陳偉

(山西錦興能源有限公司肖家洼煤礦，山西 呂梁 033600)

基于數(shù)值計算的離心通風機無葉前導器優(yōu)化研究

陳偉

(山西錦興能源有限公司肖家洼煤礦，山西 呂梁 033600)

通過Fluent數(shù)值模擬軟件，尋求能夠進一步找到改善離心通風機無葉前導器的方法及最佳工況。對無葉前導器進行建模，變量主要為蝸殼寬度和蝸殼進口張開度，用Gambit進行網(wǎng)格劃分，在Fluent設(shè)置中改變進口流量的大小?；谝粋€基礎(chǔ)工況，改變相關(guān)參數(shù)進行研究。之后，通過氣動數(shù)值模擬及相關(guān)公式，得出此次設(shè)計的兩個重要系數(shù)——阻力系數(shù)和旋度系數(shù)，由這兩個系數(shù)探究無葉前導器優(yōu)化的方向。結(jié)果表明，流量比、蝸殼寬度和蝸殼出口張開度的增加都有利于阻力系數(shù)的減小。

無葉前導器；離心通風機；阻力系數(shù)；旋度系數(shù)

0 引言

離心風機主要依靠機械能作為其動力源，用于提高氣體壓力，是一種流體機械，屬于從動型設(shè)備。無葉前導器離心風機很大程度上彌補了有葉前導器離心風機存在的導葉方面的不足，并且無葉前導器在較小的阻力系數(shù)下能產(chǎn)生合適的旋繞，損失小[1-5]。

隨著切向進氣流量的增加，無葉前導器所產(chǎn)生的阻力系數(shù)并未出現(xiàn)太大變化，而旋度系數(shù)卻增強了許多[6-8]，所以，在單位阻力系數(shù)下，無葉前導器阻力系數(shù)變得越來越大。在相同的旋度系數(shù)下，切向進氣流量越大，無葉前導器損失小于有葉前導器的損失；在相同的旋度系數(shù)下，無葉前導器比有葉前導器有更小的阻力系數(shù)。相比有葉前導器而言，雖然無葉前導器對風機進口阻力也有一定的影響，但可以從很多方面進行優(yōu)化。

1 建模與數(shù)值模擬

1.1 建模及網(wǎng)格劃分

建模過程是將2個零件組成1個裝配體，即無葉前導器。2個零件分別為蝸殼和帶有進氣口和出氣口的圓柱體。

用Gambit進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分基本可以分為面劃分和體劃分。面劃分即Mesh Face，包括三角形網(wǎng)格Tri、四邊形網(wǎng)格Element Quad以及混合網(wǎng)格。體劃分即Mesh Volume，包括六面體網(wǎng)格Element Hex；以六面體為主，在合適的位置包含一些楔形網(wǎng)格Hex/Wedge；以四面體為主，在適當?shù)奈恢冒恍┬ㄐ?、六面體和錐形網(wǎng)格Tet/Hybrid[9-12]。

網(wǎng)格的質(zhì)量對后面的數(shù)值計算具有重要影響，好的網(wǎng)格使最后的計算結(jié)果更精確，本文采用的網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 風機結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

1.2 Fluent數(shù)值模擬

Fluent采用計算流體動力學(CFD)的數(shù)值模擬技術(shù)，良好的數(shù)值模擬與完善的網(wǎng)格使結(jié)果具有很高的精度[13]。Fluent采用多重網(wǎng)格加速收斂的技術(shù)和多種求解方法，可以達到很高的收斂速度和求解精度，可以用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的一些復雜流動?；诮獾淖赃m應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)、儲備豐富的物理模型和方便的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，F(xiàn)luent在層流、湍流、多相流、化學反應(yīng)等方面有廣泛應(yīng)用。將建好的模型在Fluent中進行數(shù)值計算[14-15]。

2 控制變量法尋找最佳方案

2.1 阻力系數(shù)和旋度系數(shù)的計算方法

(1)阻力系數(shù)Cf。

表1 10090工況下各數(shù)值

式中：p為壓力，Pa；v為速度，m/s；ρ為密度，kg/m3；qV為體積流量，m3/s；下標i表示進口；下標o表示出口；下標1,2表示進口1,2端。

(2)旋度系數(shù)Cr。

式中：vt，va分別為出口氣流的切向速度和軸向速度；qVo為無葉前導器出口總流量。

初始工況：蝸殼進口張開度A=740 mm，蝸殼進口寬度B=520 mm，初始流量qV=7.2 m3/s。

2.2 不同蝸殼寬度和進口張開度下，流量比對旋度系數(shù)和阻力系數(shù)的影響

2.2.1A為100%原值、B為90%原值(10090工況)流量比與兩系數(shù)的關(guān)系

當流量比為3∶7時，進口2端全壓偏大。從極限思想考慮，當進口1的流量無窮小、進口2的流量無窮大時，進口2端總壓力趨近于無窮，與實際情況不符且對機器損失較大。流量比為5∶5時是分界點，即流量比小于1時，隨著比值的增大，進口1端和進口2端總壓減小，出口全壓逐漸減少，軸向速度va趨于穩(wěn)定，切向速度vt逐漸減少，阻力系數(shù)和旋繞系數(shù)都減少。當流量比大于1時，進口1總壓增大，進口2總壓減少，出口全壓減少，軸向速度穩(wěn)定，切向速度減少，阻力系數(shù)和旋度系數(shù)都減少。從極限思想考慮，當比值趨向無窮大時，切向速度為0，沒有阻力影響，旋度系數(shù)趨向0，這與本次研究相違背，對設(shè)備傷害較大，沒有實際意義。出口全壓在流量比為1.5時有個變化，但其余情況逐漸減少，可能是qVi1較大的原因。

