入口弯管对矿用轴流通风机气动性能影响的数值研究-sup-①-_sup-_胡建新.pdf

入口弯管对矿用轴流通风机气动性能影响的数值研究 ① 胡建新１， 徐小雨１， 李 钟２， 金 星２， 朱祖超１ （１．浙江理工大学 流体传输技术国家地方联合工程实验室，浙江 杭州 ３１００１８； ２．长沙矿冶研究院有限责任公司 深海矿产资源开发利用技术国家重 点实验室，湖南 长沙 ４１００１２） 摘 要 以某大型矿用低压轴流式通风机为研究对象，采用气体动力学性能试验和数值模拟的方法研究了不同入口弯管对风机性 能的影响，重点分析了入口弯管引起的叶轮内部流动特征和损失分布的变化规律。 研究结果表明，风机入口采用弯管连接缩短了 进口管道的轴向长度，节省了地下空间，但同时来流的均匀性受到影响。 弯管内气流速度梯度较大，管道内侧易发生流动分离，产 生回流区，增大了流体流动时的能量损失，风机的整体性能下降。 弯管与叶轮入口之间的连接长度会影响内部流场，当附加直管段 较长时，来流均匀性得到提高，风机性能有所改善。 关键词 风机； 数值模拟； 轴流通风机； 入口弯管； 流动分离； 能量损失 中图分类号 Ｏ３５７．１文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３-６０９９．２０２０．０５．００３ 文章编号 ０２５３-６０９９（２０２０）０５-０００９-０６开放科学（资源服务）标识码（ＯＳＩＤ） Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｔｕｄｙ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｉｎｌｅｔ Ｅｌｂｏｗ ｏｎ ｔｈｅ Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ａｘｉａｌ Ｆａｎ Ｕｓｅｄ ｆｏｒ Ｍｉｎｅ Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ＨＵ Ｊｉａｎ⁃ｘｉｎ１， ＸＵ Ｘｉａｏ⁃ｙｕ１， ＬＩ Ｚｈｏｎｇ２， ＪＩＮ Ｘｉｎｇ２， ＺＨＵ Ｚｕ⁃ｃｈａｏ１ （１．Ｎａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｌｏｃａｌ Ｊｏｉｎｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｆｌｕｉｄ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ， Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｓｃｉ⁃Ｔｅｃｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００１８， Ｚｈｅｊｉａｎｇ， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｅｅｐ⁃ｓｅａ Ｍｉｎｅｒａｌ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ， Ｃｈａｎｇｓｈａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ Ｃｏ Ｌｔｄ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００１２， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａ ｌａｒｇｅ⁃ｓｃａｌｅ ｌｏｗ⁃ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｘｉａｌ ｆａｎ ｕｓｅｄ ｉｎ ｍｉｎｅ ｗａｓ ｔａｋｅｎ ｉｎ ａｎ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｅｓｔ ｆｏｒ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｉｎｌｅｔ ｅｌｂｏｗｓ ｏｎ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｎ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ． Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｌｏｗ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｌｏｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｉｎｌｅｔ ｅｌｂｏｗｓ ｗｅｒｅ ｓｐｅｃｉａｌｌｙ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｅｌｂｏｗ ｆｏｒ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ａｔ ｔｈｅ ｆａｎ ｉｎｌｅｔ ｓｈｏｒｔｅｎｓ ｔｈｅ ａｘｉａｌ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｌｅｔ ｐｉｐｅ ａｎｄ ｓａｖｅｓ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｓｐａｃｅ， ｂｕｔ ｍｅａｎｗｈｉｌｅ ｂｒｉｎｇｓ ｓｏｍｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｏ ｔｈｅ ｕｎｉｆｏｒｍ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｌｅｔ ｆｌｏｗ． Ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｒ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ａｉｒｆｌｏｗ ｉｎ ｔｈｅ ｅｌｂｏｗ， ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｉｓ ｐｒｏｎｅ ｔｏ ｏｃｃｕｒ ｉｎｓｉｄｅ ｔｈｅ ｐｉｐｅ， ｌｅａｄｉｎｇ ｔｏ ａ ｂａｃｋｆｌｏｗ ｚｏｎｅ， ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｌｏｓｓ ｄｕｒｉｎｇ ｆｌｕｉｄ ｆｌｏｗｓ， ｌｅａｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｎ． Ｔｈｅ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｅｌｂｏｗ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｌｅｔ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｗｉｌｌ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ． Ｗｉｔｈ ａ ｌｏｎｇｅｒ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ ｓｔｒａｉｇｈｔ ｐｉｐｅ， ｔｈｅ ｉｎｌｅｔ ｆｌｏｗ ｂｅｃｏｍｅｓ ｍｏｒｅ ｓｔａｂｌｅ ａｎｄ ｕｎｉｆｏｒｍ， ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｎ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ｆａｎ； ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ； ａｘｉａｌ ｆｌｏｗ ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ｆａｎ； ｉｎｌｅｔ ｅｌｂｏｗ； ｆｌｏｗ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ； ｅｎｅｒｇｙ ｌｏｓｓ 矿用轴流式通风机的气动性能不仅受到叶轮效率 的影响，还受到实际空间、环境的限制［１-２］。 