1、前言
對(duì)旋式軸流風(fēng)機(jī)因其結(jié)構(gòu)緊湊，壓頭高、流量大且具有良好的反風(fēng)性能的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于礦山安全通風(fēng)與隧道通風(fēng)工程中，這種風(fēng)機(jī)由于兩轉(zhuǎn)子間沒有導(dǎo)葉而使得兩級(jí)間的氣動(dòng)匹配與氣流干涉成為內(nèi)流分析優(yōu)化的核心內(nèi)容。本文結(jié)合BD6對(duì)旋風(fēng)機(jī)的幾何模型，采用CFD分析方法對(duì)該機(jī)的性能與兩級(jí)間的氣動(dòng)匹配特點(diǎn)進(jìn)行了分析，預(yù)測(cè)性能與實(shí)驗(yàn)性能進(jìn)行了對(duì)比，給出了內(nèi)部流動(dòng)的流場(chǎng)分布，討論分析設(shè)計(jì)工況下兩級(jí)間匹配的內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)，為該類風(fēng)機(jī)的使用和優(yōu)化改型提供依據(jù)。
2對(duì)旋風(fēng)機(jī)的內(nèi)流分析方法
對(duì)旋風(fēng)機(jī)的內(nèi)流模擬近十年來一直受到流體機(jī)械內(nèi)流研究領(lǐng)域的重視，作者曾在文獻(xiàn)通過對(duì)采用混合設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的一種板式葉片的對(duì)旋軸流風(fēng)機(jī)通過采用SIMPLE算法編程實(shí)現(xiàn)求解雷諾時(shí)均N-S方程，給出了兩級(jí)葉片流道內(nèi)的速度分布，為設(shè)計(jì)的葉片提供了局部的流動(dòng)依據(jù)。應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)K-e紊流模型和SIMPLEC算法進(jìn)行了定常三維紊流流場(chǎng)的數(shù)值模擬分析了對(duì)旋式軸流泵的內(nèi)部流場(chǎng)特性及前后葉輪之間的流場(chǎng)干涉情況。李秋實(shí)等結(jié)合實(shí)驗(yàn)對(duì)對(duì)旋風(fēng)機(jī)對(duì)旋葉輪級(jí)間流場(chǎng)進(jìn)行了研究，成功應(yīng)用CFD對(duì)對(duì)旋風(fēng)機(jī)昀內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了研究。近年來商用軟件在葉輪機(jī)械上的成功應(yīng)用，使得對(duì)旋風(fēng)機(jī)的深入細(xì)致的內(nèi)流分析更為容易。
2.1計(jì)算方法
采用三維雷諾平均守恒型定常Navier-Stokes方程和K—s標(biāo)準(zhǔn)兩方程湍流模型對(duì)前、后兩級(jí)葉輪構(gòu)成的集合模型，采用SEGREGATED隱式計(jì)算方法，湍流動(dòng)能、湍流耗散項(xiàng)、動(dòng)量方程都采用二階迎風(fēng)格式離散；壓力一速度耦合采用SJMPLE算法。
本模型計(jì)算研究中：當(dāng)進(jìn)出口的流量誤差小于10
-5，同時(shí)各方向的速度參數(shù)和K、￡等參量的計(jì)算誤差都小于10 -時(shí)，認(rèn)定當(dāng)前數(shù)值計(jì)算已經(jīng)收斂。
2.2計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分
計(jì)算中對(duì)對(duì)旋風(fēng)機(jī)在進(jìn)行數(shù)值模擬的計(jì)算區(qū)域包括從進(jìn)入集流器到離開擴(kuò)壓器的所有內(nèi)流流道空間，模擬使用的網(wǎng)格如圖1所示。數(shù)值模擬中為控制網(wǎng)格質(zhì)量，需將復(fù)雜的計(jì)算區(qū)域分割，各區(qū)域單獨(dú)生成合適的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。這里對(duì)整個(gè)流場(chǎng)按主要部件劃分為四個(gè)計(jì)算區(qū)域，即： 1．集流器流道；2．第一級(jí)轉(zhuǎn)子流道；3．第二級(jí)轉(zhuǎn)子流道； 4．?dāng)U壓器流道。其中區(qū)域1、4定義為靜止區(qū)域；區(qū)域2、3為運(yùn)動(dòng)域。
2.3邊界及運(yùn)動(dòng)條件的確定
