防爆離心風(fēng)機對比分析

在額定轉(zhuǎn)速下， 假定風(fēng)機進出口處截面上動壓靜壓均勻分布，對風(fēng)機進口、出口壓力及壓差，集流器進出口壓力及其壓差進行統(tǒng)計。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。取點方法：在截面中心為軸心，周邊均勻取了20 個點，之后計算取其平均值，可以看出，同流量下，加米字形集流器的靜壓和全壓差分別為-4 389.0 Pa 和-2 252.9 Pa，而普通圓弧形集流器的壓差為-982.9 Pa 和-32.1 Pa，相比可以看出，防爆離心風(fēng)機 加米字形集流器導(dǎo)流效果比普通圓弧形集流器好。但是同流量下，普通圓弧形集流器比加米字形集流器風(fēng)機壓差大，有效值大2 366 Pa，風(fēng)機全壓差加米字形比普通圓弧形小2 350.8 Pa，減少的這部分能量用于摩擦發(fā)熱。說明集流器經(jīng)過改造提高了粉塵流的導(dǎo)流能力，提高了風(fēng)機的性能。

本文對掘進工作面防爆離心風(fēng)機集流器結(jié)構(gòu)進行了改進研究。本文所研究的某離心風(fēng)機葉輪有均布的16個前向的大小葉片，其內(nèi)部流場較為復(fù)雜，為了揭示防爆離心風(fēng)機內(nèi)的流場特性，對風(fēng)機進行全三維數(shù)值模擬。并對改進前、后的結(jié)構(gòu)的集流器導(dǎo)流效果做了理論分析。然后應(yīng)用Fluent 流體軟件對其進行了數(shù)值建模分析， 充分認(rèn)識離心分機內(nèi)部流場流體的流動規(guī)律，并得到集流器及整個風(fēng)機的壓力云圖，截面所受阻力云圖，并取點做了統(tǒng)計分析。研究結(jié)果表明：防爆離心風(fēng)機加米字形集流器使集流器進出口壓差增加，明顯地起到對粉塵流場的導(dǎo)流作用。但是集流器由于增加米字形支撐架，造成集流器截面的摩擦力增大，消耗了風(fēng)機的一部分動能。但對大型除塵離心風(fēng)機總體來看，采用該結(jié)構(gòu)大大減少制造難度和加工成本，提高了經(jīng)濟效益。

本文以防爆離心風(fēng)機為研究對象，對4 種組合方式的消聲蝸殼進行了試驗測量，研究了每一種組合的降噪效果及對風(fēng)機氣動性能的影響。在實際工作中，不能孤立、片面地把振動的原因歸結(jié)于某一項因素，也有可能是這四種因素共同作用的結(jié)果。試驗在符合ISO3745 標(biāo)準(zhǔn)的半消聲室中進行，其四周墻壁及屋頂均裝有消聲尖劈，消聲室截止頻率100 Hz，本底噪聲為26 dB( A) 。試驗裝置和測試系統(tǒng)按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1236－2000《工業(yè)通風(fēng)機用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進行性能試驗》和GB/T2888－91《防爆離心風(fēng)機和羅茨鼓風(fēng)機噪聲測量方法》的要求設(shè)計、制造、測試。防爆離心風(fēng)機進氣口端連接符合GB/T 1236 規(guī)定的風(fēng)機性能試驗進氣試驗裝置。使用智能壓力風(fēng)速風(fēng)量儀測出PL3 位置的靜壓和PL5 處的流量壓差，然后再根據(jù)其他測量的數(shù)據(jù)算出風(fēng)機全壓和靜壓試驗裝置。

試驗采用進口堵片方式調(diào)節(jié)流量，從大流量至小流量共選取8 個工況點，分別測試每個工況點的風(fēng)機流量、壓力、功耗和噪聲。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。后計算風(fēng)機標(biāo)況下流量、全壓、全壓效率、總A 聲級。本試驗風(fēng)機的結(jié)構(gòu)簡圖，在風(fēng)機蝸板和前后蓋板上可分別固定穿孔鋼板，穿孔板與蝸殼本體之間形成10 mm 的空腔，空腔內(nèi)填充超細(xì)玻璃棉，形成消聲蝸殼。以此形成4 種消聲蝸殼組合: A 組合，周向蝸板有消聲層;B 組合，蝸殼后蓋板有消聲層; C 組合，周向蝸板和后蓋板有消聲層; D 組合，周向蝸板和前蓋板有消聲層。選用的穿孔板采用板厚1 mm，孔徑6 mm，穿孔率約為22%。各種加裝吸聲結(jié)構(gòu)組合，風(fēng)機蝸殼內(nèi)部的通流結(jié)構(gòu)尺寸和原風(fēng)機一致。

將建立好的防爆離心風(fēng)機三維模型導(dǎo)入ICEM 軟件進行混合網(wǎng)格的劃分。由于有梯度擴散項，模型k-ε方程為橢圓形方程，故其特性同其他橢圓形方程，需要邊界條件：防爆離心風(fēng)機出口或?qū)ΨQ軸處k/n0和/n0。其中進出口和葉輪區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，而蝸殼部分由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是電動機周圍結(jié)構(gòu)并非規(guī)則模型，故采用適應(yīng)性較強的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，具體網(wǎng)格如圖3 所示。綜合考慮動靜耦合區(qū)域?qū)?shù)值模擬預(yù)測結(jié)果的影響，在進行網(wǎng)格劃分時，對邊界層進行加密處理，其較低網(wǎng)格質(zhì)量雅克比[14]在0.3 以上。為了保證數(shù)值計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，避免網(wǎng)格誤差對其模擬結(jié)果造成影響，對防爆離心風(fēng)機進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，如表1 所示。綜合考慮計算精度和計算效率可知，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為25 萬左右時預(yù)測結(jié)果較為合理，終確定整個計算域的網(wǎng)格數(shù)為2513558。k-ε 模型作為為普遍有效的湍流模型，能夠計算大量的各種回流和薄剪切層流動，被廣泛應(yīng)用于各類風(fēng)機的數(shù)值求解計算中。

由于有梯度擴散項，模型k-ε 方程為橢圓形方程，故其特性同其他橢圓形方程，需要邊界條件：防爆離心風(fēng)機出口或?qū)ΨQ軸處k / n0和/ n0?？梢钥闯?，不同工況下，A型消聲蝸殼的降噪效果不同，防爆離心風(fēng)機在額定工況點附近，降噪效果好。但上述邊界條件只針對高雷諾數(shù)而言，在固體壁面附近，流體粘性應(yīng)力將取代湍流雷諾應(yīng)力，并在臨近固體壁面的粘性底層占主要作用。而多翼離心風(fēng)機由于結(jié)構(gòu)尺寸小、相對馬赫數(shù)低，氣體黏性力在流體流動過程中起重要作用，因此，在實際運用過程中，標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型由于未充分考慮粘性力的影響，導(dǎo)致計算模型出現(xiàn)偏差。運用Visual C 將上述修正函數(shù)編寫為UDF代碼，并導(dǎo)入Fluent 內(nèi)置Calculation module。為符合實際運行狀態(tài)，防爆離心風(fēng)機進出口邊界條件設(shè)置為壓力入口和壓力出口，出口壓降與動能成正比，從而避免在進口和出口定義一致的速度分布[15]。后以CFD 計算的定常結(jié)果作為初始條件，進行非定常數(shù)值計算。