胡建新， 徐小雨， 李 鐘， 金 星， 朱祖超

（1.浙江理工大學(xué) 流體傳輸技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，浙江 杭州310018； 2.長沙礦冶研究院有限責(zé)任公司 深海礦產(chǎn)資源開發(fā)利用技術(shù)國家重點實驗室，湖南 長沙410012）

礦用軸流式通風(fēng)機的氣動性能不僅受到葉輪效率的影響，還受到實際空間、環(huán)境的限制［1-2］。 由于地下作業(yè)實際操作空間有限，而礦用風(fēng)機占地面積大，因此在實際操作中，常常用彎管入口代替直進口，縮短風(fēng)機整體長度。 而在通常的軸流風(fēng)機設(shè)計中，一般假設(shè)風(fēng)機入口流場是均勻和穩(wěn)定的［3］，因此會帶來入口系統(tǒng)效應(yīng)，造成實際使用性能低于理想測試性能［4］。 已有研究表明，入口管道采用彎管布置后，會造成管內(nèi)流動阻力增大，葉輪入口速度沿軸向分布的均勻性受到影響，使得葉輪內(nèi)部流動惡劣，形成分離區(qū)和二次流，加重風(fēng)機的動能損失［5-7］，且這些現(xiàn)象還會導(dǎo)致內(nèi)部壓力脈動增大，進而誘發(fā)振動和噪聲［8-9］。 文獻［10］探究了雙向軸伸泵S 型彎管對水泵裝置性能及穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)彎管小半徑側(cè)水流流量偏大，因此靠近該側(cè)的部分葉片推動該部分水流時產(chǎn)生的應(yīng)力也偏大，造成葉輪穩(wěn)定性下降。 文獻［11］比較了彎管距離風(fēng)機進口位的距離對風(fēng)機性能的影響程度。 文獻［12］以高壓小流量前向離心通風(fēng)機為研究對象，研究了不同進口位置連接彎管對風(fēng)機性能的影響。 但目前針對低壓軸流風(fēng)機的入口彎管研究卻相對較少，已有對礦用軸流風(fēng)機的研究多假設(shè)進口為直管，較少考慮入口形式對風(fēng)機內(nèi)部流場及風(fēng)機性能的影響。 本文以某公司生產(chǎn)的大型礦用軸流式通風(fēng)機為研究對象，采用試驗和數(shù)值模擬的方法，以90°彎管作為風(fēng)機進口條件，改變其附加直管段的長度，研究彎管進口下非均勻和非軸對稱的進口畸變對礦用軸流通風(fēng)機性能的影響，研究結(jié)果可對礦用軸流風(fēng)機的結(jié)構(gòu)設(shè)計，特別是靜止部件的設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 物理模型

某單級軸流式通風(fēng)機是浙江某公司生產(chǎn)的帶后導(dǎo)葉的礦用軸流式通風(fēng)機，翼型葉片的型線變化按照設(shè)計要求得到，最佳效率點與設(shè)計工況點一致。 該礦用軸流式通風(fēng)機的主要部件有葉輪、導(dǎo)葉、內(nèi)筒、外筒等，風(fēng)機三維簡化模型如圖1 所示，風(fēng)機的具體參數(shù)如表1 所示，圖2 是3 種不同進口段的計算域模型。

圖1 單級地鐵軸流風(fēng)機結(jié)構(gòu)簡圖

表1 單級礦用軸流通風(fēng)機的基本參數(shù)

圖2 3 種不同進口段模型

1.2 計算網(wǎng)格劃分

計算模型包括進入軸流通風(fēng)機前流體充分發(fā)展的進口部分到離開風(fēng)機充分流動的出口部分之間所有內(nèi)流流道空間，進口部分長度取3D，出口部分取5D（D為風(fēng)機直徑），具體模型如圖3 所示。 數(shù)值模擬中，為控制網(wǎng)格質(zhì)量，提高計算精度，需要將復(fù)雜的計算區(qū)域分割，各計算域單獨生成合適的網(wǎng)格節(jié)點分布和合適尺寸的網(wǎng)格，局部網(wǎng)格圖如圖4 所示。 在分析時對整個計算模型劃分為5 個流體計算域：進口部分計算域、葉輪部分計算域、導(dǎo)葉部分計算域、內(nèi)筒部分計算域和出口部分計算域。 其中葉輪部分計算域為轉(zhuǎn)動計算域，但其輪蓋壁面設(shè)為靜止壁面；其他計算域均為靜止計算域，計算域之間通過交界面進行連接。

