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水簾廠家_多翼離心通風機內(nèi)部流場數(shù)值JK系列礦用局部風機設計提
近年來，隨著計算機軟硬件水平和計算流體力學（ CFD ）技術(shù)的飛速發(fā)展，更多的湍流模型和計算方法應用于風機內(nèi)部的三維流動計算中，使人們對風機內(nèi)部流場有了更深入地了解；而大型商用 CFD 軟件的出現(xiàn)給風機的數(shù)值模擬又帶來了更大的便利，使用該軟件對風機內(nèi)部流場進行全三維的數(shù)值模擬，其結(jié)果更加真實可信。
多翼離心通風機以其體積小、結(jié)構(gòu)緊湊和低噪聲等優(yōu)點在國民經(jīng)濟的各個領域都有著廣泛的應用，并在很多特殊使用場合下被公認為是一種最理想的風源設備。為此，本文針對某型吸油煙機（吸油煙機的主體部件就是多翼離心通風機）采用 Fluent 軟件進行全三維的數(shù)值模擬，并對模擬計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行了對比，吻合較好，同時對流場進行了分析。
1 數(shù)值模擬1.1 幾何建模和網(wǎng)格劃分
采用 Fluent 軟件的前處理軟件 Gambit 進行幾何建模和網(wǎng)格劃分。吸油煙機主要由多翼離心葉輪、蝸殼和機殼組成，由于蝸殼的不對稱性，不能通過定義周期性邊界條件實施單通道流域計算，應取整機作為計算對象 [1] ，同時考慮到吸油煙機結(jié)構(gòu)的復雜性以及煙機各個部件尺寸的不同，因此將整個計算域分成 4 個互相連接的流體區(qū)域：機殼區(qū)域（機殼和蝸殼之間的流道）、葉輪進口區(qū)域（進風圈與葉輪之間的流道）、葉輪區(qū)域（ 60 個前向的單圓弧非扭曲葉片之間的流道）和蝸殼區(qū)域（葉輪和蝸殼之間的流道）。
對以上 4 個流體區(qū)域的連接面，有兩種處理方法：一種方法是將連接面定義為內(nèi)邊界 (interior) ，此時就要在幾何建模階段使這個面相鄰的兩個區(qū)域共用這個面；另一種方法是將連接面定義為交界面 (interface) ，此時在幾何建模階段，對這個面相鄰的兩個區(qū)域分別定義一個面，而這兩個面的幾何位置和形狀是相同的，但擁有不同的名稱和標記，并可采用不同的網(wǎng)格類型。采用第一種方法，在計算中不需要進行任何處理；若采用第二種方法，則在計算中需要通過 Fluent 中的 Define/Grid interface 來實現(xiàn)這兩個面的數(shù)據(jù)交換 [2] 。
劃分網(wǎng)格時，根據(jù)各個流體區(qū)域的大小采用不同類型、不同大小的網(wǎng)格（非結(jié)構(gòu)化的三棱體和四面體網(wǎng)格），整個計算域一共劃分了約 70 萬個網(wǎng)格，如圖 1 所示。
1.2 計算參數(shù)設定及邊界處理
考慮到所計算的煙機進出口溫度變化不大，同時流速也不高，因此把流動區(qū)域的介質(zhì)看作不可壓縮氣體，采用 SIMPLEC 算法求解速度和壓力的耦合問題。
多翼離心通風機的內(nèi)部流態(tài)是湍流，在計算中采用標準的 k- ε湍流模型，對近壁面區(qū)域采用壁面函數(shù)法進行處理。也有文獻模擬離心通風機內(nèi)部流場時用的湍流模型是 RNG k-ε模型[1]和realizable k-ε模型[3] 。
進出、口邊界條件均選定為壓力邊界條件，固壁邊界滿足無滑移條件。
另外，由于多翼離心通風機是旋轉(zhuǎn)機械，其中葉輪區(qū)域是旋轉(zhuǎn)的，而其它部分是靜止的，因此在計算中要采用多重參照系，葉輪區(qū)域作為獨立的區(qū)域定義為旋轉(zhuǎn)參照系，其它流動區(qū)域均為靜止的。
計算中在采用標準 k- ε湍流模型的同時，也分別采用 RNG k- ε模型和 realizable k- ε模型進行了計算，并把計算所得的風機的最大流量和截止風壓（簡稱風壓）與試驗測量的數(shù)值進行了對比，見表 1 。
