爆炸0區防爆風機內部流場模擬及試驗研究

程龍軍

（中國石油化工股份有限公司 青島安全工程研究院，山東青島 266071）

0 引言

爆炸性危險區域主要以爆炸物質在這一危險區域內出現的頻繁程度和持續時間來劃分。除煤礦外，我國的防爆危險區域分成爆炸性氣體區域和可燃性粉塵區域，爆炸0區指連續出現或長期出現爆炸性氣體或粉塵的環境，如：儲罐液面以上空間、罐區內氣體管道和碼頭船岸對接管道等場合。爆炸1區指在正常運行時可能出現爆炸性氣體或粉塵混合物的環境，爆炸2區指在正常運行時不可能出現爆炸性氣體或粉塵混合物的環境，或即使出現也僅是短時存在的爆炸性氣體或粉塵混合物的環境［1］。符合0區防爆要求的設備可以用到1區或2區場所，1區設備可以用到2區場所，反之則不行。因此，爆炸0區防爆風機與其他風機要求不同，除了要求風機中用電設備如電機、溫度傳感器、壓力傳感器和振動傳感器等具備電氣類防爆以外，風機內部要求非電氣防爆認證，排除高溫熱表面、摩擦火花和靜電火花出現的可能性。為此，爆炸0區防爆風機需采用機殼內無火花設計，配置防爆電機，葉輪機殼剛性設計以具備抗爆炸沖擊能力，同時要求風機出入口配備阻火芯或阻火器［2］。因此，0區防爆風機流場計算需要考慮出入口阻火器對流場產生的影響，同時葉輪應力應滿足小于2/3材質應力要求［3］。

本研究為碼頭船岸安全界面管道使用的0區防爆風機，風機設計參數要求：流量1 500 m3/h，工作轉速3 000 r/min，以及總壓要求達到12 kPa以上，出入口管道直徑200 mm。

1 阻火器流場分析

阻火器是用來阻止易燃氣體和易燃液體蒸汽的火焰蔓延的安全裝置。一般安裝在輸送可燃氣體的管道中，或者通風的槽罐上，阻止傳播火焰（爆燃或爆轟）通過的裝置，由阻火芯、阻火器外殼及附件構成［4-5］。

本文選取商用阻火器為建模對象，阻火器出入口尺寸為DN200，利用物理場仿真計算軟件建立阻火器模型，邊界條件為：入口流速13.26 m/s，湍流強度 0.035 4，湍流長度 0.014 m［6］。

圖1 0區防爆風機結構示意Fig.1 Structural diagram of zone 0 explosion-proof fan

采用k-ε湍流模型［7］，計算得到不同阻火器流量下壓降值，結果如圖2所示。與阻火器性能參數數據進行對比，發現模擬計算值與性能參數數據吻合度較高，最大相差為4.3%，目標流量1 500 m3/h時相差最小，只有0.07%，由此可見阻火器計算模型能夠表征阻火器的實際流場。

圖2 阻火器流量與壓降關系Fig.2 Relation diagram of flame arrestor flow rate vs.pressure drop

1.1 阻火器壓力分布

圖3示出了1 500 m3/h時阻火器壓力分布。從圖可看出：阻火器對流動產生壓阻，壓阻值為525.41 Pa；壓力最大值位于入口阻火盤面上，壓力值為632 Pa；壓力最小值位于出口管道壁面上，壓力值為-108 Pa。

圖3 阻火器壓力分布Fig.3 Flame arrestor pressure distribution

1.2 阻火器速度分布

圖4示出了流量為1 500 m3/h時阻火器速度分布。由圖可看出，阻火器出口流場速度分布不均勻，速度最大值位于出口管道與阻火器交界處，速度值為23.3 m/s，速度最小值位于入口管道與阻火器交界處，最小值為0.23 m/s。

圖4 阻火器速度分布Fig.4 Velocity distribution of flame arrestor

1.3 阻火器湍流動能分布

圖5示出了流量為1 500 m3/h時阻火器湍流動能分布。從圖可見，出口管道湍流動能大大增加，最大值達到17.87 m2/s2，表明阻火器出口湍流強度增強。

圖5 阻火器湍流動能分布Fig.5 Distribution of turbulent kinetic energy of flame arrestor

綜上所述，流體經過阻火器后速度、壓力以及湍流動能已發生改變，為此0區防爆風機設計時必須考慮阻火器帶來的流場影響。

2 風機內部流場分析

為對比不同葉輪型式對風機內部流場的影響，本研究分析對比直葉輪及圓弧葉輪2種型式的輪盤，建立0區防爆風機計算模型，出入口設置阻火器，如圖6所示。

圖6 直葉輪與圓弧葉輪0區防爆風機模型Fig.6 Zone 0 explosion-proof fan models with straight impeller and circular impeller

