幾何模型建立與網(wǎng)格劃分

計算模型采用掘進工作面4-72-5.6A 防爆防腐蝕的離心式通風(fēng)機，其主要參數(shù)：電機功率22 kW,轉(zhuǎn)速2 930 r/min,流量10 122~25 736 m3/h,全壓4 152~2 330 Pa。其主要由進風(fēng)口、集流器、葉輪和蝸殼組成。

9-12離心風(fēng)機集流器中添加了米字形結(jié)構(gòu)與環(huán)形擋環(huán)。風(fēng)機結(jié)構(gòu)復(fù)雜且葉片外形不規(guī)則，因此生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格比較困難，相反非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格適應(yīng)能力強，在處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)時有利于網(wǎng)格的自適應(yīng)。

因此9-12離心風(fēng)機采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。使用ANSYS 軟件中的CFD 軟件進行網(wǎng)格劃分，加米字形集流器模型網(wǎng)格數(shù)1 072 503，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)184 910；普通圓弧形模型網(wǎng)格數(shù)1 296 832，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)223 847。由效率曲線圖可知，大流量區(qū)計算結(jié)果比實測結(jié)果偏高，小流量區(qū)計算結(jié)果比實測結(jié)果偏低，說明計算結(jié)果與實測結(jié)果吻合。以離心風(fēng)機在掘進工作面環(huán)境下的運行工況為依據(jù)，進行9-12離心風(fēng)機參數(shù)設(shè)置：流量取22 806.54 m3/h，流速取6.335 15 m/s, 質(zhì)量流量取7.491 3 kg/s。把Pro/E 建立的幾何模型導(dǎo)入Fluent 中并對幾何模型的邊界條件計算參數(shù)進行設(shè)定。其中入口類型采用速度進口，出口設(shè)為壓力邊界條件，本計算采用的樣機是礦用式離心風(fēng)機， 出口靜壓可以近似為0，蝸殼內(nèi)壁及葉輪壁面粗糙度均取0.5，集流器、葉輪、蝸殼等各流體區(qū)域結(jié)合處的公共面采用interface邊界類型面， 將葉片的壓力面和吸力面以及葉輪前盤、后盤和轉(zhuǎn)軸的內(nèi)外表面一起定義為旋轉(zhuǎn)壁面。環(huán)境壓力為101 325 Pa，取粉塵流體密度ρ=1.225 kg/m3。計算時采用SIMPLE 壓力速度耦合方法進行。

原9-12離心風(fēng)機和A 型改進風(fēng)機在點的噪聲頻譜圖。根據(jù)風(fēng)機參數(shù)，風(fēng)機旋轉(zhuǎn)噪聲基頻為760 Hz，由頻譜圖可看出在500 ～ 800

Hz 之間的低頻噪聲并沒有降低，而1 250－2 000 Hz 之間吸聲材料的降噪效果非常好，噪聲下降明顯。進氣箱內(nèi)的流動損失進氣箱的流動損失可以通過數(shù)值模擬計算分析，為理論研究提供參考，其大小為進氣箱出口截面的動壓乘以損失系數(shù)。主要原因就是選用的吸聲材料超細玻璃棉在高頻率下，吸聲系數(shù)較大，因此多孔吸聲材料其吸聲效果是高頻優(yōu)于低頻的。消聲蝸殼為B 組合形式時與原風(fēng)機的出口A聲級隨流量變化的對比圖。與原風(fēng)機相比，在額定工況點A 聲級降低約7 dB( A) ，在大流量工況，A 聲級降低約5．0dB( A) ，在小流量工況下，A 聲級降低約2．4 dB( A) 。

在125～ 500Hz 頻段之間，風(fēng)機A 聲級有所增大，原因是后蓋板加上消聲材料后，葉輪軸向安裝長度加長引起低頻電機振動，噪聲增加。在中高頻段后蓋板加消聲材料的降噪效果很好，這種方式對于氣動噪聲及高頻振動等起到很好的吸收作用，尤其是9-12離心風(fēng)機包括電機的高頻振動噪聲過濾程度明顯。綜上所述，本文通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化對離心風(fēng)機金屬葉輪穩(wěn)定運行影響進行研究，簡要分析了各部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化對離心風(fēng)機金屬葉輪穩(wěn)定運行的影響。消聲蝸殼為C 組合形式時與原風(fēng)機的出口A聲級隨流量變化的對比圖。與原風(fēng)機相比，在額定工況點總A 聲級降低約7．2 dB( A) ，在大流量工況，A 聲級降低約5．5 dB( A) ，在小流量工況，A 聲級降低約3．5 dB( A) 。是消聲蝸殼為D 組合形式時與原風(fēng)機的出口A聲級隨流量變化的對比圖。與原風(fēng)機相比，在額定工況點，A 聲級降低約5．14 dB( A) ，9-12離心風(fēng)機在大流量工況，總A 聲級降低約5．0 dB( A) ，在小流量工況，A 聲級降低約2．0 dB( A) 。降噪效果稍微好于A 型改進風(fēng)機，但不明顯。可見前蓋板加裝消聲材料降噪效果并不好，主要原因由于進口處有集流器，導(dǎo)致安裝消聲材料的面積相對于后蓋板小很多，吸聲效果不明顯。

