基于正交试验的双风机并联机站结构参数优化_梁素钰.pdf

Vol.51No.4 Apr. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 通风机站主要用于矿井的风量调节、局部区域 通风和多级机站通风系统，其风机全压做功克服较 大巷道阻力，易控制等优点在矿山实践中取得了巨 大的经济效益和社会效益[1-2]， 但局部阻力较大导致 机站实际运行能量损耗较高，限制了其技术的发展 与应用[3]。相关学者针对机站局部阻力进行了一些 研究。文献[4]应用消耗功率的概念确定了机站局部 阻力及其系数的测试方法，并对多风机并联机站局 部阻力进行实验测定，得出了机站局部阻力综合影 响系数随风机工况的变化规律，其大小与风机并联 台数呈正相关。文献[5]通过数值模拟改变射流风机 的风筒长度与设置整流罩改善了风机的空气动力性 能， 从而降低了机站的局部阻力； 文献[6]采用相似 模拟试验对扩散器结构参数进行了优化，得出扩散 器在扩张角为 16，长度为 2 倍风机直径时机站局 部阻力较小。文献[7-8]通过数值模拟改变巷道拐弯 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （51764044） 基于正交试验的双风机并联机站结构参数优化 梁素钰， 王文才 （内蒙古科技大学 矿业研究院， 内蒙古 包头 014010） 摘要 为了提高矿井机站的通风效率， 以机站局部阻力系数最小为目标， 选取机站扩散角、 进 风段巷道长度、 收缩角和出风段巷道长度 4 个影响因素并设置合理水平进行了正交数值模拟试 验。研究结果表明 在风机间距、 粗糙度等因素一定的情况下， 影响机站局部阻力系数因素的主 次顺序为扩散角、 收缩角、 进风段巷道长度和出风段巷道长度； 随着巷道风速的变化， 机站最优 结构参数是不同的； 当巷道风速为 1．2～1．5 m/s 时结构最优组合为扩散角 60、 收缩角 30、 进风 段巷道长度 9 m、 出风段巷道长度 6 m； 在风速为 1．5～2 m/s 时出风段巷道长度选择 10 m 机站局 部阻力系数较小。 关键词 通风机站； 扩散角； 巷道长度； 收缩角； 局部阻力系数 中图分类号 TD724文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 04-0109-04 Structural Parameter Optimization of Dual Fan Parallel Station Based on Orthogonal Test LIANG Suyu, WANG Wencai （Mining Research Institute, Inner Mongolia University of Technology, Baotou 014010, China） Abstract To improve the ventilation efficiency of mine engine station, aiming at the minimum local resistance coefficient of engine station, the orthogonal numerical simulation test was carried out by selecting four influencing factors including diffusion angle of engine station, roadway length in air inlet, contraction angle and roadway length in air outlet and setting reasonable levels. The results show that the main and the secondary factors affecting the local resistance coefficient of the machine station are diffusion angle, contraction angle, tunnel length in the inlet and the tunnel length in the outlet. With the change of roadway wind speed, the optimal structural parameters of the station are different. When the roadway wind speed is 1.2 m/s to 1.5 m/s, the optimal combination of the structure is 60 diffusion angle, 30 contraction angle, 9 m of