1、前言
對旋式軸流風機因其結構緊湊，壓頭高、流量大且具有良好的反風性能的特點被廣泛應用于礦山安全通風與隧道通風工程中，這種風機由于兩轉子間沒有導葉而使得兩級間的氣動匹配與氣流干涉成為內(nèi)流分析優(yōu)化的核心內(nèi)容。本文結合BD6對旋風機的幾何模型，采用CFD分析方法對該機的性能與兩級間的氣動匹配特點進行了分析，預測性能與實驗性能進行了對比，給出了內(nèi)部流動的流場分布，討論分析設計工況下兩級間匹配的內(nèi)部流動結構，為該類風機的使用和優(yōu)化改型提供依據(jù)。
2對旋風機的內(nèi)流分析方法
對旋風機的內(nèi)流模擬近十年來一直受到流體機械內(nèi)流研究領域的重視，作者曾在文獻通過對采用混合設計方法設計的一種板式葉片的對旋軸流風機通過采用SIMPLE算法編程實現(xiàn)求解雷諾時均N-S方程，給出了兩級葉片流道內(nèi)的速度分布，為設計的葉片提供了局部的流動依據(jù)。應用標準K-e紊流模型和SIMPLEC算法進行了定常三維紊流流場的數(shù)值模擬分析了對旋式軸流泵的內(nèi)部流場特性及前后葉輪之間的流場干涉情況。李秋實等結合實驗對對旋風機對旋葉輪級間流場進行了研究，成功應用CFD對對旋風機昀內(nèi)流場進行了研究。近年來商用軟件在葉輪機械上的成功應用，使得對旋風機的深入細致的內(nèi)流分析更為容易。
2.1計算方法
采用三維雷諾平均守恒型定常Navier-Stokes方程和K—s標準兩方程湍流模型對前、后兩級葉輪構成的集合模型，采用SEGREGATED隱式計算方法，湍流動能、湍流耗散項、動量方程都采用二階迎風格式離散；壓力一速度耦合采用SJMPLE算法。
本模型計算研究中：當進出口的流量誤差小于10
-5，同時各方向的速度參數(shù)和K、￡等參量的計算誤差都小于10 -時，認定當前數(shù)值計算已經(jīng)收斂。
2.2計算模型與網(wǎng)格劃分
計算中對對旋風機在進行數(shù)值模擬的計算區(qū)域包括從進入集流器到離開擴壓器的所有內(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，需將復雜的計算區(qū)域分割，各區(qū)域單獨生成合適的網(wǎng)格節(jié)點。這里對整個流場按主要部件劃分為四個計算區(qū)域，即： 1．集流器流道；2．第一級轉子流道；3．第二級轉子流道； 4．擴壓器流道。其中區(qū)域1、4定義為靜止區(qū)域；區(qū)域2、3為運動域。
2.3邊界及運動條件的確定
第一級轉子和第二級轉子區(qū)域為旋轉區(qū)域，采用旋轉坐標系，流體給定相應的旋轉速度，其他區(qū)域為靜止區(qū)域，采用靜止坐標系。另外對旋風機的自身獨特性，需要采用多參考系模型(MRF)。
定義轉子所有葉片表面為旋轉壁面，由于葉片隨流體旋轉運動，給定相對旋轉速度為0，殼體表面、輪轂表面、整流罩表面均為靜止壁面，旋轉壁面和靜止壁面均滿足無滑移條件。
定義對旋風機的集流器進口截面作為整個計算域的進口，擴壓器的出口截面定義為整個計算域的出口。進口邊界條件給定為設計工況的質(zhì)星進口，出口給定靜壓條件，為大氣壓。進出口湍流動能和湍流動能耗散率均依據(jù)經(jīng)驗公式計算確定。兩級轉子間的交界面使用interface面，上游的出口參數(shù)和下游葉片的進口參數(shù)在交界面上進行耦合計算。
3模型結果分析
3.1模型幾何模型的特點
本模型分析中的對旋結構軸流風機模型選用文獻中結構參數(shù)及氣動性能數(shù)據(jù)較為齊全的OB-84-84B模型機。該風機的研制及實驗工作是由前蘇聯(lián)中央流體動力學研究所與礦山機械和工程控制研究所共同進行的。這種通風機的特點是在設計它的工作輪葉片時考慮了沿半徑的壓力損失變化，該葉片的弦長值，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，其特點是在給定壓力和流量計算值的條件下得到較高的最大效率和擴壓特性曲線的高效率范圍。
該模型機主要設計與結構參數(shù)見表1。
表1模型機主要設計與結構參數(shù)
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流量系數(shù) |
0.225 |
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壓力系數(shù) |
0.75 |
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輪轂比 |
0.6 |
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外徑（mm） |
