離心通風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口彎管結(jié)構(gòu)對(duì)其通風(fēng)作用的影響分析

王 巍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四臺(tái)礦，山西 大同 037003）

引言

提高離心通風(fēng)機(jī)的效率，對(duì)于節(jié)能減排具有重要的意義。在實(shí)際的使用過程中，離心通風(fēng)機(jī)安裝于管道系統(tǒng)中，管路系統(tǒng)的布置，特別是進(jìn)氣口的管路對(duì)于離心通風(fēng)機(jī)的效率具有重要的影響[1]。采用數(shù)值模擬的方式對(duì)進(jìn)口彎管結(jié)構(gòu)不同時(shí)的通風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行分析，可以明確進(jìn)口管結(jié)構(gòu)對(duì)通風(fēng)效率的影響，從而為離心通風(fēng)機(jī)的管路布置使用提供指導(dǎo)，更好地提高離心通風(fēng)機(jī)的效率。

1 離心通風(fēng)機(jī)彎管結(jié)構(gòu)分析模型的建立

在通風(fēng)機(jī)的進(jìn)口管路中，進(jìn)口處的彎管，尤其是90°彎管結(jié)構(gòu)容易導(dǎo)致離心通風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣口氣流不均，造成氣流的速度分布不均，能量損失較大。對(duì)不同的進(jìn)口彎管的結(jié)構(gòu)影響進(jìn)行分析，以某型號(hào)的離心通風(fēng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)接口作為對(duì)比，采用90°彎管的結(jié)構(gòu)增加不同長度的直管，建立離心通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)模型[2]。

采用Pro/E三維建模軟件進(jìn)行離心通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的建模，葉輪作為通風(fēng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)，決定了內(nèi)部流場的分布，對(duì)葉輪實(shí)體采用單流道的方式進(jìn)行建模，通過旋轉(zhuǎn)鏡像的方式完成葉輪的建模。在葉輪的進(jìn)出口部分，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的延伸，從而可以依據(jù)邊界層理論更加符合實(shí)際的氣流狀態(tài)[3]。對(duì)離心通風(fēng)機(jī)的其他結(jié)構(gòu)包括集流器、吸入腔、擴(kuò)壓器和蝸殼等進(jìn)行建模，并將其進(jìn)行裝配，由此可以將離心通風(fēng)機(jī)劃分為靜止區(qū)域和旋轉(zhuǎn)區(qū)域。采用CFD軟件對(duì)離心通風(fēng)機(jī)的性能進(jìn)行分析，需將模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型網(wǎng)絡(luò)采用結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)劃分，控制網(wǎng)格的精度[4]。對(duì)葉輪網(wǎng)格、蝸殼網(wǎng)格及集流器網(wǎng)格分別進(jìn)行劃分處理后，將三者進(jìn)行合并，得到離心通風(fēng)機(jī)的整體三維網(wǎng)格模型如圖1所示。

圖1 離心通風(fēng)機(jī)網(wǎng)格模型

對(duì)離心通風(fēng)機(jī)的邊界條件進(jìn)行設(shè)定，選用速度進(jìn)口為邊界條件，設(shè)定進(jìn)口處的速度分布均勻，方向垂直于進(jìn)口的平面；出口邊界條件設(shè)定為壓力出口，設(shè)定出口的靜壓，壓力出口邊界條件具有較好的收斂性，由此可以提高計(jì)算的精度并減少計(jì)算時(shí)間[5]。

2 進(jìn)口彎管結(jié)構(gòu)對(duì)離心通風(fēng)機(jī)氣流的影響分析

采用CFD對(duì)不同進(jìn)口彎管結(jié)構(gòu)的離心通風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行分析，選取不同的彎管結(jié)構(gòu)如圖2所示，設(shè)定直管連通的離心通風(fēng)機(jī)為標(biāo)準(zhǔn)模型，以管徑D為基準(zhǔn)，不同的進(jìn)口彎管結(jié)構(gòu)如圖2所示，彎管段距通風(fēng)機(jī)的尺寸分別為0、D、2D及4D，以風(fēng)機(jī)進(jìn)口端氣流進(jìn)入時(shí)的壓力機(jī)速度為分析對(duì)象，由此對(duì)離心通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)性能進(jìn)行分析[6]。

