

山東冠熙環(huán)保設(shè)備有限公司
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山東省濰坊市
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山東冠熙環(huán)保設(shè)備有限公司
主營(yíng)產(chǎn)品: 通風(fēng)機(jī)
耐高溫風(fēng)機(jī)批發(fā)-冠熙風(fēng)機(jī)-鍋爐風(fēng)機(jī)批發(fā)
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李海偉
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幾何模型建立與網(wǎng)格劃分
計(jì)算模型采用掘進(jìn)工作面4-72-5.6A 防爆防腐蝕的離心式通風(fēng)機(jī),其主要參數(shù):電機(jī)功率22 kW,轉(zhuǎn)速2 930 r/min,流量10 122~25 736 m3/h,全壓4 152~2 330 Pa。其主要由進(jìn)風(fēng)口、集流器、葉輪和蝸殼組成。
風(fēng)機(jī)集流器中添加了米字形結(jié)構(gòu)與環(huán)形擋環(huán)。風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且葉片外形不規(guī)則,因此生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格比較困難,相反非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格適應(yīng)能力強(qiáng),在處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)有利于網(wǎng)格的自適應(yīng)。
因此風(fēng)機(jī)采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。使用ANSYS 軟件中的CFD 軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,加米字形集流器模型網(wǎng)格數(shù)1 072 503,網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)184 910;普通圓弧形模型網(wǎng)格數(shù)1 296 832,網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)223 847。以離心風(fēng)機(jī)在掘進(jìn)工作面環(huán)境下的運(yùn)行工況為依據(jù),進(jìn)行風(fēng)機(jī)參數(shù)設(shè)置:流量取22 806.54 m3/h,流速取6.335 15 m/s, 質(zhì)量流量取7.491 3 kg/s。把Pro/E 建立的幾何模型導(dǎo)入Fluent 中并對(duì)幾何模型的邊界條件計(jì)算參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。其中入口類型采用速度進(jìn)口,出口設(shè)為壓力邊界條件,本計(jì)算采用的樣機(jī)是礦用式離心風(fēng)機(jī), 出口靜壓可以近似為0,蝸殼內(nèi)壁及葉輪壁面粗糙度均取0.5,集流器、葉輪、蝸殼等各流體區(qū)域結(jié)合處的公共面采用interface邊界類型面, 將葉片的壓力面和吸力面以及葉輪前盤、后盤和轉(zhuǎn)軸的內(nèi)外表面一起定義為旋轉(zhuǎn)壁面。環(huán)境壓力為101 325 Pa,取粉塵流體密度ρ=1.225 kg/m3。計(jì)算時(shí)采用SIMPLE 壓力速度耦合方法進(jìn)行。
在標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)氣風(fēng)管測(cè)試裝置上,對(duì)風(fēng)機(jī)及在風(fēng)機(jī)蝸殼周向板、前蓋板、后蓋板等部位分別加裝吸聲材料后,測(cè)試了不同結(jié)構(gòu)形式下風(fēng)機(jī)性能和噪聲特性。試驗(yàn)結(jié)果表明:相比原風(fēng)機(jī),蝸殼周向板與后蓋板同時(shí)加裝吸聲材料效果較好,設(shè)計(jì)工況下A聲級(jí)能夠降低7.2dB(A),在小流量工況下,吸聲蝸殼的降噪效果變差;根據(jù)風(fēng)機(jī)噪聲頻譜,穿孔板加玻璃棉吸聲蝸殼的吸聲性能中高頻好于低頻,風(fēng)機(jī)基頻噪聲在設(shè)計(jì)點(diǎn)能夠降低12.5dB(A);風(fēng)機(jī)加裝吸聲材料后風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能會(huì)略有下滑,壓力和效率都有不同程度的降低。離心式風(fēng)機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛的通用輔助設(shè)備,而風(fēng)機(jī)噪聲尤其大型風(fēng)機(jī)噪聲很大,嚴(yán)重影響人的身心健康,所以降低風(fēng)機(jī)噪聲有著重要的意義。由于蝸殼壁面是離心風(fēng)機(jī)主要的氣動(dòng)噪聲源,蝸殼不消聲時(shí),聲波在風(fēng)機(jī)蝸殼內(nèi)連續(xù)反射,形成一個(gè)混響聲場(chǎng),聲壓級(jí)較高。采用消聲蝸殼后,被吸收的聲能多,被反射的聲能少,其聲場(chǎng)的聲壓級(jí)就會(huì)降低。