630 |
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工作轉速（r/min） |
2900/2900 |
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基元翼型 |
NACA對稱翼型 |
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第一級葉片參數(shù) |
12 |
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第二級葉片參數(shù) |
10 |
算選用的對旋軸流通風機結構簡圖，其中1為集流器，2為擴壓器，R1為第一級工作輪，R2為第二級工作輪。其中電機與工作輪直聯(lián)，前后兩級工作輪的旋轉方向相反。
3.2整體及一、二級葉片網(wǎng)格劃分
用GAMBIT形成了1、2級葉輪的非結構化網(wǎng)格，其中對葉片的葉尖、葉根部位進行了局部加密，整個計算區(qū)域劃分網(wǎng)格數(shù)量為150萬左右．其中一、二級葉片區(qū)域劃分的數(shù)量分別為48萬和55萬。
3.3性能預測及與試驗結果的對比
為詳細對比CFD預測性能與實驗氣動性能結果，采用上述方法計算了給定轉速凡= 2900 rlmin時的8個不同流量工況，計算預測結果與文獻[1]中給出的氣動性能略圖結果對比，圖3給出了CFD預測與試驗結果的對比。結果顯示，在流量系數(shù)小于0.22的小流量區(qū)，實驗與預測結果相差在8%左右，而在流量系數(shù)大于0.22后，壓力特性實驗與計算預測精度符合較好，誤差在2%范圍內(nèi)，而在效率的預測時，流量系數(shù)大于0.25后效率與實驗誤差逐步增大。大。顯然在小流量工況下預測計算時采用紊流模型受到了限制，而在大流量范圍內(nèi)能夠較好地預測整機的壓力特性。
3.4設計點工況的內(nèi)流特征與分析
在轉速為n=2940r／min時，設計點的流量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果，顯示為局部通道徑向面上的結果，平均周向回轉面上的速度云圖、等值線及速度矢量圖分布見圖6。
在設計工況下，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葉輪，而該截面又穿過第二級葉片間通道，因此只能局部反映第二級通道流動流速在子午面上分布，第一級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、二級葉片通道中部的速度大小分布結構差異較大。第一級中部徑向面不同位置速度的大小不同，在中部流動速度較低，而輪轂、葉頂位置上速度增加；而在第二級中部徑向位置，通道上下流速分布較好，在葉片邊界部位速度變化明顯，而在中部流動結構顯示，由于一、二級葉片所處的相對位置不同，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稱分布，顯示兩級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，第一級的進口速度分布均勻，顯示具有良好的進氣條件，一級葉片通道內(nèi)的流動速度分布基本均勻，而在出口形成一定的尾跡，影響到兩葉片間的流動速度分布，使二級進口速度分布不均，在二級通道兩側的流動速度分布具有明顯的不穩(wěn)特征。
4結 論
(1)本文結合對旋式軸流風機的特點，對所選模型的結構進行了全流道的CFD模擬分析計算，給出了計算分析方法，預測計算的性能與實驗得到的性能吻合，選用的模型方法對于高效率區(qū)的預測精度相當高，在大流星區(qū)，效率預測與實驗結果誤差在8.8%內(nèi)，驗證了本文處理方法的可靠性，能夠為同類風機的優(yōu)化改型提供幫助。
(2)對設計工況點進行了兩級流道內(nèi)內(nèi)流結構的分析，詳細給出了兩級葉輪周向面、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。結果顯示，設計點上外部性能良好，但其兩級葉輪間的流速分布仍存在很大差異，流速分布顯示一級尾跡對二級進口影響較大。
(3)利用成熟的CFD軟件進行全流道對旋式軸流風機的內(nèi)流分析比過去傳統(tǒng)的數(shù)值模擬方法進行內(nèi)流的分析具有計算速度高，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，有助提高對該形式風機內(nèi)流機理的認識。