表 1 數(shù)值結(jié)果與試驗結(jié)果對比
流量 /(m3 /min)
風壓 /Pa
標準 k- ε模型
15.47
256
RNG k- ε模型
15.53
260
realizable k- ε模型
15.51
259
試 驗
14.83
252
從表1中看出，采用的3種 k- ε湍流模型所得到的結(jié)果極為接近，并且與試驗結(jié)果也比較吻合，這說明數(shù)值模擬的結(jié)果是合理的，計算方法是可靠的，同時也說明這3種k- &epsilon,PVC水簾好;模型在計算風機內(nèi)部流場的結(jié)果是可信的。
從表1中同樣看出，數(shù)值結(jié)果比試驗測量結(jié)果偏大，這主要是由于在建模階段對煙機的部分區(qū)域進行了簡化處理，導致摩擦損失、輪阻損失和泄漏損失比試驗測量結(jié)果偏小的緣故 [4,5] 。
3 流場分析圖2是風機的整機流線圖，從圖中可看出，風機內(nèi)部的流場非常復雜，尤其是在風機葉輪的進口處。氣流從進氣口進入機殼后，大部分直接進入到旋轉(zhuǎn)的葉輪中得到加速，而其余的部分則通過蝸殼和機殼之間的區(qū)域流入葉輪中，從而在葉輪上方形成了兩個漩渦，這些漩渦的存在不僅影響了風機的氣動性能（如流量、壓力等），而且會帶來一些噪聲的增加，因此風機進氣條件的好壞對這些漩渦的產(chǎn)生發(fā)展有著直接的影響，從而影響著風機的性能。
圖 3 和圖 4 給出了風機葉輪截面的壓力分布，從圖中看出，在靠近蝸殼出口處的葉輪通道內(nèi)的壓力分布與其它部分的葉輪通道內(nèi)的壓力分布的明顯不同。從總壓分布圖上來看，越靠近葉輪外緣的地方壓力越高。
圖 5 和圖 6 給出了風機葉輪截面的速度分布。就整個葉輪的速度分布情況來看，它與總壓的分布十分類似，也說明了在靠近風機蝸殼出口處的葉輪通道與其它葉輪通道速度分布的明顯不同。速度和壓力在各個葉輪通道分布的不同也正好說明了在計算時，不能采用通過定義周期性邊界條件實施的單通道流域計算的方法，而要進行整機的計算。從速度分布中同樣可以看出，氣流在葉輪外緣處的速度比較大，而且氣流在蝸殼內(nèi)的速度分布，除了在靠近蝸殼出口處分布明顯不均外，其余部分的分布情況差別不是很明顯。
圖 7 （圖中速度矢量之間的空白區(qū)域為葉片所在的位置）給出了葉輪通道內(nèi)部的速度分布，從分布圖中可看出，氣流在葉片進口處和輪緣處的流動非常復雜，有漩渦的存在。因此，葉輪葉片進出口角度選定的好壞對葉輪的氣動性能乃至風機的性能有著很大的影響。
就多翼離心通風機的葉輪來說，圖 8 和圖 9 分別給出了葉輪進口角度增大 5 °和減小 5 °時，葉輪通道內(nèi)部的速度分布情況。從分布圖上看出，角度改變前后，葉輪通道的內(nèi)部流動并無明顯改善；從流量上來看，角度增大 5 °時流量為 15.53m 3 /min ，角度減小 5 °時流量為 15.42m 3 /min ，與原型相比，效果甚微。經(jīng)過反復的計算分析，并鑒于本風機葉片進口角較小的可調(diào)范圍，可知通過調(diào)節(jié)葉片進口角來有效地提高此風機的性能是很難實現(xiàn)的。
圖 10 給出了風機蝸舌區(qū)域的流動情況。從圖上可看出在這一區(qū)域，一部分流體直接流向出口，而另外一部分則隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)重新流入蝸殼中，從而在蝸舌附近產(chǎn)生漩渦，進而影響風機的性能。
4 結(jié)論應用計算流體動力學的方法對多翼離心通風機進行三維的內(nèi)部流場數(shù)值模擬，從流場圖來看，風機的內(nèi)部流動非常復雜。試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的對比分析驗證了數(shù)值模擬較好的準確性和可信度，從而在實際工程中，可用數(shù)值模擬來代替部分試驗，以達到縮短周期、節(jié)省開發(fā)費用的目的。通過數(shù)值模擬同時可以獲得風機內(nèi)部速度和壓力等參數(shù)的分布情況，有助于了解風機內(nèi)部流動規(guī)律，為風機的改進設計提供參考。此外，此方法還可以用來檢驗現(xiàn)有風機的性能，判別其是否能夠達到設計指標。