圖3 計算域網(wǎng)格模型

圖4 局部網(wǎng)格示意

1.3 計算方法及邊界條件

以單級軸流通風(fēng)機進口計算域的進口面作為整個計算域的進口，出口計算域的出口面定義為整個計算域的出口。 進口邊界條件給定為設(shè)計工況點的質(zhì)量流量進口，出口條件為靜壓出口，參考壓力為一個大氣壓，進出口湍流動能和湍流動能耗散率由經(jīng)驗公式計算確定。 本模型采用有限體積法對控制方程在空間上進行離散，計算流體為25 ℃的空氣，壁面采用無滑移邊界條件，近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。 考慮到軸流風(fēng)機的轉(zhuǎn)速較低，造成風(fēng)機全壓較小，因此可不用考慮氣體的壓縮性，用二階迎風(fēng)格式進行定常計算，采用SIMPLE 方法求解控制方程，計算模型采用SSTk?ε，該湍流模型能較為精確地模擬逆壓梯度引起的分離點和分離區(qū)大小，對封閉腔內(nèi)邊界層、自由剪切流、低雷諾數(shù)流場模擬較好，適合有逆壓梯度和分離的復(fù)雜邊界層，可用于轉(zhuǎn)捩流動、二次流、分離流等問題，具有比標(biāo)準(zhǔn)的k?ε模型更突出的優(yōu)點。 計算結(jié)果的收斂標(biāo)準(zhǔn)為計算殘差小于10-4且監(jiān)測的進出口總壓基本不變。 穩(wěn)態(tài)計算時，將動靜交界面設(shè)置為凍結(jié)轉(zhuǎn)子類型（Frozen rotor interface）；非穩(wěn)態(tài)計算時，將動靜交界面設(shè)置為瞬態(tài)凍結(jié)轉(zhuǎn)子類型（Transient Rotor／stator interface）。非穩(wěn)態(tài)求解時，將穩(wěn)態(tài)求解的收斂結(jié)果作為初始條件。根據(jù)風(fēng)機的轉(zhuǎn)速980 r／min，可得出該風(fēng)機的轉(zhuǎn)動周期為0.061 22 s，設(shè)置時間步長為0.001 53 s，風(fēng)機的葉片數(shù)為8，因此以葉片轉(zhuǎn)過45°作為一個計算周期。

1.4 控制方程

這里研究的是三維非定常流動，控制方程為三維雷諾時均N?S 方程：

式中和為流場時均流速和時均壓力；ρ和μ為流體的密度和黏度；Fi為流體所受體力

為雷諾應(yīng)力項，需要通過湍流模型進行封閉。

SSTk?ε模型由Menter［13］于1992 年提出。 該湍流模型通過將模型k?ω和k?ε加權(quán)平均的方式組合起來，在壁面處采用k?ω模型，在遠(yuǎn)離壁面處采用k?ε模型，充分利用k?ω模型對逆壓梯度模擬精確度高和k?ε模型對湍流初始參數(shù)不敏感的特點，提高了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性：

式中Ω為渦量；vt為湍流運動黏度；F2是一個判斷變量，通過比較可以確定vt的計算公式。

1.5 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

在單級軸流式通風(fēng)機設(shè)計工況下對計算網(wǎng)格進行了無關(guān)性驗證。 一共設(shè)置了5 組網(wǎng)格對照組，網(wǎng)格數(shù)分別為320 萬、352 萬、397 萬、426 萬和480 萬，對照表2 中設(shè)計工況下得到的總壓值可知，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達到352萬后，全壓和效率基本保持不變，又考慮到計算資源，最終確定總網(wǎng)格數(shù)為352 萬。 其中葉輪區(qū)域網(wǎng)格數(shù)約200 萬，導(dǎo)葉區(qū)域網(wǎng)格數(shù)約80 萬，內(nèi)筒及進出口區(qū)域網(wǎng)格數(shù)總計約70 萬。

