基于Fluent 的礦井通風機擴散器結構的優化研究

張國鑫

（山西省潞安集團慈林山煤業李村煤礦， 山西 長治 046600）

引言

擴散器作為礦井通風系統的重要組成部分，一方面用于降低風機在高速工作時的噪聲，另一方面通過降低風機出口處的動壓來使出口位置的靜壓提升，進而降低出口處的動能消耗，提高風機工作時的靜壓效率。因此礦井通風機擴散器的結構對風機工作時的性能具有十分重要的影響，之前學者對風機工作性能的研究主要集中在對風機葉片機構、風道結構等方面[1]，對擴散器結構的影響效果未進行深入分析，因此，為了進一步提升風機工作時的性能，本文利用Fluent 流體仿真分析軟件建立了風機系統的三維結構模型，對其工作時的特性進行分析。

1 通風機及擴散器的三維建模

本文以某礦的礦用對旋式軸流風機為分析對象，該風機擴散器出口的直徑約為2 289 mm，其入口位置的截面直徑約為1 890 mm，擴散器尾部芯筒的直徑為388 mm，擴散器入口處芯筒的直徑1 138 mm，整個擴散器的長度為3 790 mm。

利用Creo 三維建模軟件建立該對旋軸流式風機的三維結構模型，在三維建模時，為了便于分析，將其分為風機葉輪、風機集流器、流線罩以及擴散器。為了提升分析時的計算速度，在劃分網格時將風機擴散器和集流器處的網格設置的尺寸可以適當放大，根據驗證結果，將擴散器、集流器位置的網格尺寸設置為41 mm，將風機葉輪處的網格尺寸設置為31 mm，而將流線罩處的網格尺寸設置為32 mm，風機的三維分析模型如圖1 所示[2]。

2 試驗驗證方案設計

圖1 對旋式通風機三維分析模型

為了研究擴散器結構對礦井通風機全壓和效率的影響，根據對旋式通風機的擴散器的入口位置的直徑、風機的葉輪的直徑以及風機入口芯筒的直徑之間相互匹配的關系[3]，確定以風機擴散器芯筒的末端的直徑x1、風機擴散器的出口位置的直徑x2、風機的擴散器的整體長度x3為擴散器的設計變量，通過轉換各設計變量的參數數值來對擴散器參數對風機工作時的特性的影響進行研究，則在不同的擴散器結構參數下，風機運行時的全壓變化如圖2 所示，其風機運行時的效率變化如圖3 所示，其橫坐標表示各參數相對于原始參數的變化比例。

圖2 不同結構參數下風機的全壓變化曲線

圖3 不同結構參數下風機的效率變化曲線

由上頁圖2 可知，隨著風機擴散器芯筒末端直徑x1的增加，風機運行時的全壓會先降低然后再增大，隨著風機擴散器出口位置的直徑x2的增加，風機運行時的全壓逐漸的降低，隨著風機的擴散器的整體長度x3的增加，風機運行時全壓逐漸增大。通過對不同參數變化時對風機全壓的影響，可知當風機擴散器的整體長度x3發生變化時對風機工作時的全壓影響最大。

由上頁圖3 可知，隨著風機擴散器芯筒末端直徑x1、風機擴散器的整體長度x3的增加，風機運行時效率逐漸的增加，隨著風機擴散器出口位置直徑x2的增加而逐漸降低，其中風機擴散器的長度變化對風機效率的影響最大。這主要是由于當風機出口處擴散器長度增加時能夠有效地降低風機在出風口處的動壓，使風機運行時動壓得到顯著提升。

3 通風機擴散器結構優化及分析

根據仿真分析結果，同時為了降低風機擴散器的成本，綜合分析后以風機擴散器最小表面積為結構優化目標[4]，對風機擴散器的變量參數進行分析，最終確定當x1的因素水平為-0.51，x2的因素水平為-0.01，x3的因素水平為0.08 的風機具有最佳的運行性能，此時風機擴散器芯筒的末端直徑x1為188.89 mm、風機擴散器的出口位置直徑x2為1126.4 mm、風機擴散器整體長度x3為4088.6 mm 時，其具有最小的擴散器表面積。

利用Fluent 流體仿真分析軟件對優化后的風機運行時的三維流場進行仿真分析，在相同工況下對比分析結果如圖4 所示。

由對比分析結果可知，在相同工況下，擴散器優化后風機運行的全壓顯著高于優化前風機運行時的全壓，優化后風機的全壓比優化前提升了約26.9 MPa，其風機在運行過程中的效率比優化前提升了約0.74%，極大地提升了風機運行時的穩定性和經濟性。

圖4 優化前后風機運行全壓變化曲線

4 結論

1）隨著風機擴散器芯筒末端的直徑x1的增加，風機運行時的全壓會先降低然后再增大，隨著風機擴散器的出口位置直徑x2的增加，風機運行時全壓逐漸的降低，隨著風機擴散器整體長度x3的增加風機運行時的全壓逐漸增大。

2）隨著風機擴散器芯筒末端直徑x1、風機的擴散器的整體長度x3的增加，風機運行時的效率逐漸增加，隨著風機擴散器出口位置直徑x2的增加而逐漸降低，其中風機擴散器的長度變化對風機效率的影響最大。

3）優化后風機的全壓比優化前提升了約26.9MPa，其風機在運行過程中的效率比優化前提升了約0.74%，極大地提升了風機運行時的穩定性和經濟性。