由于地下 作业实际操作空间有限，而矿用风机占地面积大，因此 在实际操作中，常常用弯管入口代替直进口，缩短风机 整体长度。 而在通常的轴流风机设计中，一般假设风 机入口流场是均匀和稳定的［３］，因此会带来入口系统 效应，造成实际使用性能低于理想测试性能［４］。 已有 研究表明，入口管道采用弯管布置后，会造成管内流动 阻力增大，叶轮入口速度沿轴向分布的均匀性受到影 响，使得叶轮内部流动恶劣，形成分离区和二次流，加 重风机的动能损失［５-７］，且这些现象还会导致内部压力 脉动增大，进而诱发振动和噪声［８-９］。 文献［１０］探究了 双向轴伸泵 Ｓ 型弯管对水泵装置性能及稳定性的影响， 发现弯管小半径侧水流流量偏大，因此靠近该侧的部分 叶片推动该部分水流时产生的应力也偏大，造成叶轮稳 定性下降。 文献［１１］比较了弯管距离风机进口位的距 ①收稿日期 ２０２０-０４-０６ 基金项目 国家自然科学基金重点项目（５１４３４００２）；浙江省教育厅科研项目（Ｙ２０１７３８３８３） 作者简介 胡建新（１９８７-），女，黑龙江绥化人，讲师，博士，主要研究方向为水动力计算。 通讯作者 徐小雨（１９９４-），女，江苏扬州人，硕士研究生，主要研究叶轮机械内部流动及其机理。 第 ４０ 卷第 ５ 期 ２０２０ 年 １０ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．４０ №５ Ｏｃｔｏｂｅｒ ２０２０ 离对风机性能的影响程度。 文献［１２］以高压小流量前 向离心通风机为研究对象，研究了不同进口位置连接 弯管对风机性能的影响。 但目前针对低压轴流风机的 入口弯管研究却相对较少，已有对矿用轴流风机的研 究多假设进口为直管，较少考虑入口形式对风机内部 流场及风机性能的影响。 本文以某公司生产的大型矿 用轴流式通风机为研究对象，采用试验和数值模拟的 方法，以 ９０弯管作为风机进口条件，改变其附加直管 段的长度，研究弯管进口下非均匀和非轴对称的进口 畸变对矿用轴流通风机性能的影响，研究结果可对矿 用轴流风机的结构设计，特别是静止部件的设计提供 参考依据。 １ 数值模拟方法 １．１ 物理模型 某单级轴流式通风机是浙江某公司生产的带后导 叶的矿用轴流式通风机，翼型叶片的型线变化按照设 计要求得到，最佳效率点与设计工况点一致。 该矿用 轴流式通风机的主要部件有叶轮、导叶、内筒、外筒等， 风机三维简化模型如图 １ 所示，风机的具体参数如表 １ 所示，图 ２ 是 ３ 种不同进口段的计算域模型。 图 １ 单级地铁轴流风机结构简图 表 １ 单级矿用轴流通风机的基本参数 设计流量 ／ （ｍ３ｈ -１ ） 电机转速 ／ （ｒｍｉｎ -１ ） 叶轮外径 ／ ｍｍ 轮毂 比 效率 ／ ％ 全压 ／ Ｐａ 叶轮 叶片数 导叶 叶片数 ２６４ ０００９８０１ ８０００．２２ ３９．１５７８０８５ 图 ２ ３ 种不同进口段模型 （ａ） 直进口； （ｂ） 长弯管进口； （ｃ） 短弯管进口 １．２ 计算网格划分 计算模型包括进入轴流通风机前流体充分发展的 进口部分到离开风机充分流动的出口部分之间所有内 流流道空间，进口部分长度取 ３Ｄ，出口部分取 ５Ｄ（Ｄ 为风机直径），具体模型如图 ３ 所示。 数值模拟中，为 控制网格质量，提高计算精度，需要将复杂的计算区域 分割，各计算域单独生成合适的网格节点分布和合适 尺寸的网格，局部网格图如图 ４ 所示。 在分析时对整 个计算模型划分为 ５ 个流体计算域进口部分计算域、 叶轮部分计算域、导叶部分计算域、内筒部分计算域和 出口部分计算域。 其中叶轮部分计算域为转动计算 域，但其轮盖壁面设为静止壁面；其他计算域均为静止 计算域，计算域之间通过交界面进行连接。 图 ３ 计算域网格模型 图 ４ 局部网格示意 １．