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

      2020-10-16 09:52:44張國鑫
      機械管理開發(fā) 2020年10期
      關(guān)鍵詞:擴散器全壓風(fēng)機

      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。

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