基于CFD的HL3型礦用軸流通風(fēng)機(jī)流場仿真分析

武 鑫

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西晉城 048000）

0 引言

通風(fēng)機(jī)因其結(jié)構(gòu)緊湊、風(fēng)量大、效率高、噪聲小、輸送風(fēng)的能力強(qiáng)等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于礦井、工廠環(huán)境、隧道、冷卻塔系統(tǒng)等行業(yè)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各行業(yè)對通風(fēng)機(jī)的使用性能提出了更高的要求，要求其通風(fēng)量增加的同時，降低功耗、提高設(shè)備的可靠性。通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)發(fā)展，也從原來的粗放式，變?yōu)楝F(xiàn)在的精密設(shè)計機(jī)械，深入研究葉片結(jié)構(gòu)對風(fēng)機(jī)效能的影響。

作為一種常規(guī)的大型旋轉(zhuǎn)式機(jī)械設(shè)備，通風(fēng)機(jī)非常容易受到疲勞載荷的影響，特別是頁面高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的微小疲勞載荷，雖然載荷值不大，但可能對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要的影響。在流體力學(xué)分析通風(fēng)機(jī)常常需要考慮間隙力、流體激振力和結(jié)構(gòu)內(nèi)共振等因素對通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)壽命的影響。本文基于計算流體動力學(xué)（CFD），模擬仿真通風(fēng)機(jī)葉片周圍的流場，得到通風(fēng)機(jī)葉輪的各個軸向風(fēng)載荷和相關(guān)特征，為通風(fēng)機(jī)的設(shè)計與實際提供了有利參考[1]。

1 計算流體動力學(xué)（CFD）

計算流體力學(xué)是基于流體力學(xué)與計算機(jī)科學(xué)發(fā)展而來，將流場用以離散單元代替，計算機(jī)可以很迅速地得到流體的控制方程的解，尤其是對于復(fù)雜環(huán)境下流場的模擬，起到了十分便捷的作用。計算流體力學(xué)在求解流體仿真具有獨特優(yōu)勢，其計算的基本思路是將空間與時間中的連續(xù)物理量，通常用于模擬溫度場、空氣流場等[2]。

計算流體力學(xué)可以實現(xiàn)對數(shù)值模擬實驗，通過仿真分析，可以計算得到在流場中各參數(shù)值的變化，因此在很大程度上替代了耗資巨大的流體實驗，同時在科學(xué)研究和工程技術(shù)中具有重要的影響。一般的CFD 軟件對模型處理步驟分為前處理、模型求解、后處理3 步。上述基本思想建立控制方程，施加初始條件和邊界條件，然后對計算區(qū)域劃分網(wǎng)格，得到離散化方程，最后求解方程，可視化顯示計算結(jié)果。軟件可操作性強(qiáng)、容易上手，是處理流場問題的重要工具[3]。

2 HL3型軸流通風(fēng)機(jī)

如圖1 所示，首先對HL3型礦用軸流通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明，通風(fēng)機(jī)主要由集流器、流線罩、前導(dǎo)向葉、葉輪、后導(dǎo)向葉、擴(kuò)散器等組成。對HL3型軸流通風(fēng)機(jī)中4 個主要部件結(jié)構(gòu)功能進(jìn)行簡要介紹。

圖1 軸流通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

（1）葉輪。主要由葉片與輪轂組成，是通風(fēng)機(jī)直接對外做功的部分，同時也是時常發(fā)生故障的部件。葉輪的可靠性對于通風(fēng)機(jī)整機(jī)性能具有較大的影響。

（2）導(dǎo)向葉。導(dǎo)向葉的作用是確定氣體流入前葉輪與后葉輪時流體的流動方向，降低流體在流出通風(fēng)機(jī)時的能量損失。

（3）擴(kuò)散器。風(fēng)機(jī)出氣端圓弧段，散器的作用是將通風(fēng)機(jī)內(nèi)流出空氣的部分動能轉(zhuǎn)換為壓力能，提高風(fēng)壓后，風(fēng)具有更好的速度矢量，對遠(yuǎn)距離輸送氣體具有重要作用。

（4）集流器。通風(fēng)機(jī)進(jìn)氣端前外殼上的圓弧段，其主要作用是改善流入通風(fēng)機(jī)內(nèi)流體流速、狀態(tài)，對于提高通風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣效率具有重要作用[4]。

3 數(shù)學(xué)模型

在進(jìn)行流體分析前，對分析模型所選擇的數(shù)學(xué)模型做簡要介紹。本文中流體為空氣，其速度、壓力、密度等物理量同樣遵守一般的物理定律，如動量守恒、能量守恒定律以及熱力學(xué)定律。空氣作為一種可壓縮流體，考慮空氣的黏度，視為一種湍動模型。