３ 计算方法及边界条件 以单级轴流通风机进口计算域的进口面作为整个 计算域的进口，出口计算域的出口面定义为整个计算 域的出口。 进口边界条件给定为设计工况点的质量流 量进口，出口条件为静压出口，参考压力为一个大气 压，进出口湍流动能和湍流动能耗散率由经验公式计 算确定。 本模型采用有限体积法对控制方程在空间上 进行离散，计算流体为 ２５ ℃的空气，壁面采用无滑移 边界条件，近壁区域采用标准壁面函数。 考虑到轴流 风机的转速较低，造成风机全压较小，因此可不用考虑 气体的压缩性，用二阶迎风格式进行定常计算，采用 ＳＩＭＰＬＥ 方法求解控制方程，计算模型采用 ＳＳＴ ｋ⁃ε，该 湍流模型能较为精确地模拟逆压梯度引起的分离点和 分离区大小，对封闭腔内边界层、自由剪切流、低雷诺 数流场模拟较好，适合有逆压梯度和分离的复杂边界 层，可用于转捩流动、二次流、分离流等问题，具有比标 ０１矿 冶 工 程第 ４０ 卷 准的 ｋ⁃ε 模型更突出的优点。 计算结果的收敛标准为 计算残差小于 １０ -４ 且监测的进出口总压基本不变。 稳 态计算时，将动静交界面设置为冻结转子类型（Ｆｒｏｚｅｎ ｒｏｔｏｒ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）；非稳态计算时，将动静交界面设置为 瞬态冻结转子类型（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｒｏｔｏｒ／ ｓｔａｔｏｒ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）。 非稳态求解时，将稳态求解的收敛结果作为初始条件。 根据风机的转速 ９８０ ｒ／ ｍｉｎ，可得出该风机的转动周期 为 ０．０６１ ２２ ｓ，设置时间步长为 ０．００１ ５３ ｓ，风机的叶片 数为 ８，因此以叶片转过 ４５作为一个计算周期。 １．４ 控制方程 这里研究的是三维非定常流动，控制方程为三维 雷诺时均 Ｎ⁃Ｓ 方程 ∂ ｕｉ ∂ｘｉ ＝ ０ ρｕｊ ∂ ｕｉ ∂ｘｊ ＝ ρＦｉ- ∂ Ｐ ∂ｘｉ ＋ μ ∂２ｕｉ ∂ｘｉ∂ｘｊ - ρ ∂ ∂ｘｊ（ｕｉｕｊ） ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ （１） 式中ｕｉ和 Ｐ 为流场时均流速和时均压力；ρ和μ为流体 的密度和黏度；Ｆｉ为流体所受体力； ｕｉｕｊ为雷诺应力 项，需要通过湍流模型进行封闭。 ＳＳＴ ｋ⁃ε 模型由 Ｍｅｎｔｅｒ［１３］于 １９９２ 年提出。 该湍 流模型通过将模型 ｋ⁃ω 和 ｋ⁃ε 加权平均的方式组合起 来，在壁面处采用 ｋ⁃ω 模型，在远离壁面处采用 ｋ⁃ε 模 型，充分利用 ｋ⁃ω 模型对逆压梯度模拟精确度高和 ｋ⁃ε 模型对湍流初始参数不敏感的特点，提高了数值模拟 的准确性 ｖｔ＝ ａ１ｋ ｍａｘ（ａ１ω，ΩＦ２） （２） 式中 Ω 为涡量；ｖｔ为湍流运动黏度；Ｆ２是一个判断变 量，通过比较可以确定 ｖｔ的计算公式。 Ｆ２＝ ｔａｎｈｍａｘ ２ ｋ β∗ωｙ， ５００ｖ ｙ２ω ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ２ {} （３） ∂ρｋ ∂ｔ ＋ ∂ ∂ｘｊ（ρｕｊｋ - （μ ＋ σｋ μｔ） ∂ｋ ∂ｘｊ） ＝ τｔｉｊＳｉｊ - β ∗ρωｋ （４） ∂ω ∂ｔ ＋ Ｕ ｊ ∂ω ∂ｘｊ ＝ Ｐ ｋ - βω２＋ ∂ ∂ｘｊ ｖ ＋ σωｖｔ ∂ω ∂ｘｊ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ＋ ２ １ - Ｆ１ σ ω２ １ ω ∂ｋ ∂ｘｉ ∂ω ∂ｘｉ （５） １．５ 网格无关性验证 在单级轴流式通风机设计工况下对计算网格进行 了无关性验证。 一共设置了 ５ 组网格对照组，网格数 分别为３２０ 万、３５２ 万、３９７ 万、４２６ 万和４８０ 万，对照表 ２ 中设计工况下得到的总压值可知，当网格数达到 ３５２ 万后，全压和效率基本保持不变，又考虑到计算资源， 最终确定总网格数为 ３５２ 万。 