JK系列礦用局部風機設計
JK系列礦用局部扇風機
高效節(jié)能低噪聲的JK系列礦用局部扇風機（簡稱局扇），是根據(jù)冶金、有色、黃金、化工、建材和核工業(yè)等各類非煤礦山局部通風的需要設計的，適用于各種規(guī)格斷面的井巷掘進通風、采場和電耙道引風、無底柱分段采礦法進路通風、其它局部通風以及某些輔助通風。也可用于隧道施工、地下工程施工等需要用風筒送風的場合通風。
JK系列局扇的設計，綜合考慮了各類局部通風作業(yè)面所需的排塵排煙風量、風筒送風距離、常用風筒規(guī)格、風阻值，以及礦井內(nèi)的使用條件等。JK系列局扇分為單級工作輪JK-1、雙級工作輪JK-2和對旋運轉(zhuǎn)DJK等三類。其中JK40系列局扇和DJK50系列對旋局扇可以直接安裝在巷道底板上，也可以懸掛安裝在巷道的幫壁上或頂板下。
JK系列局扇具有以下特點：
（1）運轉(zhuǎn)效率高。單級和雙級工作輪最高全壓效率分別為92%和83%，對旋型最高全壓效率為85%，比原JF系列局扇提高20%-30%，具有明顯的節(jié)電效果。
（2）規(guī)格齊全，適應性強。局扇的風量和全壓的值有各種不同的組合，送風距離從80米到600米不等（串聯(lián)運用送風距離可達1200米以上），可滿足用戶各種不同的需要。
（3）體積較小，重量較輕，移動靈活方便。在其性能與JF系列局扇基本相同時，體積減小20%—30%，重量減輕20%—30%。
（4）噪聲較低。在空曠場合實測JK№.4局扇的噪聲不超過86db(A)。如果用戶對局扇的噪聲有特殊要求，我廠可配套消聲器，請在訂貨時作出說明。
DJK系列局扇的電機均為2極，其轉(zhuǎn)速為2860-2930r/min。
DJK系列局扇的主要技術(shù)參數(shù)，見表1。
JK系列局扇的系列和機號（型號）表示方法如下：
JK 58 – 1 №.4
礦用局部扇風機 ,負壓風機降溫方案; 機號為4，工作輪直徑D=400mm；
（“DJK”為對旋局扇） “№.3”， 機號為3，D=300mm；
“№.5”， 機號為5，D=500mm；
輪轂比d=0.58，“56&rdquo,整體廠房降溫通風;為d=0.56 其余類推。
“67”為d=0.67，“55”為d=0.55 單級工作輪，“2”為雙級工作輪
“40”為d=0.40，“50”為d=0. 50
第卷第期年月工程熱物理學報提高葉片局部粗糙度對風機效率影響的實驗研究霍福鵬孟繁娟鐘洪亮陳佐一蔣正苗楊乃鐸孫穩(wěn)立清華大學熱能工程系，北京北京風機二廠，北京摘要通過對三種風機在葉片上進行了加大局部粗糙度的實驗，研究了風機葉片上不同位置的粗糙度變化對風機效率的影響，發(fā)現(xiàn)風機葉片內(nèi)弧尾緣加大粗糙度時風機的效率會提高。
實驗得到了通過增加葉片局部粗糙度提高風機效率的粗糙帶最佳寬度及其位置，并對不同的粗糙度對效率的影響進行了初步的探討。
本工作為風機節(jié)能開辟了一條新路。
關鍵詞風機葉片變粗糙度節(jié)能冬不目叮舀在傳統(tǒng)的理論及現(xiàn)行的葉片設計與加工中，為了保證較好的氣動性能，要求透平與壓氣機的葉片表面盡可能光潔。
而最新的理論研究表明，在葉片局部加大粗糙度會使葉片的升阻比呈某一規(guī)律性變化，而在適當?shù)奈恢眉哟蟠植诙�，葉片的升阻比會有所提高。
在相應的實驗中也發(fā)現(xiàn)，對孤立的葉片和平面葉柵中的葉片加大其內(nèi)弧尾緣的粗糙度，升阻比確有一定的提高。
但這種葉片的升阻比的提高在實際工作的葉輪機械中對效率的影響是如何體現(xiàn)的，同時不同位置的粗糙度變化對風機效率影響的規(guī)律，目前在國際國內(nèi)均未見系統(tǒng)的實驗研究。
本文對加大葉片局部粗糙度引起的風機效率變化進行了研究，初步給出了在不同位置加大粗糙度對風機效率影響的曲線，并給出了在不改變?nèi)~型條件下僅通過增加葉片局部粗糙度能提高風機效率的具體位置，為在不改變?nèi)~型條件下提高壓氣機及透平的效率開辟了一條新路。