圖2 不同進(jìn)口彎管結(jié)構(gòu)

2.1 離心通風(fēng)機(jī)進(jìn)口端的速度分布

采用不同的進(jìn)口彎管結(jié)構(gòu)對(duì)離心通風(fēng)機(jī)的進(jìn)口端速度分布進(jìn)行模擬，得到如圖3所示的速度分布云圖。從圖3中可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)的通風(fēng)機(jī)進(jìn)口下，進(jìn)口端的氣流速度分布較為均勻，速度分布基本呈對(duì)稱分布的趨勢，向著出口位置稍有偏離；在中心位置處的速度值最大，周邊由于蝸殼壁具有一定的阻力作用，使得速度有一定的下降，整個(gè)速度云圖呈環(huán)狀分布。0距離的進(jìn)口速度分布與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)口速度分布相差不大，而隨著彎管距離的增加，其他三種模型的速度分布都呈現(xiàn)外側(cè)速度大于內(nèi)側(cè)速度的趨勢，且同樣向著蝸殼的出口位置處偏離。在D、2D的進(jìn)口速度分布差別最大，邊界的位置速度的分布不均勻性較大。在4D距離下的模型由于進(jìn)口彎管距離較遠(yuǎn)，其周邊的氣流速度進(jìn)行了充分的重新分布，恢復(fù)為環(huán)狀的結(jié)構(gòu)，中心位置處的分布相對(duì)較差。

圖3 不同進(jìn)口彎管結(jié)構(gòu)下的速度分布云圖

2.2 離心通風(fēng)機(jī)進(jìn)口端的壓力分布

采用不同的進(jìn)口彎管結(jié)構(gòu)對(duì)離心通風(fēng)機(jī)的進(jìn)口端壓力分布進(jìn)行模擬，得到如圖4所示的壓力分布云圖。進(jìn)口端的壓力值是進(jìn)行通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)和使用的重要參數(shù)，其全壓值是額定功率下工作參數(shù)。從圖4中可以看出，在氣流經(jīng)過彎管進(jìn)入通風(fēng)機(jī)后，流體沿著管道流動(dòng)的同時(shí)還受到離心力的作用而呈現(xiàn)向管道外側(cè)流動(dòng)的趨勢。由于經(jīng)過管道中心的氣流速度較大，而周邊的氣流速度較小，因此，中間氣流的離心力作用較大，使得彎管的外側(cè)壓力值大于內(nèi)側(cè)的壓力值；作用在管道左右兩側(cè)的氣流同時(shí)受到管壁的壓迫而形成雙渦流流動(dòng)，使得進(jìn)口的壓力呈現(xiàn)月牙形等不，外側(cè)壓力高于內(nèi)側(cè)的壓力值。在不同的模型中，0時(shí)的雙渦流現(xiàn)象不明顯，隨著進(jìn)口彎管距離的增加，D、2D模型時(shí)的雙渦流現(xiàn)象較為明顯，而在4D時(shí)由于距離的增加，使得彎管的最大全壓值小，氣流的均勻性分布更加合理。由于雙渦流現(xiàn)象的存在，會(huì)造成氣流形成螺旋式前進(jìn)的方式，并且在進(jìn)入通風(fēng)機(jī)后改變了葉片的進(jìn)氣流角度，造成了葉輪內(nèi)部氣流的分層，使得離心通風(fēng)機(jī)的性能變差。

圖4 不同進(jìn)口彎管結(jié)構(gòu)下的壓力分布云圖

3 結(jié)論

1）在進(jìn)口端直接連接彎管時(shí)對(duì)通風(fēng)機(jī)的性能影響不大，而在距離為管徑的1~2倍時(shí)，對(duì)通風(fēng)機(jī)的性能具有明顯的減弱作用，當(dāng)距離增加至4倍管徑時(shí)，其影響作用減弱，離心通風(fēng)機(jī)的性能逐漸恢復(fù)。

2）在進(jìn)行離心通風(fēng)機(jī)的管路布置時(shí)，要充分考慮進(jìn)口端彎管結(jié)構(gòu)對(duì)其性能的影響，以提高通風(fēng)機(jī)性能。