葉片數(shù)量對(duì)KJS-Y型降塵風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的影響分析

張立祥，陳岳松，方宏勛

（安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

在煤礦開采時(shí)難免會(huì)產(chǎn)生大量灰塵，其質(zhì)量濃度或體積濃度較大，能見度低[1-2]，造成工人工作環(huán)境差，不利于工人身體健康，亟須進(jìn)行改善與處理[3]。而降塵風(fēng)機(jī)工作時(shí)的全壓和全壓效率這兩個(gè)氣動(dòng)性能指標(biāo)與粉塵的凈化效率有著很大關(guān)聯(lián)[4]，因而，如何提高降塵風(fēng)機(jī)的全壓和全壓效率[5]，在改善工人工作環(huán)境的同時(shí)降低能量損耗，提高煤炭開采公司的經(jīng)濟(jì)效益，成為了目前風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)公司及其研究人員不斷深入研究的課題之一。

本文主要將KJS－Y 型降塵風(fēng)機(jī)作為主要研究對(duì)象[6]，首先利用CATIA 構(gòu)建幾何模型；然后采用mesh 劃分網(wǎng)格，為后面分析做好鋪墊；最后使用數(shù)值分析軟件Fluent 進(jìn)行試驗(yàn)仿真分析計(jì)算以及后處理[7]。經(jīng)過(guò)對(duì)不同葉片數(shù)量風(fēng)機(jī)的主要?dú)鈩?dòng)性能指標(biāo)進(jìn)行比較，進(jìn)而分析得到最佳葉片數(shù)量[8]。

1 基本理論

在軸流風(fēng)機(jī)內(nèi)部，由于內(nèi)部流場(chǎng)流動(dòng)較為繁雜，而非簡(jiǎn)單的管內(nèi)穩(wěn)流，這里面由于各種結(jié)構(gòu)的布置，擾亂了流場(chǎng)，隨之產(chǎn)生非預(yù)測(cè)性的紊流。因此，在KJS－Y 型降塵風(fēng)機(jī)的內(nèi)部，流場(chǎng)的分布情況是非常規(guī)性的，具有其本身的復(fù)雜性。然而在分析此類繁雜流場(chǎng)時(shí)，需要對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，否則其計(jì)算量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通計(jì)算機(jī)或者工作站所能達(dá)到的算力極限，而且極為復(fù)雜的情形也不利于計(jì)算過(guò)程的收斂性，使得計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況差距較大。

1.1 流體的三大方程關(guān)系式

針對(duì)KJS－Y 型降塵風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)，通過(guò)不可壓縮的定常流場(chǎng)來(lái)近似地描述，得到以下三大方程關(guān)系式。

1.1.1 連續(xù)性方程

流體都遵循流體的連續(xù)性方程，其表達(dá)式為

式中：ρ 為流體密度，kg/m3；t 為時(shí)間，s；μ 為流體速度矢量；μx，μy，μz分別為在x、y、z 3 個(gè)方向上的速度矢量分量。

假如風(fēng)機(jī)內(nèi)部流體是以穩(wěn)定狀態(tài)流動(dòng)的，則內(nèi)部流場(chǎng)的流體密度不會(huì)改變，即，這時(shí)候流體的連續(xù)性方程就為

1.1.2 能量方程

流體的能量守恒定律可以描述為：某流體實(shí)際能量的增加等于此流體與外界交換的熱量與其所做的功之和。由流體的能量守恒定律，得到流體的能量方程為

式中：T 為溫度，K；k 為流體傳熱系數(shù)；cp為比熱容，J/（kg·K）。

考慮到KJS－Y 型降塵風(fēng)機(jī)內(nèi)部流體不可壓縮，而且在其內(nèi)部發(fā)生的有關(guān)能量的轉(zhuǎn)換少之又少，因此在對(duì)KJS－Y 型降塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)，能量方程可近似認(rèn)為不參與。

1.1.3 動(dòng)量方程

流體的動(dòng)量方程的物理意義在于：流體在一定時(shí)間內(nèi)的動(dòng)量變化率與施加在這段時(shí)間內(nèi)的力相等。流體的動(dòng)量方程為

式中：p 為微元流體受到的壓力，Pa；τij為黏性應(yīng)力的分量，Pa；Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z為單位流體受到的體積分量，N。

1.2 風(fēng)機(jī)的效率

風(fēng)機(jī)的效率可以直觀說(shuō)明在風(fēng)機(jī)內(nèi)部的空氣流動(dòng)過(guò)程中的能量消耗狀況，是檢驗(yàn)一臺(tái)風(fēng)機(jī)性能優(yōu)劣程度的關(guān)鍵參數(shù)。降塵風(fēng)機(jī)的全壓效率指風(fēng)機(jī)全壓有效功率與軸功率的比值，其計(jì)算公式為

式中：ptF為全壓，Pa；Qv為單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)出口截面的體積流量，m3/h；T 為力矩，N·m；ω 為葉輪角速度，rad/min；n 為葉輪轉(zhuǎn)速，r/min。