表2 設(shè)計工況點隨網(wǎng)格數(shù)量變化表

2 計算結(jié)果及分析

2.1 試驗裝置

為了驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，按照GB／T1236—2000、ISO5801 和AMCA210 的標(biāo)準(zhǔn)對實驗風(fēng)機進行氣動性能測試，風(fēng)機由交流變頻電機驅(qū)動，電機轉(zhuǎn)速為980 r／min，試驗裝置如圖5 所示。

圖5 試驗裝置圖

軸流通風(fēng)機數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比如圖6所示。 由圖6 可見，數(shù)值模擬和模型試驗結(jié)果曲線變化規(guī)律一致，流量?全壓和流量?效率曲線基本吻合，試驗值在設(shè)計工況點下略低于模擬值，主要由于試驗過程中存在摩擦并且受到環(huán)境影響，造成軸功率損失。試驗裝置的誤差范圍均在5%之內(nèi)，不超過文獻規(guī)定的最大誤差范圍。

2.2 計算結(jié)果及分析

2.2.1 彎管入口流線分布

圖7 給出了3 種入口連接方案下的風(fēng)機全壓和效率曲線的對比。 方案1 為不帶彎管的圓柱形進氣管道，方案2、3 為90°彎管進氣管道，彎管與風(fēng)機進口之間連接的直管段長度分別為D和2D（D為風(fēng)機進氣直徑）。

圖7 3 種方案下風(fēng)機性能曲線

從圖7 可以看出風(fēng)機入口采用彎管連接后，風(fēng)機性能曲線整體下降，最佳效率點左移，在小流量工況下全壓和效率得到改善，但在大流量工況下，風(fēng)機性能下降明顯，與標(biāo)準(zhǔn)的直管段進口相比，風(fēng)機效率絕對值下降最高達到8%。 比較兩種不同彎管長度發(fā)現(xiàn)，隨著附加直管段長度增加，風(fēng)機性能曲線有所回升，性能有所改善。

圖8 展示了3 種入口連接方式的進口段流線圖，可以看出，采用彎管入口后，來流的均勻性變差。

圖8 不同進口彎管長度下風(fēng)機入口段流線分布

從圖8 可以看出，全直段風(fēng)機入口速度比較均勻，呈現(xiàn)對稱趨勢。 采用彎管連接后，速度分布呈現(xiàn)不均勻性，在彎管內(nèi)側(cè)均出現(xiàn)低速區(qū)，這是因為流體流經(jīng)彎管時，彎管內(nèi)側(cè)半徑較小，流體的流動方向改變較大，因此推動此處流體流動的力要求較大，導(dǎo)致大部分流體通過管外側(cè)流入，因此彎管內(nèi)側(cè)的速度小于外側(cè)，也就導(dǎo)致了一部分能量損失，使得風(fēng)機氣動性能下降。方案2 在彎管內(nèi)側(cè)出現(xiàn)了明顯的回流，內(nèi)側(cè)發(fā)生流動分離，進口通道的有效通流面積減小，容易發(fā)生阻塞。 方案3 的附加直管段較長，流體經(jīng)過彎管后有較長一段緩沖區(qū)，不均勻性得到改善，風(fēng)機性能得到回升。

圖9 不同方案風(fēng)機入口段壓力分布圖

2.2.2 彎管入口壓力分布

徑向截面觀察比較方案2、3風(fēng)機進口段壓力云圖（如圖9 所示），可以發(fā)現(xiàn)彎管內(nèi)側(cè)出現(xiàn)低壓區(qū)，由于水流進入彎管后強行改變方向會撞擊彎管壁面，造成流動分離，產(chǎn)生壓力梯度，彎管內(nèi)側(cè)會出現(xiàn)部分流體脫流現(xiàn)象，造成內(nèi)側(cè)低壓區(qū)的存在。 對比圖9 中A 區(qū)域局部壓力圖（如圖10 所示），發(fā)現(xiàn)方案2 低壓區(qū)面積較大且壓力分布不均勻，壓力梯度不明顯，出現(xiàn)兩個高壓區(qū)。 這是因為附加直管段長度較短，流體撞擊后速度方向改變對內(nèi)部流動不均勻性影響較大，管道整流作用尚未完全發(fā)揮流體就已經(jīng)進入動葉區(qū)，出現(xiàn)流體堆積現(xiàn)象。

