基于Fluent 的礦井通風(fēng)機擴散器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究

張國鑫

（山西省潞安集團慈林山煤業(yè)李村煤礦， 山西 長治 046600）

引言

擴散器作為礦井通風(fēng)系統(tǒng)的重要組成部分，一方面用于降低風(fēng)機在高速工作時的噪聲，另一方面通過降低風(fēng)機出口處的動壓來使出口位置的靜壓提升，進而降低出口處的動能消耗，提高風(fēng)機工作時的靜壓效率。因此礦井通風(fēng)機擴散器的結(jié)構(gòu)對風(fēng)機工作時的性能具有十分重要的影響，之前學(xué)者對風(fēng)機工作性能的研究主要集中在對風(fēng)機葉片機構(gòu)、風(fēng)道結(jié)構(gòu)等方面[1]，對擴散器結(jié)構(gòu)的影響效果未進行深入分析，因此，為了進一步提升風(fēng)機工作時的性能，本文利用Fluent 流體仿真分析軟件建立了風(fēng)機系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)模型，對其工作時的特性進行分析。

1 通風(fēng)機及擴散器的三維建模

本文以某礦的礦用對旋式軸流風(fēng)機為分析對象，該風(fēng)機擴散器出口的直徑約為2 289 mm，其入口位置的截面直徑約為1 890 mm，擴散器尾部芯筒的直徑為388 mm，擴散器入口處芯筒的直徑1 138 mm，整個擴散器的長度為3 790 mm。

利用Creo 三維建模軟件建立該對旋軸流式風(fēng)機的三維結(jié)構(gòu)模型，在三維建模時，為了便于分析，將其分為風(fēng)機葉輪、風(fēng)機集流器、流線罩以及擴散器。為了提升分析時的計算速度，在劃分網(wǎng)格時將風(fēng)機擴散器和集流器處的網(wǎng)格設(shè)置的尺寸可以適當放大，根據(jù)驗證結(jié)果，將擴散器、集流器位置的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為41 mm，將風(fēng)機葉輪處的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為31 mm，而將流線罩處的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為32 mm，風(fēng)機的三維分析模型如圖1 所示[2]。

2 試驗驗證方案設(shè)計

圖1 對旋式通風(fēng)機三維分析模型

為了研究擴散器結(jié)構(gòu)對礦井通風(fēng)機全壓和效率的影響，根據(jù)對旋式通風(fēng)機的擴散器的入口位置的直徑、風(fēng)機的葉輪的直徑以及風(fēng)機入口芯筒的直徑之間相互匹配的關(guān)系[3]，確定以風(fēng)機擴散器芯筒的末端的直徑x1、風(fēng)機擴散器的出口位置的直徑x2、風(fēng)機的擴散器的整體長度x3為擴散器的設(shè)計變量，通過轉(zhuǎn)換各設(shè)計變量的參數(shù)數(shù)值來對擴散器參數(shù)對風(fēng)機工作時的特性的影響進行研究，則在不同的擴散器結(jié)構(gòu)參數(shù)下，風(fēng)機運行時的全壓變化如圖2 所示，其風(fēng)機運行時的效率變化如圖3 所示，其橫坐標表示各參數(shù)相對于原始參數(shù)的變化比例。

圖2 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下風(fēng)機的全壓變化曲線

圖3 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下風(fēng)機的效率變化曲線

由上頁圖2 可知，隨著風(fēng)機擴散器芯筒末端直徑x1的增加，風(fēng)機運行時的全壓會先降低然后再增大，隨著風(fēng)機擴散器出口位置的直徑x2的增加，風(fēng)機運行時的全壓逐漸的降低，隨著風(fēng)機的擴散器的整體長度x3的增加，風(fēng)機運行時全壓逐漸增大。通過對不同參數(shù)變化時對風(fēng)機全壓的影響，可知當風(fēng)機擴散器的整體長度x3發(fā)生變化時對風(fēng)機工作時的全壓影響最大。

由上頁圖3 可知，隨著風(fēng)機擴散器芯筒末端直徑x1、風(fēng)機擴散器的整體長度x3的增加，風(fēng)機運行時效率逐漸的增加，隨著風(fēng)機擴散器出口位置直徑x2的增加而逐漸降低，其中風(fēng)機擴散器的長度變化對風(fēng)機效率的影響最大。這主要是由于當風(fēng)機出口處擴散器長度增加時能夠有效地降低風(fēng)機在出風(fēng)口處的動壓，使風(fēng)機運行時動壓得到顯著提升。

3 通風(fēng)機擴散器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及分析

根據(jù)仿真分析結(jié)果，同時為了降低風(fēng)機擴散器的成本，綜合分析后以風(fēng)機擴散器最小表面積為結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標[4]，對風(fēng)機擴散器的變量參數(shù)進行分析，最終確定當x1的因素水平為-0.51，x2的因素水平為-0.01，x3的因素水平為0.08 的風(fēng)機具有最佳的運行性能，此時風(fēng)機擴散器芯筒的末端直徑x1為188.89 mm、風(fēng)機擴散器的出口位置直徑x2為1126.4 mm、風(fēng)機擴散器整體長度x3為4088.6 mm 時，其具有最小的擴散器表面積。

利用Fluent 流體仿真分析軟件對優(yōu)化后的風(fēng)機運行時的三維流場進行仿真分析，在相同工況下對比分析結(jié)果如圖4 所示。

由對比分析結(jié)果可知，在相同工況下，擴散器優(yōu)化后風(fēng)機運行的全壓顯著高于優(yōu)化前風(fēng)機運行時的全壓，優(yōu)化后風(fēng)機的全壓比優(yōu)化前提升了約26.9 MPa，其風(fēng)機在運行過程中的效率比優(yōu)化前提升了約0.74%，極大地提升了風(fēng)機運行時的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。

圖4 優(yōu)化前后風(fēng)機運行全壓變化曲線

4 結(jié)論

1）隨著風(fēng)機擴散器芯筒末端的直徑x1的增加，風(fēng)機運行時的全壓會先降低然后再增大，隨著風(fēng)機擴散器的出口位置直徑x2的增加，風(fēng)機運行時全壓逐漸的降低，隨著風(fēng)機擴散器整體長度x3的增加風(fēng)機運行時的全壓逐漸增大。

2）隨著風(fēng)機擴散器芯筒末端直徑x1、風(fēng)機的擴散器的整體長度x3的增加，風(fēng)機運行時的效率逐漸增加，隨著風(fēng)機擴散器出口位置直徑x2的增加而逐漸降低，其中風(fēng)機擴散器的長度變化對風(fēng)機效率的影響最大。

3）優(yōu)化后風(fēng)機的全壓比優(yōu)化前提升了約26.9MPa，其風(fēng)機在運行過程中的效率比優(yōu)化前提升了約0.74%，極大地提升了風(fēng)機運行時的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。