風機葉輪幾何參數：葉輪葉片進口直徑D1=280 mm，出口直徑D2=830 mm，葉片進口寬度b1=50 mm，出口寬度b2=29 mm，厚度δ=5 mm，葉片個數Z=13。

2.1 流場模型與邊界條件

本研究風機內部流場采用標準k-ε湍流模型［8-12］。

式中 k ——湍動能，m2/s2；

μt——湍流黏性系數，Pa·s；

Gk—— 由層流速度梯度而產生的湍流動能，m2/s2；

ε ——耗散項，m2/s3；

Cμ，C1ε，C2ε，σε，σk—— 常數，分別取 0.09，1.44，1.92，1.3，1.0。

湍流動能Gk是湍流強度的度量，與邊界層的動量及流體的運動有關，是流體穩定性的標志［13］。

湍流動能是速度方差之和除以2，定義為：

根據風機流量要求，設置風機入口速度為13.26 m/s，入口氣流方向為軸向，入口溫度為293 K。

入口湍流強度：

入口湍流長度：

式（5）中 v=13.26 m/s，d=0.2 m，ρ=1.19 kg/m3，η =17.9×10-6Pa·s，計算可得湍流強度 I=0.035 3，湍流長度L=0.014 m。絕熱固體壁面給定無滑移條件，輪盤設置動網格。

2.2 速度分布分析

直葉輪和圓弧葉輪風機在工作流量為1 500 m3/h，轉速3 000 r/min時的速度分布情況如圖7，8所示。從圖7可看出，直葉輪最大速度為139.5 m/s，位于離風機出口最近葉輪邊緣處，直葉輪風機輪心位置左上角速度明顯分布不均勻，速度差在40～50 m/s，且每根直葉輪尾部速度較高，從直葉輪輪心到葉輪尾部速度變化較大。從圖8可看出，圓弧葉輪最大速度為167.14 m/s，同樣位于離風機出口最近葉輪邊緣處，圓弧葉輪輪心速度分布均勻性較好，速度差在10 m/s以內，從圓弧葉輪輪心到葉輪尾部速度變化均勻，圓弧葉輪尾部的平均速度比直葉輪尾部速度小19.5 m/s。從速度分布來看，圓弧葉輪速度場分布更均勻。

圖7 直葉輪速度分布Fig.7 Velocity distribution of straight impeller

圖8 圓弧葉輪速度分布Fig.8 Velocity distribution of circular impeller

2.3 壓力分布分析

直葉輪和圓弧葉輪風機在工作流量1 500 m3/h，轉速3 000 r/min時的速度分布情況分別如圖9，10所示。

圖9 直葉輪壓力分布Fig.9 Pressure distribution of straight impeller

從圖9可看出，直葉輪最大壓力為1 066.2 Pa，位于離風機出口最近葉輪邊緣處。最低壓力為-14 954 Pa，位于輪心葉輪邊緣處。從圖10可看出，圓弧葉輪最大壓力為997 Pa，位于離風機出口最近葉輪邊緣處，最低壓力為-13 598 Pa，位于輪心葉輪邊緣處。從圖9還可看出，圓弧葉輪在輪盤內部已經完成壓力場過渡，而直葉輪壓力場過渡在機殼內部完成。從壓力場分布均勻來看，圓弧葉輪風機更優。同時，計算得到直葉輪風機出入口總壓值為11.56 kPa，圓弧葉輪風機出入口總壓值為12.62 kPa，從升壓效果來看，圓弧葉輪風機更優。

圖10 圓弧葉輪壓力分布Fig.10 Pressure distribution of circular impeller

2.4 湍流動能分析

直葉輪和圓弧葉輪風機在工作流量1 500 m3/h，轉速3 000 r/min湍流動能分布情況，如圖11，12所示。

圖11 直葉輪湍流動能分布Fig.11 Turbulent kinetic energy distribution of straight impeller

從圖11可看出，直葉輪風機湍流動能最大位置在機殼側盤靠近風機出口處，最大值為150 m2/s2。從圖12可看出，圓弧葉輪風機湍流動能最大處位于離風機出口最近葉輪邊緣處，最大值為160 m2/s2，且圓弧葉輪風機機殼側盤靠近風機出口處湍流動能最大值為81 m2/s2，低于直葉輪風機此處的湍流動能。同時，從圖11可看出直葉輪風機湍流動能較大位置分布在輪盤盤面上，而圖12圓弧葉輪風機湍流動能較大位置分布在葉輪表面。