對本次模擬選用的湍流模型Realizable-k 模型做簡要介紹，該模型不采用偏微分方程，而是采用收斂性更好的代數(shù)關(guān)系式。該模型中最常用的是Prandtl 混合長度模型，即將湍流黏度與時均值聯(lián)系起來，假設(shè)湍流空氣黏度為μt，和時均速度ui具有如下式所示的關(guān)系[5]：

則此時空氣流體的切應(yīng)力可以表示為：

式中：lm為流體參數(shù)，由經(jīng)驗值給定。

Realizable-k 湍流模型具有直觀、簡單、便于計算的特點，適用于結(jié)構(gòu)不負(fù)載、流動性較好的空氣流體模型。模型對于流體的射流、混合層以及邊界關(guān)系等特殊條件模擬較好，因此在空氣流體的仿真中使用也比較廣泛[6]。

表1 軸流通風(fēng)機(jī)參數(shù)

4 仿真模型建立

對模擬通風(fēng)機(jī)在工作過程中，葉片在空氣流體作用下速度矢量的分析，有助于了解通風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)以及對葉片故障的分析。HL3型礦用軸流通風(fēng)機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示，根據(jù)其相關(guān)參數(shù)建立通風(fēng)機(jī)簡化物理模型。由于風(fēng)機(jī)為旋轉(zhuǎn)機(jī)械，可以視為其所有的葉片所受載荷工況相同，自身結(jié)構(gòu)也具有對稱性、周期性，因此可以建立一個局部模型來分析，下面對仿真模型建立做簡要說明。

網(wǎng)格的劃分，首先網(wǎng)格數(shù)量對于模型的計算具有非常大的影響，一般意義而言，網(wǎng)格的細(xì)化可以提高計算精度，但是如果網(wǎng)格數(shù)量太高，則會導(dǎo)致計算結(jié)果不收斂。在流體分析中，因為流體的流動速度對網(wǎng)格的密度、單元類型也有敏感性，因此在網(wǎng)格劃分時尤其注意，確保網(wǎng)格質(zhì)量的同時，保證模型收斂穩(wěn)定性。

文中選擇非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，使用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，在處理邊界條件時較困難，創(chuàng)建了如圖2 所示的通風(fēng)機(jī)局部仿真模型。

圖2 仿真計算區(qū)域網(wǎng)格

5 仿真分析結(jié)果

在ANSYS Fluent 中創(chuàng)建了分析模型，模擬空氣流場作用下對葉片速度矢量的分析，獲得葉片表明的速度矢量分布情況。由于研究對象為雙動輪的通風(fēng)機(jī)，可以選取2個葉輪上1組葉片來分析。將靠近進(jìn)口側(cè)的葉片命名為葉片1，靠近出口側(cè)的葉片則命名為葉片2，對于葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要參考意義。

如圖3～4所示，分別為葉片1、葉片2壓力面與吸力面流體速度分布情況，兩級葉片處于進(jìn)出口面相同的情況下，兩種葉片表明流體速度大小相似，最大值分別為23.5 m/s、23.1 m/s。兩級動葉片雖然額定功率相同，但是可以看到兩者速度分布情況差異較大。一二級葉片之間流體存在明顯的擾流，由此說明，在兩級動葉輪正常工況的情況下，兩者之間會產(chǎn)生相互影響。從速度大小的分布來看，一級葉輪，也就是葉片1的吸力面空氣流速增加明顯，葉輪旋轉(zhuǎn)對空氣施壓，加速氣體進(jìn)入到第二級葉輪，進(jìn)行第二次加速。兩級葉片表明流體速度均為靠近葉柄處流速慢，遠(yuǎn)離葉柄處流速快。

圖3 葉片1速度矢量圖

圖4 葉片2速度矢量圖

6 結(jié)束語

（1）基于CFD 理論對HL3型礦用軸流通風(fēng)機(jī)在額定工況下流場進(jìn)行分析，首先，利用Solid Works 建立了葉片模型，并導(dǎo)入ANSYS Fluent 中創(chuàng)建了有限元分析模型。仿真分析選用的Realizable-k湍流模型，求解得到動葉片在額定工況下葉片表明流體速度矢量分布圖。

（2）分析仿真得到的結(jié)果，可以得到在兩級葉片處于進(jìn)出口面相同的情況下，兩種葉片表明流體速度大小相似，最大值分別為23.5 m/s、23.1 m/s。一二級葉片之間流體存在明顯的擾流，從速度大小的分布來看，一級葉輪，也就是葉片1的吸力面空氣流速增加明顯，葉輪旋轉(zhuǎn)對空氣施壓，加速氣體進(jìn)入到第二級葉輪，進(jìn)行第二次加速。仿真分析得到了HL3型礦用軸流通風(fēng)機(jī)額定功率下葉片速度矢量分布規(guī)律，對于通風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計的效能驗證，提供了一種可視化、可驗證、可操作的仿真實驗手段，對于其結(jié)構(gòu)的研究具有重要意義。