掃路機專用風機內(nèi)部氣固兩相流場仿真分析*

張 斌，滕新科，李 亮，萬 軍

(長沙中聯(lián)重科環(huán)境產(chǎn)業(yè)有限公司，湖南 長沙 410013)

0 引 言

掃路機專用風機是掃路機氣力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，由于掃路機專用風機長期運行在含塵氣流環(huán)境下，當粉塵在高速氣流的攜帶作用下，以很高的速度對風機葉片表面進行碰撞、沖蝕、切削，以及擦傷式摩擦，易導致風機葉片前緣、工作面出口端部產(chǎn)生磨損，引起葉片穿孔，使風機流動特性變差，縮短風機壽命[1]?，F(xiàn)階段國內(nèi)外針對掃路機專用風機的研究主要聚焦于不同顆粒特性(包括顆粒粒徑、顆粒濃度等)對風機磨損程度影響及風機防磨措施的研究，但對顆粒在風機內(nèi)部運動規(guī)律及風機氣固兩相流磨損機理、磨損規(guī)律和磨損區(qū)域的研究仍顯不足。因此，開展掃路機專用風機氣固兩相流磨損分析是掃路機技術(shù)領(lǐng)域中亟待探索的關(guān)鍵研究方向。

本文將對某型號掃路機專用風機內(nèi)部氣固兩相流場進行數(shù)值仿真研究。

1 幾何模型

本文選取某型號掃路機專用風機進行研究，風機主要由葉輪、蝸殼、集流器、進口段、出口段等結(jié)構(gòu)組成，葉片數(shù)目為11片。風機主要參數(shù)：葉輪進口直徑176 mm，葉輪直徑482 mm，葉輪寬度60 mm，葉片進口角43.6°，葉片出口角38°，蝸殼寬度186 mm。

風機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 風機結(jié)構(gòu)示意圖

2 數(shù)值求解

2.1 氣固兩相流控制方程

目前，研究多相流的方法，主要有歐拉-歐拉方法和歐拉-拉格朗日方法兩種。本文研究垃圾顆粒在風機內(nèi)部的運動規(guī)律及其對風機葉片、蝸殼等部件的磨損，是稀疏氣固兩相流。歐拉-拉格朗日法將流體作為連續(xù)相、顆粒作為離散相，通過計算流場中大量粒子的運動得到離散相運動規(guī)律，計算得出顆粒的運動軌跡[2]，尤其適用于研究稀疏氣固兩相流，因此，本文選用歐拉-拉格朗日方法的顆粒軌道模型分析垃圾顆粒的運動規(guī)律，研究垃圾顆粒對風機葉片、蝸殼等部件的磨損規(guī)律。顆粒軌道模型考慮了顆粒與連續(xù)相間的相互作用，能模擬顆粒流的復雜流動，且計算儲存量相對較小[3]，適合于本文的氣固稀疏兩相流數(shù)值計算。

離心風機內(nèi)部流場具有強烈的旋轉(zhuǎn)和曲率效應，湍流模型采用工程上廣泛應用，能較好地處理高應變率及流線彎曲程度較大流動問題的RNGk-ε湍流模型[4]。

顆粒軌道模型進行氣固兩相流數(shù)值計算時，將氣相作為連續(xù)相，在Euler坐標系中計算求解；在Lagrangian坐標系中計算求解顆粒相運動軌跡。

連續(xù)性方程如下式所示：

(1)

N-S方程如下式所示：

(2)

μe=μ+μt

(3)

k方程如下式所示:

(4)

ε方程如下式所示:

(5)

顆粒相運動方程如下：

(6)

(7)

式中：up—顆粒相速度；u—連續(xù)相速度；FD—顆粒所受曵力；gx—顆粒重力加速度；ρp—顆粒密度；Fx—顆粒所受附加力，如壓力梯度力、虛擬質(zhì)量力、Basset力、Magnus力等。

2.2 磨損理論

固體顆粒對材料表面的磨損，與顆粒和壁面的碰撞角、碰撞速度、顆粒物性、顆粒直徑、材料物性等因素有關(guān)。顆粒流對材料的磨損通常用磨損率來表征，磨損率指單位時間內(nèi)，顆粒作用于單位面積材料表面所磨損的材料質(zhì)量[5]，計算方程如下：