第一級(jí)轉(zhuǎn)子和第二級(jí)轉(zhuǎn)子區(qū)域?yàn)樾D(zhuǎn)區(qū)域，采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，流體給定相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)速度，其他區(qū)域?yàn)殪o止區(qū)域，采用靜止坐標(biāo)系。另外對(duì)旋風(fēng)機(jī)的自身獨(dú)特性，需要采用多參考系模型(MRF)。
定義轉(zhuǎn)子所有葉片表面為旋轉(zhuǎn)壁面，由于葉片隨流體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，給定相對(duì)旋轉(zhuǎn)速度為0，殼體表面、輪轂表面、整流罩表面均為靜止壁面，旋轉(zhuǎn)壁面和靜止壁面均滿足無滑移條件。
定義對(duì)旋風(fēng)機(jī)的集流器進(jìn)口截面作為整個(gè)計(jì)算域的進(jìn)口，擴(kuò)壓器的出口截面定義為整個(gè)計(jì)算域的出口。進(jìn)口邊界條件給定為設(shè)計(jì)工況的質(zhì)星進(jìn)口，出口給定靜壓條件，為大氣壓。進(jìn)出口湍流動(dòng)能和湍流動(dòng)能耗散率均依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算確定。兩級(jí)轉(zhuǎn)子間的交界面使用interface面，上游的出口參數(shù)和下游葉片的進(jìn)口參數(shù)在交界面上進(jìn)行耦合計(jì)算。
3模型結(jié)果分析
3.1模型幾何模型的特點(diǎn)
本模型分析中的對(duì)旋結(jié)構(gòu)軸流風(fēng)機(jī)模型選用文獻(xiàn)中結(jié)構(gòu)參數(shù)及氣動(dòng)性能數(shù)據(jù)較為齊全的OB-84-84B模型機(jī)。該風(fēng)機(jī)的研制及實(shí)驗(yàn)工作是由前蘇聯(lián)中央流體動(dòng)力學(xué)研究所與礦山機(jī)械和工程控制研究所共同進(jìn)行的。這種通風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)是在設(shè)計(jì)它的工作輪葉片時(shí)考慮了沿半徑的壓力損失變化，該葉片的弦長(zhǎng)值，翼型的安裝角及其中線的曲率半徑按照一定的規(guī)律變化，其特點(diǎn)是在給定壓力和流量計(jì)算值的條件下得到較高的最大效率和擴(kuò)壓特性曲線的高效率范圍。
該模型機(jī)主要設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。
表1模型機(jī)主要設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)參數(shù)
|
流量系數(shù) |
0.225 |
|
壓力系數(shù) |
0.75 |
|
輪轂比 |
0.6 |
|
外徑（mm） |
630 |
|
工作轉(zhuǎn)速（r/min） |
2900/2900 |
|
基元翼型 |
NACA對(duì)稱翼型 |
|
第一級(jí)葉片參數(shù) |
12 |
|
第二級(jí)葉片參數(shù) |
10 |
算選用的對(duì)旋軸流通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，其中1為集流器，2為擴(kuò)壓器，R1為第一級(jí)工作輪，R2為第二級(jí)工作輪。其中電機(jī)與工作輪直聯(lián)，前后兩級(jí)工作輪的旋轉(zhuǎn)方向相反。
3.2整體及一、二級(jí)葉片網(wǎng)格劃分
用GAMBIT形成了1、2級(jí)葉輪的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其中對(duì)葉片的葉尖、葉根部位進(jìn)行了局部加密，整個(gè)計(jì)算區(qū)域劃分網(wǎng)格數(shù)量為150萬左右．其中一、二級(jí)葉片區(qū)域劃分的數(shù)量分別為48萬和55萬。
3.3性能預(yù)測(cè)及與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比