圖2 10090工況下阻力系數(shù)、旋度系數(shù)和流量比的關(guān)系

10090工況下各數(shù)值見表1，流量比與阻力系數(shù)和旋度系數(shù)的關(guān)系如圖2所示。

從圖2可以看出，阻力系數(shù)和旋度系數(shù)都隨流量比的增大而減小，且在流量比小于0.67的區(qū)間內(nèi)阻力系數(shù)變化較快，之后基本不變。旋度系數(shù)在流量比小于1的區(qū)間內(nèi)變化較大，之后也幾乎不變。

2.2.2A，B均為100%原值(100100工況)流量比與兩系數(shù)的關(guān)系

兩端的極限思想上一個工況已經(jīng)考慮，其他工況的極限思想完全相同，此處不再闡述。此處各參數(shù)值較上面的工況有很大的改變，隨著流量比的增大，進口1全壓逐漸增大，進口2全壓逐漸減少，出口全壓在流量比為1.5時有個變化，其余逐漸減少，軸向速度幾乎不變，切向速度逐漸減少，阻力系數(shù)和旋度系數(shù)都減少。

100100工況下各數(shù)值見表2，流量比與阻力系數(shù)、旋度系數(shù)的關(guān)系如圖3所示。從圖3可以看出，阻力系數(shù)和旋度系數(shù)都隨流量比的增大而減小，且在流量比小于0.67區(qū)間內(nèi)阻力系數(shù)變化較快，之后基本不變。旋度系數(shù)在流量比小于1的區(qū)間內(nèi)變化較大，之后也幾乎不變。

2.2.3A為100%原值、B為110%原值(100110工況)流量比與兩系數(shù)的關(guān)系

隨著流量比的增加，進口1端總壓力逐漸增加，進口2端壓力逐漸減少，全壓變化同上，軸向速度穩(wěn)定，切向速度減少，阻力系數(shù)和旋度系數(shù)均減小。

100110工況下各數(shù)值見表3，流量比與阻力系數(shù)、旋度系數(shù)關(guān)系的如圖4所示。從圖4可以看出，阻力系數(shù)和旋度系數(shù)都隨流量比的增大而減小，且在流量比小于0.67的區(qū)間內(nèi)阻力系數(shù)變化較快，之后基本不變。旋度系數(shù)在流量比小于1的區(qū)間內(nèi)變化較大，之后也幾乎不變。

表2 100100工況下各數(shù)值

表3 100110工況下各數(shù)值

圖3 100100工況下阻力系數(shù)、旋度系數(shù)和流量比的關(guān)系

圖4 100110工況下阻力系數(shù)、旋度系數(shù)和流量比的關(guān)系

上述3種工況結(jié)論幾乎一致，無法確定最優(yōu)工況，在相同的旋度系數(shù)下，阻力越小，越有利于風機的節(jié)能。在相同的阻力系數(shù)下，旋度系數(shù)越大，越有利于改善風機的運行特性。為進一步分析最優(yōu)工況，將阻力系數(shù)作橫坐標，旋度系數(shù)作縱坐標，畫出阻旋曲線，如圖5所示。

圖5 阻旋曲線

由圖5可知，在阻力系數(shù)小于0.5時3個工況的旋度系數(shù)幾乎重合，并無優(yōu)劣區(qū)分，即B值變化不影響阻力系數(shù)和旋度系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)3種工況之后的傾斜程度，相同的阻力系數(shù)下，選擇最佳旋度系數(shù)，對風機的運行工況有很大改善，但阻力系數(shù)和旋度系數(shù)同增，兩者不可兼得，追求其中一個最佳工況，另一個值必定不利于風機運行。接著，觀察同一旋度系數(shù)下阻力系數(shù)變化情況，同樣的，在旋度系數(shù)小于1時，3種工況幾乎重合。而對于10090工況而言，在流量比達到0.67時阻力系數(shù)增加很小，旋度系數(shù)增加了0.40，變化明顯，能很好地改善風機的運行特性。鑒于阻力系數(shù)0.35到0.50變化不大，而旋度系數(shù)0到1.5變化明顯，所以在控制流量比為0.67的前提下，選擇10090工況能很好地改善風機運行特性。還能得出的結(jié)論是：流量比大于1后，B值變化和流量比變化對阻力系數(shù)幾乎無影響；流量比增大，阻力系數(shù)必減??；隨著B值的增大，同樣的流量比下，阻力系數(shù)減小。