其中叶轮区域网格数约 ２００ 万，导叶区域网格数约 ８０ 万，内筒及进出口区域 网格数总计约 ７０ 万。 表 ２ 设计工况点随网格数量变化表 总网格数／ 万全压／ Ｐａ效率／ ％计算时长／ ｈ ３２０７６０．１８４１．３７６ ３５２７８１．６７４２．５３７ ３９７７８２．２３４２．３４９ ４２６７８２．６９４２．３３１１．５ ４８０７８０．１１４２．１３１４ ２ 计算结果及分析 ２．１ 试验装置 为了验证数值模拟结果的准确性， 按照 ＧＢ／ Ｔ１２３６２０００、ＩＳＯ５８０１ 和 ＡＭＣＡ２１０ 的标准对实验风 机进行气动性能测试，风机由交流变频电机驱动，电机 转速为 ９８０ ｒ／ ｍｉｎ，试验装置如图 ５ 所示。 图 ５ 试验装置图 （ａ） 风机性能测试装置； （ｂ） 风机性能测试台示意 轴流通风机数值模拟结果与试验结果对比如图 ６ 所示。 由图 ６ 可见，数值模拟和模型试验结果曲线变 化规律一致，流量⁃全压和流量⁃效率曲线基本吻合，试 验值在设计工况点下略低于模拟值，主要由于试验过 程中存在摩擦并且受到环境影响，造成轴功率损失。 试验装置的误差范围均在 ５％之内，不超过文献规定 的最大误差范围。 ２．２ 计算结果及分析 ２．２．１ 弯管入口流线分布 图 ７ 给出了 ３ 种入口连接方案下的风机全压和效 率曲线的对比。 方案 １ 为不带弯管的圆柱形进气管道， 方案 ２、３ 为 ９０弯管进气管道，弯管与风机进口之间连 接的直管段长度分别为 Ｄ 和 ２Ｄ（Ｄ 为风机进气直径）。 １１第 ５ 期胡建新等 入口弯管对矿用轴流通风机气动性能影响的数值研究 流量/kg s-1 1000 800 600 400 200 0 604080100120140 全压/Pa 模拟值 试验值 ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■● ■● 流量/kg s-1 45 35 25 15 5 604080100120140 效率/ ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■● ■ ● 模拟值 试验值 ■ ● 图 ６ 模型模拟值与试验值的对比 流量/kg s-1 50 40 30 20 10 0 604080100120140 全压/Pa 流量/kg s-1 1000 800 600 400 200 0 604080100120140 效率/ ■ ● ▲ ■ ● ▲ ■ ● ▲ ■ ● ▲ ■ ● ▲ ■ ● ▲ ■ ● ▲ ■ ● ▲ ■ ● ▲ ■ ● ▲ 方案1 方案2 方案3 ■ ● ▲ 方案1 方案2 方案3 ■ ● ▲ ■ ● ▲ ■ ● ▲ ■ ● ▲ ■ ● ▲ ■ ● ▲ ■ ● ▲ ■ ● ▲ ■ ● ▲ ■ ● ▲ ■●▲ 图 ７ ３ 种方案下风机性能曲线 从图 ７ 可以看出风机入口采用弯管连接后，风机 性能曲线整体下降，最佳效率点左移，在小流量工况下 全压和效率得到改善，但在大流量工况下，风机性能下 降明显，与标准的直管段进口相比，风机效率绝对值下 降最高达到 ８％。 比较两种不同弯管长度发现，随着 附加直管段长度增加，风机性能曲线有所回升，性能有 所改善。 图 ８ 展示了 ３ 种入口连接方式的进口段流线图， 可以看出，采用弯管入口后，来流的均匀性变差。 图 ８ 不同进口弯管长度下风机入口段流线分布 从图 ８ 可以看出，全直段风机入口速度比较均匀， 呈现对称趋势。 采用弯管连接后，速度分布呈现不均 匀性，在弯管内侧均出现低速区，这是因为流体流经弯 管时，弯管内侧半径较小，流体的流动方向改变较大， 因此推动此处流体流动的力要求较大，导致大部分流 体通过管外侧流入，因此弯管内侧的速度小于外侧，也 就导致了一部分能量损失，使得风机气动性能下降。 方案 ２ 在弯管内侧出现了明显的回流，内侧发生流动分 离，进口通道的有效通流面积减小，容易发生阻塞。 方 案 ３ 的附加直管段较长，流体经过弯管后有较长一段缓 冲区，不均匀性得到改善，风机性能得到回升。 ２．２．