現代煤礦風機系統的機械結構仿真優化設計

楊 剛

（陽煤集團南嶺公司， 山西 陽泉 045000）

引言

在我國部分地區，目前用于向地下供應空氣的主要裝備之一是基于離心風機的多組合風機系統。在這項研究中，Fluent工程分析代碼被用來模擬離心機4VTs-15系統中的聯合操作，風扇設計用于煤礦通風。本文研究的實例為離心機4VTs-15系統，該系統安裝在兩個與吸入和輸送管相連的離心泵相連的風機1—4段上。每個風扇連接到兩個通道（管道）。系統可以在正向模式下運行，但這也取決于可逆門的位置。在正向模式下（送入礦井的空氣）來自空氣加熱器的氣流通過系統的第一級并進入VT-15的吸氣管系統。接下來，通過離心式風扇的空氣通過輸送管道移動到第二階段然后進入礦山[1]。

1 煤礦風扇系統的物理建模

圖1為風扇系統的布局。

圖1 風扇系統的布局

這項工作的目的是確定風扇對給定幾何形狀的聯合操作系統的有效性。但問題是，每一個下一對風扇加入系統不會導致線性（或幾乎線性）增加總氣流量。在這種情況下，物理實驗很難執行，必須進行數學建模。有必要確定每對風扇的貢獻總空氣流量，即計算正向模式中每個風扇的體積空氣流量。這也是識別建筑物的死區并確定速度和氣壓場分布時十分必要的流程。當空氣從空氣加熱器移動到通往礦井的隧道時，靜壓力Ps（在吸氣管段中）和總體積氣流量在實驗中確定的風機Qv（對于在網絡中工作的風機）是問題的邊界條件。

在系統的數學建模中，將其真實模型輸入對應的簡化幾何。圖2為4VTs-15系統的三維模型，以便考慮系統第一階段的幾何形狀。空氣從空氣加熱器移動到吸氣管球迷，計算模型不包括風機。入口條件施加在相鄰的部分Sin上到空氣加熱器，并且模型出口條件被施加在吸氣管的一部分處與風扇1的距離。因此，該型號具有一個入口和四個出口部分（每個風扇一個）。在對集合的操作進行建模時，有必要描述發生的物理過程，使用數值方法解決由此產生的數學問題，并分析結果。

圖2 4VTs-15風扇系統的三維模型

2 仿真結果與分析

為了描述流場，流動部分（變量 u，v，w，和 P）被分成一組有限的控制體積（計算網格）。對于每個網格運動的一些基本方程，將采用連續性方程和方程（k-ε）湍流模型。

計算域首先被劃分為大的元素（被分解），網格就是這些元素隨后構建的一部分。下頁圖3為計算網格的一個片段（網格大小增加了，沒有細化網格），這是系統第一階段的初始條件和邊界條件。解決Napier-Stokes問題方程，它們是偏導數中的非線性微分二階方程，有必要指定初始條件和邊界條件。由于要解決的問題是非平穩的，所以初始條件是在初始時間t0施加在氣流上，指定壓力場和速度，即P=P（x，y，z，t0）和 V=V（x，y，z，t0）。在穩態流動的情況下，指定初始壓力場Ps=Ps（x，y，z）=101 325 Pa，并且速度分量u=v=w=0。

圖3 計算網格的一個片段

對每個部分的靜壓給定的邊界條件進行計算，通往4VTs-15系統的吸氣管道以及給定的總氣流，用于四個風機的運行。在入口處在該模型中，指定風速Vin=13.34m/s，對應空氣流量Qv=132.35m3/s，通過一段面積Sin=9.92m2/s。在區段1—4中，靜態壓力 P1=100 834 Pa，P2=101 030 Pa，P3=101 128 Pa，P4=101 128 Pa。工作機構模型被假定為密度ρ=1.23 kg/m3的不可壓縮空氣[2-3]。

因此，對于系統的流動部分，納維-斯托克斯方程（對于穩態不可壓縮流動）是求解速度和壓力，以及湍流標準（k-ε）模型的方程。在給定的初始條件下和幾何形狀，計算從入口部分到吸入管的空氣參數[4]。獲得的計算結果表示為各種分布特性，例如速度和靜態壓力場（矢量形式）。圖3顯示了第一階段的空氣運動系統。如果風扇同時運轉，需要考慮它們的入口和出口的連接方式。

通過計算可以看出，當氣流離開了4VTs-15風扇沿著輸送管道移動到礦井中時，圖4顯示了氣流流經4VTs-15系統進入礦道的速度場片段。

圖4 氣流流經4VTs-15系統進入礦道的速度場

從圖4可以看出，氣流從4VTs-15系統入口進入，并在輸送管道的部分中穿梭后射入到礦道中，因此，該模型具有四個入口部分（每個風扇一個）和一個出口（位于距離礦井入口一定距離）。氣流在管道內的流動特點是十分明顯的，在靠近入口的部位存在渦流盲區，也就是說，由于氣體流動的黏性，氣體并不總貼著管壁進行移動。對于每個入口管道部分中給定的速度邊界條件執行計算發現，氣體在流動過程中，總是與其他入口的氣流交叉形成渦流，所以，在實際操控中，應該控制四個操作風扇強制進入礦井的空氣總流量，同時還應該考慮系統與分支網絡的連接位置產生的靜壓。因為當風扇同時在吸入和輸送模式下運行時，應該盡量避免渦流帶來的不必要流動阻力和設備磨損。從計算來看，每個風扇流動速度控制在V1=15.4 m/s，V2=12.4m/s，V3=12.5m/s，V4=14.9m/s 這個值所有時，可以較好地避免渦流的產生，從而提高4VTs-15風機系統的運行效率。

3 4VTs-15系統的優化

因為導致總數減少的主要因素氣流（特別是對于第二對風扇）是在系統的第二階段沒有充足的空氣流出，有必要確定輸送管道的最佳位置，以盡量減少氣流的干擾。

圖5為具有不同配送方式的風扇系統的原始布局和優化布局管道。根據圖5-2所示的布局，風扇被連接到風扇系統的主要階段并排列成棋盤格形式。圖5-3顯示了優化布局，據此管道與箱體表面的傾角從45°降至35°。

圖5 不同配送方式的風扇系統的管道原始布局和優化布局

圖4顯示了氣流速度分布對應于圖5-3所示的布局。在這種情況下，總風量Qv=141.73m3/s。因此，通過使用優化布局，與原始布局相比，優化后的布局氣流速率增加了7.2%（風扇系統的原始布局氣流速率為132.35m3/s）。應該注意的是，由于外部優化方法的限制（即，在主箱外），流量增加9.53m3/s即是一個好的優化結果。