roadway length in the inlet section and 6 m of roadway length in the outlet section. When the wind speed is 1.5 m/s to 2 m/s, the local resistance coefficient of 10 m station is selected as the roadway length in the wind outlet section. Key words fan station; diffusion angle; roadway length; contraction angle; coefficient of local resistance DOI10.13347/ki.mkaq.2020.04.023 梁素钰， 王文才．基于正交试验的双风机并联机站结构参数优化 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （4） 109-112. LIANG Suyu, WANG Wencai. Structural Parameter Optimization of Dual Fan Parallel Station Based on Or- thogonal Test ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （4） 109-112.移动扫码阅读 109 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．4 Apr． 2020 处结构使得机站局部阻力有效降低； 文献[9]得出出 风段渐缩角也是影响局阻的重要因素，并针对其角 度对机站阻力的影响进行了详细的分析。上述研究 均未提到从调整巷道结构方面降低机站局部阻力, 为此理论分析了巷道结构对机站局部阻力的影响并 总结了影响因素，采用正交试验与数值模拟的方 法，研究了各因素对机站局部阻力系数的影响显著 程度， 得出较优的结构组合， 降低了机站局部阻力， 同时促进了通风机站优化技术的发展。 1双风机并联机站巷道结构形式及阻力影响因素 2 台同型号风机安装在风墙上构成双风机并联 机站，同时风机入口、出口分别配置合理结构参数 的集流器与扩散器。风机功率克服机站负担区域的 通风阻力和局部阻力，其中有相当部分阻力损失是 由于巷道结构设计不合理引起的。因此，降低这部 分阻力的关键在于找出巷道结构中影响机站局部阻 力的因素，并对其参数进行优化以确定合理的巷道 结构。 1．1机站巷道结构形式及因素 井下安装机站断面大于原巷道断面时，需要对 巷道进行扩帮施工改造以适应机站通风。一般机站 的结构形式井下一般机站结构形式如图 1。图 1 中 1-1、 2-2 断面分别为风压风速稳定断面，将风流流 线方向发生明显变化处 （1-1 断面） 至风机集流器入 口定义为机站进风段；将风机扩散器出口至风流流 线方向基本稳定断面（2-2 断面） 定义为机站出风 段； 两者之间定义为机站并联段。 图 1井下一般机站结构形式 Fig．1General structure of downhole machine station 巷道风流从 1-1 断面开始经扩散角流动至充 满整个扩帮断面，而后经过集流器整流与风机吸风 后从扩散器引射至收缩角附近，最后上下风流汇聚 在 2-2 断面流出。风流在井下巷道流动多为紊流， 减少紊流局部阻力的着眼点在于消除或推迟流体与 壁面的分离，同时防止壁面涡流区产生或减小涡流 区的大小和强度。采用扩散角较大的单侧扩帮机站 通风时风流更容易与壁面分离产生涡流，产生较大 的局阻损失。而扩散角角度较缓时，风流的流动状 态相对稳定， 不易与壁面较快分离， 局阻损失较小， 但同时风流流动从扩散角附近至 l1处的距离也相 应加长， 增加了机站摩擦阻力。因此， 扩散角的角度 是影响机站局阻的主重要因素。 进风段 l1的长度若过短，则风流到达集流器附 近时流动状态不稳定，风机吸风量不均匀；而出风 段 l2距离过短时， 扩散器出口的风流射向帮壁的正 面阻力很大。若 l1与 l2距离过长都会增加施工成本 和风流与巷道边壁摩擦产生的阻力。因此，应确定 合适的 l1和 l2降低机站阻力。 机站出风段的局阻随收缩角的加大而增加， 而 出口突然扩大损失却相应减小[9]。因此， 应确定合适 收缩角以降低出风段机站局部阻力。 1．2机站局部阻力测定方法 由于机站内部风流流场复杂，对风流参数无法 进行准确测定， 假设机站无漏风、 忽略摩擦阻力， 由 于各风机在两断面间产生的压差一致，在 2 个测量 断面间列能量方程[10-11]为 Hp2-p1 1 2 ρv2 2 - 1 2 ρv1 2 （1 ） HfHhf（2 ） ξhf/ （1 2 ρv1 2） （3） 式中p1、 p2为 2 个测量断面的平均静压， Pa； v1、 v2为 2 个测量断面的平均风速， m/s； H 为机站风压 （或机站外阻） ， Pa， 用于克服巷道阻力； Hf为风机全 压， Pa，根据实测风量由风机特性曲线方程计算得 出； hf为机站局部阻力， Pa； ξ 为机站局部阻力系数。 