為詳細(xì)對(duì)比CFD預(yù)測(cè)性能與實(shí)驗(yàn)氣動(dòng)性能結(jié)果，采用上述方法計(jì)算了給定轉(zhuǎn)速凡= 2900 rlmin時(shí)的8個(gè)不同流量工況，計(jì)算預(yù)測(cè)結(jié)果與文獻(xiàn)[1]中給出的氣動(dòng)性能略圖結(jié)果對(duì)比，圖3給出了CFD預(yù)測(cè)與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。結(jié)果顯示，在流量系數(shù)小于0.22的小流量區(qū)，實(shí)驗(yàn)與預(yù)測(cè)結(jié)果相差在8%左右，而在流量系數(shù)大于0.22后，壓力特性實(shí)驗(yàn)與計(jì)算預(yù)測(cè)精度符合較好，誤差在2%范圍內(nèi)，而在效率的預(yù)測(cè)時(shí)，流量系數(shù)大于0.25后效率與實(shí)驗(yàn)誤差逐步增大。大。顯然在小流量工況下預(yù)測(cè)計(jì)算時(shí)采用紊流模型受到了限制，而在大流量范圍內(nèi)能夠較好地預(yù)測(cè)整機(jī)的壓力特性。
3.4設(shè)計(jì)點(diǎn)工況的內(nèi)流特征與分析
在轉(zhuǎn)速為n=2940r／min時(shí)，設(shè)計(jì)點(diǎn)的流量6.5m
3/S，壓力為4500 Pa，該工況下子午面上的流速等值線分布見圖4。圖5給出第一、二級(jí)葉輪中部及兩葉輪中間無葉通道中部的徑向面上的流速等值分布結(jié)果，顯示為局部通道徑向面上的結(jié)果，平均周向回轉(zhuǎn)面上的速度云圖、等值線及速度矢量圖分布見圖6。
在設(shè)計(jì)工況下，圖4子午面其流速等值線顯示由于所取的截面穿過第一級(jí)葉輪，而該截面又穿過第二級(jí)葉片間通道，因此只能局部反映第二級(jí)通道流動(dòng)流速在子午面上分布，第一級(jí)位置反映了在葉片周圍的速度變化在子午面上分布；圖5徑向面分布顯示，一、二級(jí)葉片通道中部的速度大小分布結(jié)構(gòu)差異較大。第一級(jí)中部徑向面不同位置速度的大小不同，在中部流動(dòng)速度較低，而輪轂、葉頂位置上速度增加；而在第二級(jí)中部徑向位置，通道上下流速分布較好，在葉片邊界部位速度變化明顯，而在中部流動(dòng)結(jié)構(gòu)顯示，由于一、二級(jí)葉片所處的相對(duì)位置不同，使得局部圖上顯示部分區(qū)域上從葉頂?shù)饺~根速度下降，而相鄰部分的速度則相反。這種分布沿周向基本對(duì)稱分布，顯示兩級(jí)葉輪間速度上下傳送的特征。圖6平均周向面上的流速矢量及等值線分布看出，第一級(jí)的進(jìn)口速度分布均勻，顯示具有良好的進(jìn)氣條件，一級(jí)葉片通道內(nèi)的流動(dòng)速度分布基本均勻，而在出口形成一定的尾跡，影響到兩葉片間的流動(dòng)速度分布，使二級(jí)進(jìn)口速度分布不均，在二級(jí)通道兩側(cè)的流動(dòng)速度分布具有明顯的不穩(wěn)特征。
4結(jié) 論
(1)本文結(jié)合對(duì)旋式軸流風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)，對(duì)所選模型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全流道的CFD模擬分析計(jì)算，給出了計(jì)算分析方法，預(yù)測(cè)計(jì)算的性能與實(shí)驗(yàn)得到的性能吻合，選用的模型方法對(duì)于高效率區(qū)的預(yù)測(cè)精度相當(dāng)高，在大流星區(qū)，效率預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差在8.8%內(nèi)，驗(yàn)證了本文處理方法的可靠性，能夠?yàn)橥愶L(fēng)機(jī)的優(yōu)化改型提供幫助。
(2)對(duì)設(shè)計(jì)工況點(diǎn)進(jìn)行了兩級(jí)流道內(nèi)內(nèi)流結(jié)構(gòu)的分析，詳細(xì)給出了兩級(jí)葉輪周向面、徑向面以及子午面上的流速等值分布特征，給出了初步的分析。結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)點(diǎn)上外部性能良好，但其兩級(jí)葉輪間的流速分布仍存在很大差異，流速分布顯示一級(jí)尾跡對(duì)二級(jí)進(jìn)口影響較大。
(3)利用成熟的CFD軟件進(jìn)行全流道對(duì)旋式軸流風(fēng)機(jī)的內(nèi)流分析比過去傳統(tǒng)的數(shù)值模擬方法進(jìn)行內(nèi)流的分析具有計(jì)算速度高，后處理直觀清晰，能夠有效地縮短研究周期，得到內(nèi)流的更多有效信息，有助提高對(duì)該形式風(fēng)機(jī)內(nèi)流機(jī)理的認(rèn)識(shí)。