實驗方法實驗由北京風機二廠分別選取了三種型號的風機進行了對比實驗，在有計劃的加大風機葉片某些部位的粗糙度的情況下對比風機的效率，從而確定局部粗糙度變化對風機效率的影響。
加大葉片局部粗糙度的方法是在較光滑的風機葉片表面貼粗糙帶，本實驗采用的粗糙帶為普通砂紙。
在實驗中粗糙帶未發(fā)生翹起脫落等異常情況，砂紙的厚度與重量對風機的影響均可以忽略不計。
可以認為風機效率的變化僅與粗糙帶的位置與粗糙度的大小有關。
實驗的對比結(jié)果為風機的流量一效率變化曲線，對比兩種情況的最大效率。
實驗結(jié)果與討論對不同的風機，實驗發(fā)現(xiàn)一些共同的結(jié)果日期一修訂日期一基金項目國家自然科學基金重點資助項目霍福鵬一男(滿族)，遼寧鞍山人，博士研究生，主要從事氣動熱力學研究。
工程熱物理學報卷在風機葉片壓力面的不同位置粘貼相同寬度的粗糙帶，風機的效率隨粗糙帶的位置變化而變化，如圖所示。
(其中為粗糙帶的寬度，為粗糙帶的后沿到葉片出氣邊的距離)從實驗結(jié)果可以得出，在內(nèi)弧風機效率隨粗糙帶從尾緣向前緣移動而逐步降低，在背弧則是加粗糙帶效率均比不加粗糙帶低。
在內(nèi)弧尾緣粘貼不同寬度的粗糙帶，風機效率隨粗糙帶寬度變化而變化。
對軸流式風機和一離心式風機的實驗結(jié)果如圖所示。
在葉片壓力面尾沿貼適當寬度的粗糙帶后風機的效率確有提高，其效率的提高可達到以上。
對不同的葉型存在不同的最佳粗糙帶寬度，此時達到最高效率，若粗糙帶的寬度再提高，效率的增加將降低。
對兩種風機進行了最佳寬度的實驗。
圖是軸流式風機在最佳寬度條件下效率與流量的關系圖。
測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)最佳寬度約為對一離心式風機的實驗結(jié)果和圖相對照可以發(fā)現(xiàn)風機的最大效率點對應的最佳寬度大約哥校。石8刁卜不加刁卜二刁卜月卜哥叔刁卜不加一悶。
一二才悶卜流量丫流量丫圖內(nèi)弧不同位置增加粗糙度對比圖型軸流風機加不同寬度粗糙帶效率對比哥族刁卜不加月卜了一J卜一二一悶卜一二0八矛瓣校流量刁卜二刁卜不加流量丫圖一離心式風機加不同寬度粗糙帶對比圖型軸流風機最佳寬度粗糙帶和不加粗糙帶對比同時，實驗還對粗糙帶粗糙度的大小變化對于風機效率的影響進行了初步研究。
粗糙度的變化主要是采用不同粗糙度的砂紙來保證。
圖是型軸流式風機的不同粗糙帶的效率對比圖。
由該圖可以得出粗糙度較大的情況下該風機的效率比較高。
通期霍福鵬等提高葉片局部粗糙度對風機效率影響的實驗研究過分析，粗糙度也應存在一個最佳值，超過該最佳值效率將下降。
實驗的結(jié)論風機效率隨粗糙帶在內(nèi)弧從尾緣向前緣移動而逐步降低，在背弧加粗糙帶效率降低。)在葉片內(nèi)弧尾緣貼適當寬度的粗糙帶后風機的效率提高，最大可以達到以上。
對不同的葉型有不同的寬度范圍。
每一個葉型存在其最佳寬度，在該點風機的效率達到最大值。
哥校一刁卜一不加悶卜一~粗糙度大刊`一粗糙度小流量丫圖不同粗糙度情況對比)在一定的范圍內(nèi)提高粗糙度，風機效率增加。
實驗結(jié)論的應用前景利用在葉片局部增加粗糙度的方法來提高二維葉片和翼型的升阻比的理論研究，數(shù)值模擬及實驗研究均已證明，該方法是可行且有價值的。
本實驗是在實際運行的風機上進行的，通過實際的測量也證明了在實際應用上該方案是可行的。
現(xiàn)有的結(jié)果可以應用于壓氣機和風機的節(jié)能，也可應用于風力透平的高效率發(fā)電。
參考文獻孟繁娟，吳永芬，陳佐一提高葉柵葉片升阻比的新舉措的實驗研究。
見中國工程熱物理學會熱機氣動熱力學學術(shù)會議論文集，洛陽，一鐘洪亮，孟繁娟，陳佐一風力透平葉片表面增加局部粗糙度對升阻比影響的數(shù)值分析。