(8)

RT=1-000 16vpsinβp

(9)

(10)

式中：E0—壁面磨損率，kg/(m2·s)；εp—單個顆粒對壁面的磨損量，kg/kg；K1，K12，K3，Ck—碰撞經(jīng)驗常數(shù)；βp—碰撞角度；β0—最大碰撞角，(°)；vp—顆粒碰撞速度，m/s；RT—切向恢復比；mp—顆粒質(zhì)量流量，kg/s；Aface—面積[6-7]，m2。

2.3 網(wǎng)格生成

在劃分網(wǎng)格時，考慮到掃路機專用風機結(jié)構(gòu)的復雜性以及網(wǎng)格生成質(zhì)量，本研究采用分塊劃分網(wǎng)格，各個區(qū)域單獨生成合適的網(wǎng)格，相鄰的區(qū)域共用一個面。劃分網(wǎng)格時首先進行了網(wǎng)格無關(guān)性計算，確保網(wǎng)格數(shù)量對計算精度不造成影響，確立了網(wǎng)格數(shù)約4.54×106，2.63×106，1.85×106的3種網(wǎng)格。

本研究采用不同網(wǎng)格數(shù)進行計算，所對應的性能曲線與試驗性能曲線對比如圖2所示。

圖2 全壓與流量關(guān)系曲線

考慮到數(shù)值預估的精度，本文選取網(wǎng)格數(shù)量約為4.54×106。蝸殼和葉輪采用適應性較強的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，并對曲率變化大的曲面進行加密處理[8]，其中葉片表面第一層網(wǎng)格高度為0.4 mm，邊界層網(wǎng)格增長因子為1.2，邊界層網(wǎng)格層數(shù)為6；蝸舌表面第一層網(wǎng)格高度為0.5 mm，邊界層網(wǎng)格增長因子為1.2，邊界層網(wǎng)格層數(shù)為5，生成的網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 葉片和蝸舌表面網(wǎng)格

2.4 方程離散與求解

數(shù)值求解時，對葉輪-蝸殼區(qū)域這類具有相對旋轉(zhuǎn)運動的流動，采用滑移網(wǎng)格模型進行數(shù)值求解。計算方程離散方法采用有限體積法，壓力—速度耦合關(guān)系采用SIMPLE算法，動量方程、湍動能方程、耗散率方程采用二階迎風格式離散。

氣相邊界條件為入口采用質(zhì)量入口，流量為1 kg/s；出口采用壓力出口，為一個大氣壓；壁面采用無滑移邊界。根據(jù)路面垃圾平均粒徑為75 μm的特征[9]，計算時顆粒直徑選取為75 μm，密度為1 800 kg/m3。顆粒相邊界條件為入口和出口邊界條件均是逃逸邊界條件，壁面為自由碰撞，顆粒與壁面的碰撞為剛性碰撞，碰撞恢復系數(shù)為0.9[10]。顆粒源在集流器入口采用面釋放方式釋放，釋放速度22.3 m/s。

風機葉輪轉(zhuǎn)速2 600 r/min，根據(jù)風機葉輪轉(zhuǎn)速、網(wǎng)格尺度等參數(shù)確定計算時間步長為5×10-5s，每個時間步迭代步數(shù)為30。葉輪旋轉(zhuǎn)兩個周期，待氣流場計算穩(wěn)定后，在風機集流器入口處釋放顆粒相進行氣固兩相流計算。

3 計算結(jié)果與分析

葉輪內(nèi)部壓力分布及流線如圖4所示。

圖4 葉輪內(nèi)部壓力分布及流線圖

專用風機葉片吸力面存在流動分離，該分離流動產(chǎn)生的漩渦阻塞了葉輪流道的通流截面，從而導致流線偏向壓力面流動。

單個顆粒軌跡如圖5所示。

圖5 單個顆粒軌跡圖

顆粒進入葉輪流道后，在氣流的帶動作用下，先與后盤碰撞降速、反彈繼續(xù)向前加速運動。在氣流帶動作用下偏向葉片壓力面運動，并再次與葉片碰撞降速、反彈、加速，繼續(xù)運動進入蝸殼流道內(nèi)，且在葉輪流道漩渦的阻滯作用下保持偏向葉片壓力面的運動趨勢。

