楊 剛

（陽(yáng)煤集團(tuán)南嶺公司， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

在我國(guó)部分地區(qū)，目前用于向地下供應(yīng)空氣的主要裝備之一是基于離心風(fēng)機(jī)的多組合風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。在這項(xiàng)研究中，F(xiàn)luent工程分析代碼被用來模擬離心機(jī)4VTs-15系統(tǒng)中的聯(lián)合操作，風(fēng)扇設(shè)計(jì)用于煤礦通風(fēng)。本文研究的實(shí)例為離心機(jī)4VTs-15系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝在兩個(gè)與吸入和輸送管相連的離心泵相連的風(fēng)機(jī)1—4段上。每個(gè)風(fēng)扇連接到兩個(gè)通道（管道）。系統(tǒng)可以在正向模式下運(yùn)行，但這也取決于可逆門的位置。在正向模式下（送入礦井的空氣）來自空氣加熱器的氣流通過系統(tǒng)的第一級(jí)并進(jìn)入VT-15的吸氣管系統(tǒng)。接下來，通過離心式風(fēng)扇的空氣通過輸送管道移動(dòng)到第二階段然后進(jìn)入礦山[1]。

1 煤礦風(fēng)扇系統(tǒng)的物理建模

圖1為風(fēng)扇系統(tǒng)的布局。

圖1 風(fēng)扇系統(tǒng)的布局

這項(xiàng)工作的目的是確定風(fēng)扇對(duì)給定幾何形狀的聯(lián)合操作系統(tǒng)的有效性。但問題是，每一個(gè)下一對(duì)風(fēng)扇加入系統(tǒng)不會(huì)導(dǎo)致線性（或幾乎線性）增加總氣流量。在這種情況下，物理實(shí)驗(yàn)很難執(zhí)行，必須進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。有必要確定每對(duì)風(fēng)扇的貢獻(xiàn)總空氣流量，即計(jì)算正向模式中每個(gè)風(fēng)扇的體積空氣流量。這也是識(shí)別建筑物的死區(qū)并確定速度和氣壓場(chǎng)分布時(shí)十分必要的流程。當(dāng)空氣從空氣加熱器移動(dòng)到通往礦井的隧道時(shí)，靜壓力Ps（在吸氣管段中）和總體積氣流量在實(shí)驗(yàn)中確定的風(fēng)機(jī)Qv（對(duì)于在網(wǎng)絡(luò)中工作的風(fēng)機(jī)）是問題的邊界條件。

在系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模中，將其真實(shí)模型輸入對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)化幾何。圖2為4VTs-15系統(tǒng)的三維模型，以便考慮系統(tǒng)第一階段的幾何形狀?？諝鈴目諝饧訜崞饕苿?dòng)到吸氣管球迷，計(jì)算模型不包括風(fēng)機(jī)。入口條件施加在相鄰的部分Sin上到空氣加熱器，并且模型出口條件被施加在吸氣管的一部分處與風(fēng)扇1的距離。因此，該型號(hào)具有一個(gè)入口和四個(gè)出口部分（每個(gè)風(fēng)扇一個(gè)）。在對(duì)集合的操作進(jìn)行建模時(shí)，有必要描述發(fā)生的物理過程，使用數(shù)值方法解決由此產(chǎn)生的數(shù)學(xué)問題，并分析結(jié)果。

圖2 4VTs-15風(fēng)扇系統(tǒng)的三維模型

2 仿真結(jié)果與分析

為了描述流場(chǎng)，流動(dòng)部分（變量 u，v，w，和 P）被分成一組有限的控制體積（計(jì)算網(wǎng)格）。對(duì)于每個(gè)網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)的一些基本方程，將采用連續(xù)性方程和方程（k-ε）湍流模型。

計(jì)算域首先被劃分為大的元素（被分解），網(wǎng)格就是這些元素隨后構(gòu)建的一部分。下頁(yè)圖3為計(jì)算網(wǎng)格的一個(gè)片段（網(wǎng)格大小增加了，沒有細(xì)化網(wǎng)格），這是系統(tǒng)第一階段的初始條件和邊界條件。解決Napier-Stokes問題方程，它們是偏導(dǎo)數(shù)中的非線性微分二階方程，有必要指定初始條件和邊界條件。由于要解決的問題是非平穩(wěn)的，所以初始條件是在初始時(shí)間t0施加在氣流上，指定壓力場(chǎng)和速度，即P=P（x，y，z，t0）和 V=V（x，y，z，t0）。在穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的情況下，指定初始?jí)毫?chǎng)Ps=Ps（x，y，z）=101 325 Pa，并且速度分量u=v=w=0。