圖11 是葉輪進口截面壓力分布，在同一個葉道中方案2 出現(xiàn)了兩個明顯的高壓區(qū)，且葉頂間隙處高壓區(qū)域較大，這就進一步說明了方案2 的彎管損失較大，流動性較差。

圖10 A 區(qū)域局部壓力圖

圖11 葉輪進口截面壓力分布

2.2.3 彎管入口壓力脈動

對不同入口管道的軸流風(fēng)機設(shè)計工況下進行非定常的計算，主要研究在不同附加直管段的彎管入口下，葉輪進口壓力信號隨時間的變化特征。 在葉輪的進口面和出口面設(shè)置壓力脈動監(jiān)測點P1和P2，如圖12 所示。為保證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，對正常直入口管道的風(fēng)機進行壓力脈動信息采集，選取一個周期內(nèi)壓力脈動的時域圖進行對比，發(fā)現(xiàn)變化趨勢和峰谷數(shù)目基本一致，每個周期內(nèi)峰值點的個數(shù)為8，這與動葉片數(shù)目保持一致，以此保證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

為了更直觀地反映入口管道直管段長度對風(fēng)機壓力變化的影響，引入壓力脈動系數(shù)Cp，將瞬時壓力變成無量綱系數(shù)：

圖12 監(jiān)測點位置分布

式中pi為第i秒的瞬時壓力，Pa；為各瞬時壓力的時均值，Pa。

壓力脈動時域圖見圖13。

圖13 壓力脈動時域圖

從圖13 可以看出，風(fēng)機入口變成彎管后，壓力脈動仍隨著時間呈周期性波動。 沿著流體流動方向，靜壓值瞬時值逐漸增大，但脈動幅度卻呈減小的趨勢，這是由于流體經(jīng)過葉輪區(qū)域被加速，機械能增大，因而壓力均值提高，加速后開始離開葉輪，因而脈動幅度降低。 不同直管段長度的彎管入口P1點壓力脈動幅度變化較大，而P2點變化并不明顯，這是由于不同附加直管長度改變的是氣流進口段，而葉輪對其做功一致，因而葉輪進口截面壓力脈動存在明顯變化，而葉輪出口面相差不大。 附加直管段較短導(dǎo)致流體在到達動葉入口面時流動仍較大，氣流對葉片的沖角較大，導(dǎo)致葉片對通道空氣的擊打作用變強，擊打強度變大。 此外不同主附加直管段的葉片表面壓力分布不均勻，使得葉片表面應(yīng)力分布不對稱，因而壓力脈動變化在一個周期內(nèi)擺動幅度存在差異，波峰值和波谷值存在變化。

3 結(jié) 論

采用三維非定常數(shù)值模擬的方法研究了進口彎管對大型礦用軸流風(fēng)機性能的影響，結(jié)果表明：

1） 風(fēng)機入口連接彎管會影響來流的均勻性，使得入口速度分布不均勻，彎管內(nèi)側(cè)的氣流發(fā)生流動分離，產(chǎn)生回流區(qū)，出現(xiàn)紊亂的渦結(jié)構(gòu)，流動損失增加，導(dǎo)致出口靜壓降低，風(fēng)機整體性能下降。

2） 彎管與入口之間的連接長度會影響內(nèi)部流場，當(dāng)附加直管段長度較大時，起到了一定的整流作用，管道內(nèi)的回流區(qū)減少，原本的渦結(jié)構(gòu)明顯變小，流動較為平穩(wěn)，入口處速度分布變得均勻，葉輪入口處壓力脈動減小。

3） 彎管附加直管段長度為2D時，來流的不均勻性得到改善，管內(nèi)流動分離和堆積現(xiàn)象得到緩解，風(fēng)機氣動性能有所回升。