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:
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[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。