2机站结构数值模拟与正交试验 模拟针对机站在其风机间距 b、 扩帮高度 D、 粗 110 ChaoXing Vol.51No.4 Apr. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 糙度一致等条件下改变影响因素进行正交数值模拟 试验，分析各因素间相互影响的规律，进而得出较 优的、 可行的结构设计方案。 2.1物理模型及网格划分 利用 Fluent 前处理软件 GAMBIT 依托某煤矿 1 350 m 处的 TB1 机站构建机站模型[6]， 该巷道断面 呈矩形， 断面高度 d 为 3 m， 宽度约为 4 m， 断面积 为 12 m2， 挑顶后高度 D 为 6 m， 选取回风巷道长度 L 为 120 m，巷道采用锚喷支护，锚网为 15 cm15 cm 的金属网。机站所用风机为 JK40-1-№7.5 型轴 流风机， 风机直径为 1 500 mm， 间距 b 为 2.7 m。设 定扩散器长度为 3 m， 扩张角为 16。 对物理模型进行网格划分， 采用非结构化网格， 网格元素以四面体为主。为提高结果精度风机设备 及风墙部分区域对其网格进行加密处理。模型总划 分网格数为 344 861。 2.2数学模型和边界条件及模型求解 巷道中风流属于紊流流动，对巷道风流作出假 设 ①风流为不可压缩风流； ②不考虑空气重力； ③ 壁面不存在漏风现象。 采用 k-ε 双方程,基于以上假 设采用以下数学模型进行描述①连续性方程； ② 动量守恒方程； ③能量守恒方程。 2.3模拟试验结果及分析 为保证机站进风段、 出风段风流渐变， 尽可能减 小机站阻力， 选用扩散角、 收缩角、 进风段巷道长度 l1、 出风段巷道长度 l2作为正交试验的考虑因素， 将 机站的局部阻力系数作为指标衡量通风效果。采用 4 因素 3 水平进行正交试验，试验因素水平表见表 1； 不考虑各因素间的交互作用， 选用 L9（34） 正交试 验， 正交试验方案及结果见表 2。 同时调节挡板使各 组试验中巷道风速均为 1.2 m/s， 在相同测面位置处 测量机站风压。 表 2 中极差 Rj的大小反映了各因素对机站局 阻影响的大小，极差越大，说明因素对机站局阻的 影响程度越大。根据极差分析可得，影响机站局部 阻力因素的主次顺序为 扩散角、 收缩角、 巷道长度 l1、 巷道长度 l2。结合正交试验数据可知 1） 由极差数据得知， 随着扩散角角度的变化， 机 站局阻变化最明显， 极差值最大。因此， 扩散角角度 的变化对机站局部阻力的影响最为显著，当扩散角 角度为 60时机站局阻系数最小， 角度为 30时机站 局阻系数最大，所以扩散角选择 60机站通风效果 较好。 2） 当收缩角为45时机站局阻系数最大， 30时 局阻系数最小， 所以选择 30的收缩角效果更好。同 时这也说明收缩角的不同，对出风段风流流场的射 流与回流影响也不同。 3） 巷道长度 l1与巷道长度 l2对机站局阻系数的 影响程度基本相同。巷道长度 l1从 3 m 至 9 m 机站 局阻系数先增大后减小， 在 9 m 时， 机站局阻系数 最小。而巷道长度 l2从 4 m 至 10 m 机站局阻系数 一直减小， 在 10 m 处机站局阻最小。因此， 进风段 巷道长度 l1选择 9 m， 出风段巷道长度 l2选择 10 m 效果较好。但在实际机站应用中，机站辅助设施需 要足够的空间， 进风、 出风段机站巷道不能过短， 但 是也不宜过长增加工程量。故实际运用中应优先考 虑成本， 施工条件允许情况下尽量延长进风、 出风段 巷道长度。 综上所述，通过极差分析可得出该扩帮机站结 构在巷道风速为 1.2 m/s 下的最优组合设置为 扩 散角 60， 收缩角 30， 进风段巷道长度 l1为 9 m， 出 风段巷道长度 l1为 10 m。 为得出最优机站巷道结构的确定方法，依照表 1 中各因素及水平在巷道风速为 1.5 m/s 与 2 m/s 进行试验， 得出的极差趋势图如图 2。 