离心风机流场数值模拟

收稿日期:2012－04－13
作者简介:李照军(1965—)，男，湖北枣阳人，助理工程师，2012年毕业于大同煤炭职业技术学院，现从事矿井通风与安全工作。

离心风机流场数值模拟研究
李照军
(大同煤矿集团轩岗煤电有限责任公司，山西原平034114)
摘要:应用计算流体力学软件Fluent 建立了离心风机内部流场三维数值模型，模拟了离心风机内部压力、速度分布变化。

将模拟结果与试验结果进行了对比，验证了数值模拟模型的可行性。

研究表明:气体在叶轮内流动速度随叶轮半径的增加而增大，从风机进口经过风机叶轮通道到离开风机，静压逐渐增加。

关键词:离心风机;数值模拟;流场中图分类号:TD441．1
文献标志码:B
文章编号:1003－0506(2012)09－0017－02
风机是广泛应用于国民经济各行业的一种通用
流体机械。

据统计，我国各类风机和泵的耗电量约占我国总发电量的1/3，仅工业用通风机的耗电量就占我国总用电量的5%左右，如果再加上日常生活用的各类风机，它在我国电力系统中占有相当大的比例。

因此，在目前全球能源紧缺时期，从节约能源、降低噪音污染等角度考虑，设计出高效率的风机有十分重要的意义。

传统的流体机械设计方法是以试验数据、经验公式为基础，对其进行设计。

由于结构形式的改变，试验数据只能作为参考，不能准确分析新机型的流场。

随着计算机技术和计算流体力学的迅速发展，可方便快捷地计算分析流场，为设计流体机械提供有效手段。

同时，优化平台软件的出现，为流体机械的优化提供了有效的技术支持。

利用Pro /E 软件建
立风机几何结构模型［1］
，然后通过Gambit 对图进行网格划分，利用Fluent 软件求解离散方程，可以有效模拟离心通风机的流场，计算出通风机的性能参数，并对离心式风机的叶片安装角进行优化设计。

1模型建立与验证
(1)风机模型［2］。

离心风机几何结构模型如图
1所示。

风机由叶轮、机壳、进风口组成，叶轮上有10个机翼形叶片。

风机体积流量q v 范围为5202 11321m 3/h ，在此选择效率最高的工况点q v =7000
m 3/h ，温度t =20ħ，黏度μ=18.08ˑ10－6
Pa ·s ，密
度ρ=1.205kg /m 3
，特征长度L =1.35m ，进口速度
v a =12.23m /s ，转速n =2900r /min。

图1离心风机几何结构模型
(2)数学模型［3］。

采用标准湍流模型模拟离心
风机内三维流场。

(3)边界与条件［4］。

进口处采用压力入口边界条件，出口边界采用压力出口边界条件，其余壁面均取壁面边界条件。

(4)划分计算网格［5］。

考虑到风机结构的复杂性，用非结构化网格对进风口、叶轮、蜗壳区域分别进行了网格划分，对流场参数梯度变化较大的区域进行了网格加密，以求更好地模拟流场分布。

整个风机流场计算区域划分网格数共计28万个，网格划分情况如图2所示。

图2网格划分示意
·
71·
(5)模型验证［6］。

该设计模拟4-72离心通风
机，从风机性能试验得到的数据可知，该风机在流量
为7000m 3
/h 左右时效率最高，所对应的风机全压约为1900Pa ，风机出口全压约为2100Pa ，进口全
压200 300Pa ，由此得出风机产生的全压为1900 2000Pa ，与风机性能试验测得的1900Pa 基本吻合，说明数值模拟结果合理，计算方法可靠。

2
模拟结果分析
2.1
速度
从图3可以看出，气体从叶轮中心沿轴向进入到叶轮内，随叶片一起转动，获得动能，速度升高。

在离心力作用下，气体沿叶片径向流动，然后从排气口排出。

气体在叶轮中流动时，流速随着半径的增加而增大，特别是叶片处速度变化非常大，这是由于叶轮带动流体一起旋转，产生离心力，且随着半径增加，流体所获得的能量不断增加，速度也随之增加。

在蜗壳出口附近的蜗舌处，有气体回流的现象，部分气体在蜗壳内循环流动，速度明显减小。

蜗舌处气体回流的存在会影响风机的性能，使风机效率
降低，噪声增大。

图3离心风机y =0.05m 截面速度矢量图
2.2
压力
从图4可以看出，在叶轮进口处风机总压最小，且叶轮外缘随半径增加，压力不断增加，这是由于离心力使叶轮外缘压力增加。

在靠近蜗壳出口处叶轮
通道内的压力分布与其他部分的叶轮通道内的压力
分布明显不同，
且该叶轮通道出口处的压力比其他通道的压力小。

对比3个压力图可以看出，气体压
力从风机的进口到蜗壳处不断增加，但是静压的增加远大于动压。

图4离心风机y =0.05m 截面上的全压、动压、静压等值线图
3结论
采用Fluent 软件对离心式通风机内部流场进行
了整体数值模拟，得到了风机内部流场的速度、压力分布图像。