3 數(shù)值模擬的后處理

基本思想還是控制變量，首先控制蝸殼進口張開度和寬度不變(A為80%原值、B為90%原值)，改變流量比的大小，作出各工況速度矢量圖。其中在Fluent里設(shè)置一個截面，基于本次模擬z方向總長為0.2 m，z為0.1 m時設(shè)置一個面，即為無葉前導器中心部分。

由圖6～圖9可以看出：隨著流量比的增大，蝸殼中心部分周圍黑色圓環(huán)即圓筒的外邊緣密集程度逐漸降低，即旋繞劇烈程度降低；但流量比為7∶3時，卻與趨勢相反，由上面數(shù)據(jù)可知，出口壓力在該流量比下有上漲的趨勢，出口全壓損失小，表明失去少的能量同時促進了預旋程度，同時，由于切向進氣減少，旋度系數(shù)降低。從速度云圖可以看出，速度在無葉前導器中的分布無規(guī)律，為非對稱性流動，圓筒邊緣及內(nèi)部速度較大，即軸向速度和切向速度交匯部分速度較大，并且最大速度部分有明顯的位移現(xiàn)象，從而說明了有旋度存在，也減少了有葉前導器由于存在導葉所引起的節(jié)流損失，說明研究無葉前導器對風機優(yōu)化運行有一定的優(yōu)勢。

圖7 流量比為5∶5時的速度圖

圖8 流量比為6∶4時的速度圖

圖9 流量比為7∶3時的速度圖

下面固定流量比(4∶6)和蝸殼出口寬度(B為90%原值)不變，改變出口張開度的大小。

由圖10～圖12可以看出：隨著A值的增大，圓筒周圍左半部分明顯變得稀疏，即旋度降低；蝸殼中心處深色部分明顯減少，即預旋劇烈程度降低，但速度變化并無規(guī)律可循，說明了其運動的不規(guī)則性。

圖10 A為80%原值時的速度圖

圖11 A為90%原值時的速度圖

圖12 A為100%原值時的速度圖

4 結(jié)論

速度云圖和分布圖更加直觀地照應(yīng)了上面的數(shù)值計算，但是，B為110%原值工況和流量比為7∶3工況均為轉(zhuǎn)折工況，變化程度與趨勢相反，說明A為100%原值、B為110%原值工況與其他工況的曲線不同，B為110%原值可能起到了主導作用。

[1]徐偉,陳更林,趙晉云.基于前導器調(diào)節(jié)的離心式通風機特性研究[J].礦山機械,2015(5)：28-31.

[2]白碩瑋，陳建峰，白念玉.離心式通風機的前導器調(diào)風方法分析與研究[J].煤礦機械，2010，31(9)： 177-179.

[3]徐偉，陳更林，趙晉云.離心式風機有葉與無葉前導器特性及機理研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學，2014.

[4]中國產(chǎn)業(yè)調(diào)研網(wǎng).2015—2020年中國離心風機行業(yè)現(xiàn)狀調(diào)研分析及發(fā)展趨勢研究報告[R].北京：中國產(chǎn)業(yè)調(diào)研網(wǎng)，2017.

[5]土木工程網(wǎng).國內(nèi)發(fā)電廠離心通風機的應(yīng)用現(xiàn)狀與經(jīng)濟分析[R].贛州:土水工程網(wǎng),2011.

[6]中國產(chǎn)業(yè)調(diào)研網(wǎng).2015年離心風機現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析[R].北京：中國產(chǎn)業(yè)調(diào)研網(wǎng)，2015.

[8]陳更林,楊勝強.通風機調(diào)節(jié)運行的經(jīng)濟性研究[J].煤礦機電,2007(6)：15-18.

[9]ZHANG M G,LI X G,LIU J C,et al.Flow field simulation and performance analysis of a multi-blade centrifugal fan[J].Chemical engineering,2011,39(11)：51-55.

[10]YU Z，LI S，HE W，et al.Numerical simulation of flow field for a whole centrifugal fan and analysis of the effects of blade inlet angle and impeller gap[J].Hvac amp; R research，2005，11(2)： 263-283.

[11]MAO Q.Layered design of a multi-blade centrifugal fan impeller[J].Mechanical science amp; technology for aerospace,2010,29(10)：1337-1401.

[12]JADHAV N S,PATIL S R.Effects of volute tongue clearance and rotational speed on performance of centrifugal blower[J].International journal of scientific research engineering amp; technology，2016，4(2):261-266.

[13]鄧敬亮.離心風機全三維數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計研究[D].西安：西北工業(yè)大學,2015.

[14]王松嶺,論力勇.基于FLUENT的離心風機內(nèi)部流場三維數(shù)值模擬及節(jié)能改造研究[C]//中國動力工程學會第三屆青年學術(shù)年會論文集,2007.

[15]湯以興.通風系統(tǒng)離心風機蝸殼的優(yōu)化設(shè)計[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學,2014.

(本文責編：劉芳)

陳偉(1990—)，男，陜西鎮(zhèn)安人，工程師，從事煤礦機電運輸、機電工程及設(shè)備運行方面的工作(E-mail:785515585@qq.com)。

TH 432

A

1674-1951(2017)11-0005-05

2017-10-10；

2017-10-22