為改善9-12離心風(fēng)機受氣體粘性影響導(dǎo)致流動分離加劇的現(xiàn)象，在傳統(tǒng)蝸殼型線設(shè)計理論的基礎(chǔ)上，研究氣體粘性力矩對蝸殼壁線分布的影響，并采用動量矩修正方法對其進行改型設(shè)計。（2）在振動比較明顯的管段上加裝管道減震器，使管道與風(fēng)機殼體呈柔性連接，減小或緩沖振動。另外，為真實反映風(fēng)機內(nèi)流場分布情況，在標準k-ε 計算模型的擴散項中加入粘性應(yīng)力作用，使其高計算誤差降低至3%。對比分析改型前后風(fēng)機數(shù)值模擬計算和試驗測量結(jié)果可知，采用修改的k-ε 模型進行計算發(fā)現(xiàn)改型后風(fēng)機內(nèi)旋渦強度減小，蝸殼出口靠近蝸舌處流動分離得到改善。試驗結(jié)果表明：改型9-12離心風(fēng)機出口靜壓提升約25Pa，較大全壓效率較原型機提升約10%。

同時，由于蝸殼張開度擴大能夠抑制流動分離，使蝸舌附近區(qū)域的旋渦強度及其影響區(qū)域減小，從而有效地降低了多翼離心風(fēng)機噪聲2.5dB。多翼離心風(fēng)機廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，是工業(yè)生產(chǎn)中主要耗能設(shè)備之一，蝸殼作為離心風(fēng)機中不可或缺的基本元件，其結(jié)構(gòu)的不對稱性及內(nèi)部流動的復(fù)雜性會對葉輪出口氣流角造成較大影響，使其沿圓周方向呈現(xiàn)出明顯的不對稱性。但由于種種原因，造成風(fēng)機超過允許范圍的振動的現(xiàn)象并不少見，嚴重的劇烈振動會造成風(fēng)機本體及其關(guān)聯(lián)設(shè)備破壞的設(shè)備事故，甚至還會造成人身安全事故。而在風(fēng)機實際運行過程中，9-12離心風(fēng)機葉輪出口氣流與蝸殼壁面間存在強烈的非定常干涉，使得蝸殼壁面成為風(fēng)機的主要噪聲源。因此提高蝸殼型線設(shè)計水平，不僅能改善風(fēng)機氣動性能，還能達到降低噪聲的效果。目前國內(nèi)外學(xué)者對離心風(fēng)機蝸殼型線的研究，主要集中在尋找能真實反映蝸殼內(nèi)流體流動狀態(tài)的設(shè)計方法。

9-12離心風(fēng)機性能試驗原理及其裝置為了驗證修正后數(shù)值計算模型的準確度，對原風(fēng)機的不同工況氣動性能試驗。因此在蝸殼的優(yōu)化設(shè)計過程中必須將蝸殼寬度對流場的影響考慮在內(nèi)，合理設(shè)計外殼的寬度，降低對流場的影響。將修正前后數(shù)值計算模型預(yù)測原型機性能結(jié)果與試驗值作對比分析，由數(shù)據(jù)可知，采用標準k-ε 模型預(yù)測的風(fēng)機性能曲線較試驗值存在一定誤差，其較大誤差值達9.5%，修正的k-ε 模型，各流量工況下9-12離心風(fēng)機出口靜壓計算值與試驗值吻合，其性能曲線趨于重合，兩者誤差值明顯減小，且較大誤差降低至3%，充分驗證了所采用的數(shù)值計算模型修正方法的可行性，同時為下文9-12離心風(fēng)機性能的準確度和可靠性預(yù)測提供支撐。設(shè)計原理分析原風(fēng)機蝸殼內(nèi)壁型線采用的是傳統(tǒng)蝸殼型線設(shè)計方法，即不考慮壁面粘性摩擦的影響，氣流動量矩保持不變，運用不等邊基圓法繪制的近似阿基米德螺旋線。而實際流動過程中，氣體粘性作用常導(dǎo)致其速度在過流斷面上呈現(xiàn)的分布不均勻現(xiàn)象。

對于低速小型多翼離心風(fēng)機而言，由于氣體流道狹窄，受粘性作用的影響，風(fēng)機內(nèi)壁面邊界層分離加劇，經(jīng)過葉輪加速的氣體流速沿蝸殼徑向方向逐漸減小，而在9-12離心風(fēng)機蝸殼出口處，由于同時受到蝸舌結(jié)構(gòu)和蝸殼壁面的影響，其流速為管道流速度分布，受粘性作用的影響，蝸殼內(nèi)流體于整個流道空間內(nèi)呈現(xiàn)速度分布不均勻的現(xiàn)象，因此在實際流動過程中，流體動量矩并不是不變的，而是隨流動的進行不斷減小，故基于動量矩守恒定律設(shè)計的傳統(tǒng)蝸殼型線存在動量修正的必要。普通圓弧形集流器入口壓力為-8000Pa，到集流器出口達到-16000Pa，壓差8000Pa，小于米字形集流器。改型設(shè)計方法由于氣體粘性力無法通過簡單的公式運算獲得，且其大小受氣體速度的影響，因此本文采用一種簡單化的求解方法，即基于傳統(tǒng)不等邊基圓法，9-12離心風(fēng)機運用改進后的k-ε 模型對原風(fēng)機進行數(shù)值模擬，設(shè)置如圖8 所示的4 個監(jiān)測截面，其方位角φ 分別為90°、180°、270°、360°。通過Fluent 后處理計算得出蝸殼壁面區(qū)域于以上4 個截面處所受粘性力大小Fν ，測量力矩中心至力原點距離R，由額定工況下風(fēng)機總質(zhì)量流量q 計算得單位質(zhì)量流體所受黏性力矩平均值m FR / q。