２ 弯管入口压力分布 径向截面观察比较方案 ２、３ 风机进口段压力云图 （如图 ９ 所示），可以发现弯管内侧出现低压区，由于 水流进入弯管后强行改变方向会撞击弯管壁面，造成 流动分离，产生压力梯度，弯管内侧会出现部分流体脱 流现象，造成内侧低压区的存在。 对比图 ９ 中 Ａ 区域 局部压力图（如图 １０ 所示），发现方案 ２ 低压区面积 较大且压力分布不均匀，压力梯度不明显，出现两个高 压区。 这是因为附加直管段长度较短，流体撞击后速 度方向改变对内部流动不均匀性影响较大，管道整流 图 ９ 不同方案风机入口段压力分布图 ２１矿 冶 工 程第 ４０ 卷 图 １０ Ａ 区域局部压力图 作用尚未完全发挥流体就已经进入动叶区，出现流体 堆积现象。 图 １１ 是叶轮进口截面压力分布，在同一个叶道中 方案 ２ 出现了两个明显的高压区，且叶顶间隙处高压 区域较大，这就进一步说明了方案 ２ 的弯管损失较大， 流动性较差。 图 １１ 叶轮进口截面压力分布 ２．２．３ 弯管入口压力脉动 对不同入口管道的轴流风机设计工况下进行非定 常的计算，主要研究在不同附加直管段的弯管入口下， 叶轮进口压力信号随时间的变化特征。 在叶轮的进口 面和出口面设置压力脉动监测点 Ｐ１和 Ｐ２，如图１２ 所示。 为保证数值模拟的准确性，对正常直入口管道的风机 进行压力脉动信息采集，选取一个周期内压力脉动的 图 １２ 监测点位置分布 时域图进行对比，发现变化趋势和峰谷数目基本一致， 每个周期内峰值点的个数为 ８，这与动叶片数目保持 一致，以此保证了数值模拟的准确性。 为了更直观地反映入口管道直管段长度对风机压 力变化的影响，引入压力脉动系数 Ｃｐ，将瞬时压力变 成无量纲系数 Ｃｐ＝ ｐｉ - ｐ ｐ （６） 式中 ｐｉ为第 ｉ 秒的瞬时压力，Ｐａ；ｐ 为各瞬时压力的时 均值，Ｐａ。 压力脉动时域图见图 １３。 0.30 0.20 0.10 0.00 -0.10 -0.20 -0.30 0.010.020.030.050.040.060.07 时间/s 压力脉动系数 a 0.20 0.10 0.00 -0.10 -0.20 0.010.020.030.050.040.060.07 时间/s 压力脉动系数 b 0.10 0.00 -0.10 -0.20 0.010.020.030.050.040.060.07 时间/s 压力脉动系数 c 0.15 0.00 -0.15 0.010.020.030.050.040.060.07 时间/s 压力脉动系数 d 图 １３ 压力脉动时域图 （ａ） 方案 ２，Ｐ１监测点； （ｂ） 方案 ２，Ｐ２监测点； （ｃ） 方案 ３，Ｐ１监测点； （ｄ） 方案 ３，Ｐ２监测点 ３１第 ５ 期胡建新等 入口弯管对矿用轴流通风机气动性能影响的数值研究 从图 １３ 可以看出，风机入口变成弯管后，压力脉 动仍随着时间呈周期性波动。 沿着流体流动方向，静 压值瞬时值逐渐增大，但脉动幅度却呈减小的趋势，这 是由于流体经过叶轮区域被加速，机械能增大，因而压 力均值提高，加速后开始离开叶轮，因而脉动幅度降 低。 不同直管段长度的弯管入口 Ｐ１点压力脉动幅度 变化较大，而 Ｐ２点变化并不明显，这是由于不同附加 直管长度改变的是气流进口段，而叶轮对其做功一致， 因而叶轮进口截面压力脉动存在明显变化，而叶轮出 口面相差不大。 附加直管段较短导致流体在到达动叶 入口面时流动仍较大，气流对叶片的冲角较大，导致叶 片对通道空气的击打作用变强，击打强度变大。 此外 不同主附加直管段的叶片表面压力分布不均匀，使得 叶片表面应力分布不对称，因而压力脉动变化在一个 周期内摆动幅度存在差异，波峰值和波谷值存在变化。 ３ 结 论 采用三维非定常数值模拟的方法研究了进口弯管 对大型矿用轴流风机性能的影响，结果表明 １） 风机入口连接弯管会影响来流的均匀性，使得 入口速度分布不均匀，弯管内侧的气流发生流动分离， 产生回流区，出现紊乱的涡结构，流动损失增加，导致 出口静压降低，风机整体性能下降。 ２） 弯管与入口之间的连接长度会影响内部流场， 当附加直管段长度较大时，起到了一定的整流作用，管 道内的回流区减少，原本的涡结构明显变小，流动较为 平稳，入口处速度分布变得均匀，叶轮入口处压力脉动 减小。 ３） 弯管附加直管段长度为 ２Ｄ 时，来流的不均匀 性得到改善，管内流动分离和堆积现象得到缓解，风机 气动性能有所回升。 参考文献 ［１］ 李庆宜． 通风机［Ｍ］． 北京机械工业出版社， １９８１． ［２］ 何向艳． 轴流式通风机通流部件特性研究［Ｄ］． 北京 华北电力 大学能源动力与机械工程学院， ２０１２． ［３］ Ｑｉａｎ Ｚ Ｄ， Ｙａｎｇ Ｊ Ｄ， Ｈｕａｉ Ｗ Ｘ． Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｐｕｌｓａｔｉｏｎ ｉｎ ｆｒａｎｃｉｓ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｔｕｒｂｉｎｅ ｗｉｔｈ ａｉｒ ａｄｍｉｓｓｉｏｎ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ， ２００７，１９（４）４６７-４７２． ［４］ Ｃｈａｒｖｅｔ Ａ， Ｇｏｎｔｈｉｅｒ Ｙ， Ｂｅｒｎｉｓ Ａ， ｅｔ ａｌ． Ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｑｕｉｄ ａｅｒｏｓｏｌｓ ｗｉｔｈ ａ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｆｉｂｒｏｕｓ ｆｉｌｔｅｒ［Ｊ］． Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ， ２００８，８６５６９-５７６． ［５］ 丁 钰，翁培育． ９０弯管内流动的理论模型及流动特性的数值研 究［Ｊ］． 计算力学学报， ２００４，２１（３）３１４-３２１． ［６］ 梁亚勋，李景银，田 华． 轴流风机静止部件的流动和损失对比［Ｊ］． 西安交通大学学报， ２００８，４２（３）２７０-２７２． ［７］ 申 江，汪倍倍． 导流罩结构参数对轴流风机性能影响的仿真研 究［Ｊ］． 制冷技术， ２０１９，４７（２）９１-９４． ［８］ 李 杜，杨 策，陈 山． 带 ９０弯管的离心压气机进口畸变数值 研究［Ｊ］． 航空动力学报， ２０１０，２５（１１）２５５６-２５６３． ［９］ 左曙光，聂玉洁，韦开君，等． 不同进口形势下离心压缩机的内部 流动特性［Ｊ］． 机电一体化， ２０１６，１１（５）２２-２９． ［１０］ 郑 源，李城易，顾晓峰，等． Ｓ 型弯管对双向轴伸泵性能及稳定 性的影响［Ｊ］． 工程热物理学报， ２０１９，４０（２）３１９-３２４． ［１１］ 黄海鸿，陆月星，柯庆镝，等． 基于矩形流道流产分析及气动实验 的轴流风机结构参数优化设计［Ｊ］． 制冷学报， ２０１９，４０（２）１２０ -１２８． ［１２］ 聂 波，张俊林，满建楠． 进口弯管对前向离心通风机性能影响 的研究［Ｊ］． 流体机械， ２０１８，４６（１）６-１４． ［１３］ Ｍｅｎｔｅｒ Ｆ． Ｚｏｎａｌ Ｔｗｏ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｋ⁃ω ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｍｏｄｅｌｓ ｆｏｒ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｆｌｏｗｓ［Ｃ］∥ＮＡＳＡ ２４ｔｈ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， １９９３． 引用本文 胡建新，徐小雨，李 钟，等． 入口弯管对矿用轴流通风机气 动性能影响的数值研究［Ｊ］． 矿冶工程， ２０２０，４０（５）９-１４． 中国知网版权声明 本刊已许可中国学术期刊（光盘版）电子杂志社在中国知网及其系列数据库产品中以数字化方式复制、汇 编、发行、信息网络传播本刊全文。 该社著作权使用费与本刊稿酬一并支付。 作者向本刊提交文章发表的行为即 视为同意本刊上述声明。 矿冶工程杂志编辑部 ２０２０ 年 １０ 月 ４１矿 冶 工 程第 ４０ 卷