圖12 圓弧葉輪湍流動能分布Fig.12 Turbulent kinetic energy distribution of circular impeller

綜合對比直葉輪風機和圓弧葉輪風機速度分布、壓力分布以及湍流動能分布，可發現圓弧葉輪速度、壓力及湍流動能分布更加均勻，升壓性能更強，因此優選圓弧葉輪作為0區防爆風機的葉輪。

3 輪盤應力分析

0區防爆風機高速旋轉的轉子中，輪盤中承受著巨大的負荷，所以對輪盤必須進行可靠的計算，在本研究中只考慮由葉片和輪盤本身的質量在旋轉時所產生的離心力［14］。

對圓弧葉輪，在3 000 r/min轉速下進行應力分析。輪盤及葉片材料為2205不銹鋼，材料密度 7 880 kg/m3、泊松比 0.3、楊氏模量 190 GPa，材料屈服強度σs=450 MPa。輪盤應力分布如圖13所示。

圖13 圓弧輪盤應力分布Fig.13 Stress distribution of circular disc

從圖13可看出，圓弧葉輪應力最大位置位于靠近輪心葉片根部位置，最大應力為263.98 MPa，最小值位于靠近輪心葉片頂部位置，最小應力為567.4 Pa。輪盤離心力σmax=263.98 MPa＜2σs/3=300 MPa，滿足葉輪強度要求。

4 實際情況對比

根據模擬計算結果，進行0區防爆風機的設計及制造組裝，完成一臺0區防爆風機，在風機廠內進行性能測試。

廠內試驗時，大氣氣壓10 1370 Pa，空氣密度為1.19 kg/m3，溫度23.8 ℃，通過變頻器控制風機轉速，調整風機入口流量為1 500 m3/h，測量風機出入口總壓值，得到轉速與總壓數據，并將其與計算值進行對比，結果如圖14所示。風機在3 000 r/min工況下，得到風量與總壓數據及軸功率數據，風機性能曲線如圖15所示。

圖14 1 500 m3/h氣量下轉速與升壓關系曲線Fig.14 Relation curve of speed vs. pressure boost at gas volume of 1 500 m3/h

圖15 3 000 r/min工況下風機性能曲線Fig.15 Performance curve of fan under working condition of 3 000 r/min

從圖14，15可以看出，0區防爆風機樣機在3 000 r/min轉速情況下，總壓為12 113 Pa，滿足設計要求。風機在1 500 m3/h，3 000 r/min工況下軸功率為26 kW，風機總功率為37 kW，風機效率達到70.27%。從圖15可看出，實際0區防爆風機氣量與升壓關系曲線與流體模擬軟件計算值接近，證明爆炸0區防爆風機內部流場計算較為準確，為以后其他型式葉輪或者多級0區防爆風機的設計計算提供基礎。

5 結論

（1）建立阻火器分析模型，分析流體經過阻火器后速度、壓力以及湍流動能已發生改變，阻火器對流動產生壓阻，壓阻值為525.41 Pa，阻火器出口流場速度分布不均勻，出口管道湍流動能大大增加，最大值達到17.87 m2/s2，因此0區防爆風機設計時必須考慮阻火器帶來的流場影響。

（2）分析對比直葉輪風機和圓弧葉輪風機速度分布、壓力分布以及湍流動能分布，圓弧葉輪速度、壓力及湍流動能分布更加均勻，同時，直葉輪風機出入口總壓值為11.56 kPa，圓弧葉輪風機出入口總壓值為12.62 kPa，因此，圓弧葉輪更適合作為0區防爆風機的葉輪。

（3）對圓弧葉輪，在3 000 r/min轉速下進行應力分析，圓弧葉輪應力最大位置位于靠近輪心葉片根部位置，最大輪盤離心力σmax=263.98 MPa＜2σs/3=300 MPa，滿足葉輪強度要求。

（4）0區防爆風機樣機在3 000 r/min情況下，總壓為12 113 Pa，3 000 r/min工況下軸功率為26 kW，滿足設計要求。實際0區防爆風機氣量與升壓關系曲線與流體模擬軟件計算值接近，證明爆炸0區防爆風機內部流場計算較為準確，為以后其他型式葉輪或者多級0區防爆風機的設計計算提供借鑒。