2 模型的建立和計(jì)算分析

2.1 建模、網(wǎng)格劃分以及邊界條件設(shè)置

本文使用3D 掃描儀測(cè)出KJS－Y 型降塵風(fēng)機(jī)的實(shí)際尺寸；利用CATIA 構(gòu)建KJS－Y 型降塵風(fēng)機(jī)的幾何模型（見圖1）；將其導(dǎo)入DM 進(jìn)行分塊并進(jìn)行邊界命名；再將其導(dǎo)入mesh 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于此降塵風(fēng)機(jī)內(nèi)部比較繁雜，對(duì)比分析多種網(wǎng)格的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，并進(jìn)行簡(jiǎn)單流場(chǎng)分析，選擇將內(nèi)部相對(duì)靜止的流域劃分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，而將葉片周圍流域劃分為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，這樣較為恰當(dāng)；將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入數(shù)值分析軟件Fluent，設(shè)置邊界條件，進(jìn)行試驗(yàn)仿真分析計(jì)算；在后處理軟件CFD－post 中得到流場(chǎng)相關(guān)參數(shù)。

圖1 利用CATIA 構(gòu)建的KJS-Y 型降塵風(fēng)機(jī)的幾何模型

為了使結(jié)果具有可對(duì)比性，采用控制變量法，并采用相同的cas 文件設(shè)置，只改變模型的參數(shù)（即葉片數(shù)量z 從5 增加至10），進(jìn)行試驗(yàn)仿真分析，其方案見圖2。

圖2 葉片數(shù)量試驗(yàn)仿真分析方案

2.2 不同葉片數(shù)量風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能指標(biāo)分析

對(duì)于不同葉片數(shù)量的KJS－Y 型降塵風(fēng)機(jī)，利用數(shù)值分析軟件Fluent 進(jìn)行試驗(yàn)仿真分析，分析結(jié)果見第130頁(yè)表1；由此對(duì)不同葉片數(shù)量風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能指標(biāo)進(jìn)行比較與分析，得到葉片數(shù)量與氣動(dòng)性能指標(biāo)的關(guān)系，見圖3。

表1 葉片數(shù)量試驗(yàn)仿真分析結(jié)果

圖3 葉片數(shù)量與氣動(dòng)性能指標(biāo)的關(guān)系

由圖3 可以發(fā)現(xiàn)，KJS－Y 型降塵風(fēng)機(jī)的葉片數(shù)量－全壓曲線和葉片數(shù)量－全壓效率曲線均是成小山丘狀的。在相同工況下，隨著葉片數(shù)量的增加，葉片的有效總面積增大，葉片對(duì)流場(chǎng)作用產(chǎn)生的能量也越大，因此，KJS－Y 型降塵風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵氣動(dòng)性能指標(biāo)（靜壓、動(dòng)壓、全壓以及全壓效率） 也相應(yīng)增大。然而當(dāng)葉片數(shù)量增加至大于8 個(gè)時(shí)，這時(shí)葉柵稠度增大，葉片周圍流場(chǎng)受到劇烈的擾動(dòng)，而且葉片本身有效總面積增大，占據(jù)大量的風(fēng)筒流道，這使得當(dāng)葉片數(shù)量增加至一定數(shù)量后入口負(fù)壓反而開始逐漸回落，同時(shí)KJS－Y 型降塵風(fēng)機(jī)的動(dòng)壓、全壓以及全壓效率都隨之下降。綜合分析可知，KJS－Y型降塵風(fēng)機(jī)的葉片數(shù)量取8 個(gè)較為合適，此時(shí)其帶來(lái)的風(fēng)量以及全壓效率都處于較高水平。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用Workbench 20．1 平臺(tái)，對(duì)KJS－Y 型降塵風(fēng)機(jī)實(shí)行了數(shù)值模擬，通過(guò)控制變量，分析了由于葉片數(shù)量不同而引起氣動(dòng)性能指標(biāo)的變化，結(jié)論如下。

1） 在其他條件相同的情況下，KJS－Y 型降塵風(fēng)機(jī)隨著葉片數(shù)量的增加，其全壓與全壓效率所呈現(xiàn)的趨勢(shì)都是先升后降，這樣葉片數(shù)量必然會(huì)存在一個(gè)性能最優(yōu)點(diǎn)。

2） 從理論上來(lái)講，降塵風(fēng)機(jī)的出口全壓會(huì)隨著其葉片數(shù)量的增加而提升，然而實(shí)際情況是先升后降。當(dāng)葉片數(shù)量增加至大于8 個(gè)時(shí)，葉柵稠度增大，葉片周圍流場(chǎng)受到劇烈的擾動(dòng)，而且葉片本身有效總面積增大，占據(jù)大量的風(fēng)筒流道，這使得當(dāng)葉片數(shù)量增加至一定數(shù)量后入口負(fù)壓反而開始逐漸回落，同時(shí)KJS－Y 型降塵風(fēng)機(jī)的動(dòng)壓、全壓以及效率都隨之下降。綜上所述，KJS－Y 型降塵風(fēng)機(jī)最佳葉片數(shù)量應(yīng)取8 個(gè)。