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其中提到“應把交流電機調(diào)速節(jié)電作為重點措施，認真推廣。”在另一文《評價企業(yè)合理用電技術(shù)導則》中指出：“對泵、風機等用電設備，需要調(diào)節(jié)流量時，應采用電動機調(diào)速控制代替閥門控制�！眹医�(jīng)委（87）78號文件《交流電機調(diào)速驅(qū)動節(jié)電技術(shù)座談會紀要》中也指出：“交流電動機變頻驅(qū)動是我國近年發(fā)展較快的新技術(shù)。這種技術(shù)用于變負荷的風機水泵和其他設備，可比閥門擋板節(jié)流等方法節(jié)約更多的電力�！眹翌I導人及有關領導部門的關懷重視和專家教授推薦提倡恰恰說明風機泵類負載的變頻技術(shù)改造節(jié)電顯著，勢在必行，意義重大。
機泵類負載變頻技術(shù)改造的優(yōu)點
1、在風機泵類負載運行中，其輸入的能量，約15~20%被電機和風機（或電機和泵）本身所消耗，約35~50%被擋板或風門節(jié)流所消耗。前者可通過采用高效電機及高效風要來降低，后者則可通過采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)流量來取消。因為對風機水泵來說，其軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比。所以，如果通過調(diào)速將流量降到滿載時的80%，則所需軸功率可減少一半（理論上）。實踐及理論均已證明，采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)流量節(jié)電可達20%到60%。
一臺鍋爐在選用與其配套的風機容量時，均是按鍋爐的最大蒸發(fā)量予以考慮，且留有 20%風壓和20%流量的裕量。這就是說，即使鍋爐全載運行，其風門開度也不會是100%，最多僅能達到80%左右，此外，風機在選用其配套電動機時，也留有一定裕量。因而在鍋爐的正常運行中，其電動機總是處于不全載情況下運行。上面兩種情況，使得采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)流量要節(jié)約更多的電能。
1、風門或擋板調(diào)節(jié)流量，可調(diào)性能差，非線度大，反應速度慢，不準確。而且在風門或擋板開度很小時，電機的輸入功率仍然很大。采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)流量（此時風門或擋板處于全開位置），不僅可調(diào)性能好，反應速度快，而且線性度和準確性均很高。如采用閉環(huán)控制，則水位控制精度可達±10毫米，汽壓控制精度可達±5%，負壓控制精度可達±3Pa。
2、與計算機接口，接受計算機的指令來改變變頻器的輸出頻率。這種控制方式可使鍋爐始終在最佳狀態(tài)下運行。這不僅可將鍋爐的熱效率提高3%，同時也具有約5%的節(jié)煤作用。
3、輕勞動強度，降低噪音、粉塵，從而減少了對環(huán)境的污染。
鍋爐風機水泵變頻技術(shù)改造方案的選擇
根據(jù)鍋爐的容量、臺數(shù)、資金、操作維修人員的技術(shù)水平可有各種不同的選擇。
1、有一臺10噸以下的單臺鍋爐或6噸以下的多臺鍋爐，可選一臺鍋爐（選較大者）進行引風機和鼓風機變頻技術(shù)改造。變頻器的輸出頻率手工調(diào)節(jié)，可保留原有的工頻運行功能。
2、多臺10噸或多臺20噸的鍋爐房，可安裝一套引風機鼓風機變頻驅(qū)動裝置。此裝置包括兩臺變頻器，一臺驅(qū)動引風機，一臺驅(qū)動鼓風機。這套變頻驅(qū)動裝置，可根據(jù)需要驅(qū)動任一臺鍋爐的引風機和鼓風機，而同時每臺鍋爐的引風機和鼓風機仍保留原有的工頻運行功能。一臺變頻驅(qū)動裝置可驅(qū)動鍋爐的臺數(shù)不超過三臺。
3、對于40噸以上的鍋爐，一般情況下一套變頻驅(qū)動裝置只驅(qū)動一臺鍋爐，且可保持原有的工頻運行功能。
4、鍋爐房的補水泵，可采用一般生活供水系統(tǒng)的變頻驅(qū)動裝置，一帶一或一帶多臺補水泵。與一般生活供水系統(tǒng)不同的是反饋量是上鍋筒的水位
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