對(duì)于風(fēng)機(jī)消聲蝸殼降噪效果的研究,國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都做了不少的研究工作。Bartenwerfer等將蝸板外側(cè)消聲部分的外殼做成方形,里面填充消聲材料對(duì)離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行降噪試驗(yàn)研究,使改進(jìn)后的風(fēng)機(jī)A聲級(jí)降低了9~12dB(A)。劉曉良等研究了消聲蝸殼消聲材料厚度、空腔厚度等對(duì)風(fēng)機(jī)降噪效果的影響,結(jié)果表明:適當(dāng)增加消聲材料厚度或空腔厚度可以提高消聲蝸殼的降噪效果。到目前為止,對(duì)消聲蝸殼的研究基本都集中在周向蝸板上加裝消聲材料,對(duì)風(fēng)機(jī)側(cè)板加消聲材料的消聲蝸殼降噪效果研究得還比較少。
將建立好的風(fēng)機(jī)三維模型導(dǎo)入ICEM 軟件進(jìn)行混合網(wǎng)格的劃分。其中進(jìn)出口和葉輪區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,而蝸殼部分由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,尤其是電動(dòng)機(jī)周圍結(jié)構(gòu)并非規(guī)則模型,故采用適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格,具體網(wǎng)格如圖3 所示。綜合考慮動(dòng)靜耦合區(qū)域?qū)?shù)值模擬預(yù)測(cè)結(jié)果的影響,在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),對(duì)邊界層進(jìn)行加密處理,其較低網(wǎng)格質(zhì)量雅克比[14]在0.3 以上。為了保證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,避免網(wǎng)格誤差對(duì)其模擬結(jié)果造成影響,對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,如表1 所示。綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算效率可知,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為25 萬(wàn)左右時(shí)預(yù)測(cè)結(jié)果較為合理,終確定整個(gè)計(jì)算域的網(wǎng)格數(shù)為2513558。k-ε 模型作為為普遍有效的湍流模型,能夠計(jì)算大量的各種回流和薄剪切層流動(dòng),被廣泛應(yīng)用于各類風(fēng)機(jī)的數(shù)值求解計(jì)算中。
由于有梯度擴(kuò)散項(xiàng),模型k-ε 方程為橢圓形方程,故其特性同其他橢圓形方程,需要邊界條件:風(fēng)機(jī)出口或?qū)ΨQ軸處k / n0和/ n0。但上述邊界條件只針對(duì)高雷諾數(shù)而言,在固體壁面附近,流體粘性應(yīng)力將取代湍流雷諾應(yīng)力,并在臨近固體壁面的粘性底層占主要作用。而多翼離心風(fēng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)尺寸小、相對(duì)馬赫數(shù)低,氣體黏性力在流體流動(dòng)過(guò)程中起重要作用,因此,在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中,標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型由于未充分考慮粘性力的影響,導(dǎo)致計(jì)算模型出現(xiàn)偏差。運(yùn)用Visual C++將上述修正函數(shù)編寫為UDF代碼,并導(dǎo)入Fluent 內(nèi)置Calculation module。為符合實(shí)際運(yùn)行狀態(tài),風(fēng)機(jī)進(jìn)出口邊界條件設(shè)置為壓力入口和壓力出口,出口壓降與動(dòng)能成正比,從而避免在進(jìn)口和出口定義一致的速度分布[15]。后以CFD 計(jì)算的定常結(jié)果作為初始條件,進(jìn)行非定常數(shù)值計(jì)算。