圖3 計(jì)算網(wǎng)格的一個(gè)片段

對(duì)每個(gè)部分的靜壓給定的邊界條件進(jìn)行計(jì)算，通往4VTs-15系統(tǒng)的吸氣管道以及給定的總氣流，用于四個(gè)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行。在入口處在該模型中，指定風(fēng)速Vin=13.34m/s，對(duì)應(yīng)空氣流量Qv=132.35m3/s，通過一段面積Sin=9.92m2/s。在區(qū)段1—4中，靜態(tài)壓力 P1=100 834 Pa，P2=101 030 Pa，P3=101 128 Pa，P4=101 128 Pa。工作機(jī)構(gòu)模型被假定為密度ρ=1.23 kg/m3的不可壓縮空氣[2-3]。

因此，對(duì)于系統(tǒng)的流動(dòng)部分，納維-斯托克斯方程（對(duì)于穩(wěn)態(tài)不可壓縮流動(dòng)）是求解速度和壓力，以及湍流標(biāo)準(zhǔn)（k-ε）模型的方程。在給定的初始條件下和幾何形狀，計(jì)算從入口部分到吸入管的空氣參數(shù)[4]。獲得的計(jì)算結(jié)果表示為各種分布特性，例如速度和靜態(tài)壓力場(chǎng)（矢量形式）。圖3顯示了第一階段的空氣運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。如果風(fēng)扇同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，需要考慮它們的入口和出口的連接方式。

通過計(jì)算可以看出，當(dāng)氣流離開了4VTs-15風(fēng)扇沿著輸送管道移動(dòng)到礦井中時(shí)，圖4顯示了氣流流經(jīng)4VTs-15系統(tǒng)進(jìn)入礦道的速度場(chǎng)片段。

圖4 氣流流經(jīng)4VTs-15系統(tǒng)進(jìn)入礦道的速度場(chǎng)

從圖4可以看出，氣流從4VTs-15系統(tǒng)入口進(jìn)入，并在輸送管道的部分中穿梭后射入到礦道中，因此，該模型具有四個(gè)入口部分（每個(gè)風(fēng)扇一個(gè)）和一個(gè)出口（位于距離礦井入口一定距離）。氣流在管道內(nèi)的流動(dòng)特點(diǎn)是十分明顯的，在靠近入口的部位存在渦流盲區(qū)，也就是說，由于氣體流動(dòng)的黏性，氣體并不總貼著管壁進(jìn)行移動(dòng)。對(duì)于每個(gè)入口管道部分中給定的速度邊界條件執(zhí)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)，氣體在流動(dòng)過程中，總是與其他入口的氣流交叉形成渦流，所以，在實(shí)際操控中，應(yīng)該控制四個(gè)操作風(fēng)扇強(qiáng)制進(jìn)入礦井的空氣總流量，同時(shí)還應(yīng)該考慮系統(tǒng)與分支網(wǎng)絡(luò)的連接位置產(chǎn)生的靜壓。因?yàn)楫?dāng)風(fēng)扇同時(shí)在吸入和輸送模式下運(yùn)行時(shí)，應(yīng)該盡量避免渦流帶來的不必要流動(dòng)阻力和設(shè)備磨損。從計(jì)算來看，每個(gè)風(fēng)扇流動(dòng)速度控制在V1=15.4 m/s，V2=12.4m/s，V3=12.5m/s，V4=14.9m/s 這個(gè)值所有時(shí)，可以較好地避免渦流的產(chǎn)生，從而提高4VTs-15風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

3 4VTs-15系統(tǒng)的優(yōu)化

因?yàn)閷?dǎo)致總數(shù)減少的主要因素氣流（特別是對(duì)于第二對(duì)風(fēng)扇）是在系統(tǒng)的第二階段沒有充足的空氣流出，有必要確定輸送管道的最佳位置，以盡量減少氣流的干擾。

圖5為具有不同配送方式的風(fēng)扇系統(tǒng)的原始布局和優(yōu)化布局管道。根據(jù)圖5-2所示的布局，風(fēng)扇被連接到風(fēng)扇系統(tǒng)的主要階段并排列成棋盤格形式。圖5-3顯示了優(yōu)化布局，據(jù)此管道與箱體表面的傾角從45°降至35°。

圖5 不同配送方式的風(fēng)扇系統(tǒng)的管道原始布局和優(yōu)化布局

圖4顯示了氣流速度分布對(duì)應(yīng)于圖5-3所示的布局。在這種情況下，總風(fēng)量Qv=141.73m3/s。因此，通過使用優(yōu)化布局，與原始布局相比，優(yōu)化后的布局氣流速率增加了7.2%（風(fēng)扇系統(tǒng)的原始布局氣流速率為132.35m3/s）。應(yīng)該注意的是，由于外部?jī)?yōu)化方法的限制（即，在主箱外），流量增加9.53m3/s即是一個(gè)好的優(yōu)化結(jié)果。