葉片壓力面、吸力面磨損分布如圖6所示。

圖6 葉片壓力面磨損分布圖

圖7 葉片吸力面磨損分布圖

風機葉片的磨損[11]主要發(fā)生在壓力面上，吸力面上的磨損現(xiàn)象并不明顯，只在局部區(qū)域有磨損現(xiàn)象，磨損率遠小于壓力面的磨損率，與文獻[12]中的試驗結(jié)果一致，表明本文的數(shù)值仿真方法的合理性。

葉片壓力面的磨損呈4條條帶狀磨損區(qū)，條帶磨損區(qū)1與后盤成9°夾角，條帶磨損區(qū)2與后盤成12°夾角，條帶磨損區(qū)3與后盤成23°夾角，條帶磨損區(qū)4與后盤成11°夾角。葉片磨損最嚴重區(qū)域在葉片與后盤接觸區(qū)的1/4處。根據(jù)圖6顆粒的運動軌跡可知，顆粒由風機入口的軸向運動向葉輪流道變向做徑向運動后[13-14]，相對于葉輪后盤，以一定角度從葉片前緣向下入射，與葉片壓力面接觸、碰撞，運動一段距離后與葉輪后盤碰撞反彈后，再次以某一向上的角度向葉片后段運動，并與葉片壓力面發(fā)生碰撞，在顆粒與葉片壓力面碰撞的條帶區(qū)域，葉片產(chǎn)生條帶狀磨損。因此，在對葉片進行設計時，該區(qū)域需進行防磨損處理。

顆粒在風機內(nèi)部的軌跡如圖8所示。

圖8 顆粒在風機內(nèi)部的軌跡圖

顆粒從葉輪流道流出后，由于慣性，在葉輪出口處顆粒沿出口氣流速度方向直接沖撞到蝸殼側(cè)周面并產(chǎn)生反彈，然后跟隨氣流由風機出口排出。

顆粒對蝸殼的磨損分布如圖9所示。

圖9 顆粒對蝸殼的磨損分布圖

由于顆粒周期性沖撞到蝸殼側(cè)周面，對蝸殼表面產(chǎn)生了周期性磨損區(qū)，蝸殼上越靠近蝸舌的區(qū)域，磨損越嚴重，這是由于靠近蝸舌區(qū)域，流道截面積變小，氣流流速增大。

風機流道速度如圖10所示。

圖10 風機流道速度云圖

在氣流的作用和顆粒自身慣性的作用下，與蝸殼的碰撞速度更大，顆粒與壁面的碰撞速度越大，壁面受到的刮擦力越大，磨損也越嚴重。

4 結(jié)束語

本研究采用RNGk-ε湍流模型結(jié)合歐拉-拉格朗日方法的顆粒軌道模型，對某型號掃路機專用風機內(nèi)部氣固兩相流場進行了數(shù)值仿真研究。

(1)掃路機專用風機葉片的吸力面存在分離流動，該分離流動的存在惡化了風機的內(nèi)部流動，使流線貼向壓力面流動，在氣流的帶動作用下，進入葉輪流道的顆粒也保持偏向葉片壓力面運動的趨勢，并導致風機壓力面磨損；

(2)風機葉片的磨損主要發(fā)生在壓力面上，吸力面上磨損現(xiàn)象并不明顯，壓力面的磨損呈4條帶狀磨損區(qū)分布，葉片磨損最嚴重區(qū)域在葉片與后盤接觸區(qū)的1/4處；

(3)在葉輪出口處顆粒沿出口氣流速度方向直接沖撞到蝸殼側(cè)周面，從而對蝸殼表面產(chǎn)生了周期性磨損區(qū)，蝸殼上越靠近蝸舌的區(qū)域，磨損越嚴重，蝸殼型線的設計是影響蝸殼磨損的關(guān)鍵因素之一。

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