外殼、集流器及擴散器等在內的對旋風機三維整機幾何模型，完成了風機內部三維流場的非定常仿真計算。詳細分析了對旋風機三維流場的速度場和壓力場的變化規律，對風機的優化設計具有重要工程指導意義。

關鍵詞：礦井通風；對旋軸流風機；葉頂間隙；數值模擬

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

0 引言

對旋軸流風機廣泛應用于礦井通風等領域，最近國內外風機企業及科研院所加大了對旋風機的研發力度。近期隨著流體動力學仿真技術的發展，以及其在后處理模塊的強大功能，可以幫助設計師定性清晰地了解風機流場的細節，對優化風機設計、提升風機綜合性能具有重要作用[1]。

1 幾何及網格模型

如圖1所示為某礦井通風對旋軸流風機的三維幾何模型，分為前后兩級葉輪，風機轉速為3000rpm，葉輪與外殼之間的間隙僅有2mm。圖2所示為某礦井通風對旋軸流風機葉輪及導流體區域的網格模型，采用六面體網格進行計算區域的空間離散，最終六面體網格的數量約500萬。

2 數值算法

風機流體力學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、動量守恒定律、質量守恒定律。由于風機內部氣流的流動處于湍流狀態，同時還要滿足附加的湍流輸運方程[2]。由于本次仿真不考慮風機內熱量傳遞，因此不考慮能量守恒[3]。

風機流體仿真對應的動量守恒控制方程為：

風機流體仿真對應的質量守恒控制方程為[4]：

風機流體仿真對應的湍流輸運方程為[5]：

式中：為湍動能，為湍流耗散率，是由于平均速度梯度引起的湍動能的產生項，是由于浮力引起的湍動能的產生項，代表可壓縮湍流中脈動擴張的貢獻。

3 仿真結果

對旋風機的仿真采用非定常計算，圖3所示為計算過程中的殘差監視曲線，計算到4000步基本可以判斷計算收斂，從而進行后續仿真結果后處理及分析。

3.1 速度場

從圖4對旋風機三維流線圖可以定性直觀地看出氣流的流動軌跡，風機進口氣流經過風機整流罩后均勻流入風機一級葉輪和二級葉輪，經過兩級葉輪加速后經擴散器增壓后流出風機。在風機葉輪區域存在明顯的高速區域，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

圖5所示為對旋風機壓力場分布，可以看出壓力數據沿風機軸向的分布變化趨勢，進入風機的氣流經過導流罩后壓力場均勻分布，后經過兩級葉輪做功后氣流壓力進一步提升，后經過擴散器擴壓后進入大氣環境。

4 小結

基于煤礦局部通風對旋風機建立其整機流道幾何模型以及網格模型，通過數值模擬方法完成了風機內部全流場仿真計算，著重分析了整機速度場及壓力場的分布情況。通過數值仿真及分析，對對旋風機的優化設計具有重要實際應用價值。

參考文獻：

[1]吳玉林，陳慶光.通風機和壓縮機[M].北京：清華大學出版社， 2005：1-291.

[2]王維斌.對旋式通風機全流場內壓力脈動及氣動噪聲特性的數值研究[D].山東青島：山東科技大學，2009.

[3]LI Yang，OUYANG Hua，DU Zhao-hui.Experimental research on aerodynamic performance and exit flow field of low pressure axial flow fan with circumferential skewed blades[J]. Journal of Hydrodynamic，2007（05）：579-586.

[4]孫婉，李意民，謝遠森.基于內部流動數值模擬的對旋風機設計[J].煤礦機械，2009，30（03）：33-35.

[5]G.D.Thiart，T.W.von Backstrom.Numerical simulation of the flow field near an axial flow fan operating under distorted inflow conditions[J].Journal of Wind Engineering and Industrial，1993（45）：189-214.

作者簡介：袁言昆（1986-），男，山東菏澤人，本科，助理工程師。