(1)由于叶轮带动流体一起旋转，产生离心力，且随着半径的增加，流体所获得的能量不断增加［7］，气体在叶轮中流动时，流速随着半径的增加而增大。

(2)在蜗壳出口处附近存在气体回流现象，会影响风机性能，使风机效率降低，噪声增大。

(3)在叶轮进口处风机总压最小，在离心力作用下，叶轮外缘压力随半径增大而增加。

气体静压力从风机的进口到蜗壳处压力不断增加。

参考文献:
［1］侯树强，王灿星，林建忠．叶轮机械内部流场数值模拟研究综
述［
M ］．杭州:浙江大学出版社，2005．(下转第53页)
·
81·
压实机分为2部分:2个压实油缸、
1个调高油缸组成上部压实机，用于采空区中、上部充填物料的压实;2个立柱、1块挡矸板组成下部压实机，用于采空区下部充填物料的压实(图3)。

图3压实机的结构
6采煤及充填工艺
充填工作在完成一刀采煤工作后进行，停止所
有采煤工序，将支架移直后，调整好充填支架后部的充填开采输送机，依次开动工作面充填开采输送机、自移式充填料转载机、运矸胶带输送机等设备，进行采空区充填。

充填工作主要靠充填开采输送机和夯实机共同完成。

充填料的混合物料从地面通过投料井、运矸胶带输送机等相关设备运至工作面充填开采输送机上，通过充填开采输送机的卸料孔将充填物料充填入采空区内，然后利用夯实机将充填物料压实并接顶(图1)。

工艺流程:支架移直后，将充填开采输送机移至支架尾梁后部，进行充填。

充填顺序由充填开采输送机机尾向机头方向进行，当前一个卸料孔卸料到一定高度后，即开启下一个充填卸料孔，随即启动前一个卸料孔所在支架后部的夯实机千斤顶推动夯实板，对已卸下的充填材料进行夯实，如此反复几个循环，直到夯实为止(一般需要2 3个循环)。

当整个工作面全部充满，停止第1轮充填，将充填开采输送机拉移一个步距，移至支架尾梁前部，用夯实机构把充填开采输送机下面的充填
料全部推到支架后上部，使其接顶并压实，最后关闭所有卸料孔，对充填开采输送机的机头进行充填。

第1轮充填完成后，将充填开采输送机推移一个步距至支架尾梁后部，开始第2轮充填。

7结论
(1)2011年3月至9月底，首个固体充填综采面共生产原煤29.12万t ，最高月产量6.1万t ，平均月产量4.16万t ，平均每月充填矸石8.1万t 。

(2)利用矸石与粉煤灰作为充填材料，推广应用综合机械化固体充填采煤技术，提高了建筑物下煤炭采出率，延长了矿井的服务年限，实现了矸石与粉煤灰井下处理，改善了矿区环境，为矿井的安全高效和可持续发展开辟了有效的生产技术途径。

(3)目前，充填开采还存在一些问题:后部输送机链子中间夹矸，导致机头拉回矸石;升降夯实机构千斤顶升力小，抬起夯实机构困难，影响夯实效果。

工程技术人员正对此进行改进。

参考文献:
［1］闫玉强，龙仁波，于子晏，等．我国煤矿充填开采技术现状与发
展趋势［EB /OL ］
．［2010－07－30］．中国科技论文在线，ht-tp ://www．paper．edu．cn /index．php /default /releasepaper /con-tent /201007－555．
［2］梁铁山，张志杰．自燃矸石山爆炸规律与诱发因素［J ］．煤炭学
报，
2009，34(1):74-78．［3］刘建功，赵庆彪．邢台矿建筑物下综合机械化固体充填采煤技
术［
J ］．煤炭科学技术，2010，38(3):18-21．［4］缪协兴，张吉雄，郭广礼，等．综合机械化固体充填采煤方法与
技术研究［J ］．煤炭学报，
2010，35(1):1-6．［5］惠功领．我国煤矿充填开采技术现状与发展［J ］．煤炭工程，
2010(2):21-23．
［6］张元功，董凤宝．城镇建筑群下矸石充填开采新技术的研究与
实践［J ］．煤矿开采，
2008，13(1):31-33．［7］崔永亮，郭海伟，金桃．六柱支撑式固体充填液压支架的设计
研究［J ］．矿山机械，
2011，39(7):21-24．(责任编辑:秦爱新檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵)
(上接第18页)
［2］吴俊峰，朱晓农，陈启明．通风机内部流场和性能的数值模拟
及其分析［J ］
．流体机械，2009(9):19-22．［3］吕峰，牛子宁，李景银．离心风机蜗壳内部流动研究［J ］．流体
机械，
2009(16):14-19．［4］李春曦，王松岭．离心通风机蜗壳内的流动特征及节能改造试
验研究［J ］
．机械工程学报，2009(7):278-283．［5］韩占忠，王敬，兰小平．FLUENT 流体工程仿真计算实例与应用
［M ］．北京:北京理工大学出版社，2004．
［6］王福军．计算流体动力学分析－CFD 软件原理与应用［M ］．北
京:清华大学出版社，
2004．［7］成心德．离心通风机［M ］．北京:化学工业出版社，2006．
(责任编辑:许久峰)
·
35·2012年第9期过秉坤:综合机械化固体充填采煤技术在平煤十二矿的应用总第201期。