由图 2 可知 ①随着巷道风速逐渐增加， 影响机 试验号 扩散角 / （ ） 巷道长 度 l1/m 收缩角 / （ ） 巷道长 度 l2/m ξ 13031548.462 2 23063078.449 1 330945108.463 7 445330108.415 1 54564548.475 2 64591578.425 8 76034578.434 4 860615108.428 4 96093048.412 8 I1j25.37525.311 725.316 425.350 2 I2j25.316 125.352 725.277 025.309 3 I3j25.275 625.302 325.373 325.307 2 I4j0.099 40.050 40.096 30.043 水平扩散角/ （ ） 巷道长度l1/m收缩角/ （ ） 巷道长度l2/m 1303154 2456307 36094510 表 1试验因素及水平表 Table 1Table of test factors and levels 表 2正交试验方案及结果 Table 2Orthogonal test scheme and results 111 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．4 Apr． 2020 站局阻系数的因素仍然是扩散角、收缩角、巷道长 度 l1、 巷道长度 l2， 其中 l1与 l2的极差比风速为 1．2 m/s 时大，说明风速变大， l1与 l2对机站阻力影响程 度有所增加，这是由于机站摩擦阻力较大导致的； ②在巷道风速为 2 m/s 时，受机站摩擦阻力影响， l1 为 6 m 时机站局阻系数最小， 最优结构组合变为扩 散角 60， 收缩角 30，l1为 6 m，l2为 10 m。 3结语 1） 理论分析了双风机并联机站巷道结构阻力的 影响因素，通过正交数值模拟试验得出在风机间 距、粗糙度等因素一定时，机站局阻系数的影响因 素主次顺序为 扩散角、 收缩角、 进风段巷道长度 l1、 出风段巷道长度 l2。 2） 巷道风速不同， 机站最优结构参数发生变化。 风速为 1．2～1．5 m/s 最优组合为扩散角 60，收缩 角 30， 进风段巷道长度 l1选取 9 m， 出风段巷道长 度 l2选取 10 m，风速为 1．5～2 m/s 时 l1选取 6 m 效 果更好。实际机站参数还应结合成本因素进行考虑。 3） 基于正交数值模拟的方法对一般机站结构进 行了初步优化， 对于机站局阻系数仅考虑了巷道结构 参数， 而风机间距、 挑顶高度等重要因素都假定为条 件一定， 因此对机站结构还需要进一步优化研究。 参考文献 ［1］ 张树丰．对矿井通风系统优化改造的分析研究 ［J］ ．中 小企业管理与科技 （上旬刊） ， 2011 （9） 201． ［2］ 郑建明， 任凤玉， 李忠仪．五道羊岔铁矿多级机站通风 系统模拟研究 ［J］ ．黄金， 2015， 36 （11） 41－43． ［3］ 宫锐， 康国鹏．浅谈红透山铜锌矿通风系统优化改造 ［J］ ．有色矿冶， 2017， 33 （6） 15－18． ［4］ 程厉生， 李高祺， 沈元伟．井下多风机机站局阻的研究 ［J］ ．工业安全与防尘， 1987 （2） 11－16． ［5］ 王玉山， 潘地林．射流风机出口结构对其动力性能影 响的数值分析 ［J］ ．煤炭技术， 2015， 34 （5） 296－297． ［6］ 王文才， 张桉， 张志浩， 等．机站风机扩散器的最优结 构参数确定 ［J］ ．矿业研究与开发， 2019， 39 （1） 120． ［7］ 刘琛， 彭世超， 陈立．降低直角拐弯风井局部阻力的 Fluent 模拟 ［J］ ．煤炭与化工， 2014， 37 （2） 25－28． ［8］ 康阳， 陈立， 高晓明．矿井进风井与水平联巷的局部降 阻数值模拟 ［J］ ．矿业研究与开发， 2017， 37 （6） 11． ［9］ 李雨林， 程厉生， 李高祺．降低井下机站的局部阻力及 机站合理结构的研究 ［J］ ．金属矿山， 1988 （7） 21－25． ［10］ Wang Tingjun, Xie Xianping, Li Jiangong,et al．Optimi zation of monitoring points layout for the multi -fan and multi-station ventilation system ［C］ // International Conference Machinery, Electronics and Control Simula tion．Switzerland Trans Tech Publications Ltd, 2014 113-117． ［11］ Li Z H, Zhang J S, Zhivov A M, et al． Characteristics of diffuser air jets and airflow in the occupied regions of mechanically ventilated rooms a literature review ［J］ ． Ashrae Transactions, 1993, 99 1119-1127． 图 2极差趋势图 Fig．2Range trend chart 作者简介 梁素钰 （1996） ， 山西忻州人， 内蒙古科技 大学在读硕士研究生， 研究方向为矿井通风安全。 （收稿日期 2019-08-09； 责任编辑 李力欣） 112 ChaoXing