现代煤矿风机系统的机械结构仿真优化设计

杨 刚

（阳煤集团南岭公司， 山西 阳泉 045000）

引言

在我国部分地区，目前用于向地下供应空气的主要装备之一是基于离心风机的多组合风机系统。在这项研究中，Fluent工程分析代码被用来模拟离心机4VTs-15系统中的联合操作，风扇设计用于煤矿通风。本文研究的实例为离心机4VTs-15系统，该系统安装在两个与吸入和输送管相连的离心泵相连的风机1—4段上。每个风扇连接到两个通道（管道）。系统可以在正向模式下运行，但这也取决于可逆门的位置。在正向模式下（送入矿井的空气）来自空气加热器的气流通过系统的第一级并进入VT-15的吸气管系统。接下来，通过离心式风扇的空气通过输送管道移动到第二阶段然后进入矿山[1]。

1 煤矿风扇系统的物理建模

图1为风扇系统的布局。

图1 风扇系统的布局

这项工作的目的是确定风扇对给定几何形状的联合操作系统的有效性。但问题是，每一个下一对风扇加入系统不会导致线性（或几乎线性）增加总气流量。在这种情况下，物理实验很难执行，必须进行数学建模。有必要确定每对风扇的贡献总空气流量，即计算正向模式中每个风扇的体积空气流量。这也是识别建筑物的死区并确定速度和气压场分布时十分必要的流程。当空气从空气加热器移动到通往矿井的隧道时，静压力Ps（在吸气管段中）和总体积气流量在实验中确定的风机Qv（对于在网络中工作的风机）是问题的边界条件。

在系统的数学建模中，将其真实模型输入对应的简化几何。图2为4VTs-15系统的三维模型，以便考虑系统第一阶段的几何形状。空气从空气加热器移动到吸气管球迷，计算模型不包括风机。入口条件施加在相邻的部分Sin上到空气加热器，并且模型出口条件被施加在吸气管的一部分处与风扇1的距离。因此，该型号具有一个入口和四个出口部分（每个风扇一个）。在对集合的操作进行建模时，有必要描述发生的物理过程，使用数值方法解决由此产生的数学问题，并分析结果。

图2 4VTs-15风扇系统的三维模型

2 仿真结果与分析

为了描述流场，流动部分（变量 u，v，w，和 P）被分成一组有限的控制体积（计算网格）。对于每个网格运动的一些基本方程，将采用连续性方程和方程（k-ε）湍流模型。

计算域首先被划分为大的元素（被分解），网格就是这些元素随后构建的一部分。下页图3为计算网格的一个片段（网格大小增加了，没有细化网格），这是系统第一阶段的初始条件和边界条件。解决Napier-Stokes问题方程，它们是偏导数中的非线性微分二阶方程，有必要指定初始条件和边界条件。由于要解决的问题是非平稳的，所以初始条件是在初始时间t0施加在气流上，指定压力场和速度，即P=P（x，y，z，t0）和 V=V（x，y，z，t0）。在稳态流动的情况下，指定初始压力场Ps=Ps（x，y，z）=101 325 Pa，并且速度分量u=v=w=0。

图3 计算网格的一个片段

对每个部分的静压给定的边界条件进行计算，通往4VTs-15系统的吸气管道以及给定的总气流，用于四个风机的运行。在入口处在该模型中，指定风速Vin=13.34m/s，对应空气流量Qv=132.35m3/s，通过一段面积Sin=9.92m2/s。在区段1—4中，静态压力 P1=100 834 Pa，P2=101 030 Pa，P3=101 128 Pa，P4=101 128 Pa。工作机构模型被假定为密度ρ=1.23 kg/m3的不可压缩空气[2-3]。

因此，对于系统的流动部分，纳维-斯托克斯方程（对于稳态不可压缩流动）是求解速度和压力，以及湍流标准（k-ε）模型的方程。在给定的初始条件下和几何形状，计算从入口部分到吸入管的空气参数[4]。获得的计算结果表示为各种分布特性，例如速度和静态压力场（矢量形式）。图3显示了第一阶段的空气运动系统。如果风扇同时运转，需要考虑它们的入口和出口的连接方式。

通过计算可以看出，当气流离开了4VTs-15风扇沿着输送管道移动到矿井中时，图4显示了气流流经4VTs-15系统进入矿道的速度场片段。

图4 气流流经4VTs-15系统进入矿道的速度场

从图4可以看出，气流从4VTs-15系统入口进入，并在输送管道的部分中穿梭后射入到矿道中，因此，该模型具有四个入口部分（每个风扇一个）和一个出口（位于距离矿井入口一定距离）。气流在管道内的流动特点是十分明显的，在靠近入口的部位存在涡流盲区，也就是说，由于气体流动的黏性，气体并不总贴着管壁进行移动。对于每个入口管道部分中给定的速度边界条件执行计算发现，气体在流动过程中，总是与其他入口的气流交叉形成涡流，所以，在实际操控中，应该控制四个操作风扇强制进入矿井的空气总流量，同时还应该考虑系统与分支网络的连接位置产生的静压。因为当风扇同时在吸入和输送模式下运行时，应该尽量避免涡流带来的不必要流动阻力和设备磨损。从计算来看，每个风扇流动速度控制在V1=15.4 m/s，V2=12.4m/s，V3=12.5m/s，V4=14.9m/s 这个值所有时，可以较好地避免涡流的产生，从而提高4VTs-15风机系统的运行效率。

3 4VTs-15系统的优化

因为导致总数减少的主要因素气流（特别是对于第二对风扇）是在系统的第二阶段没有充足的空气流出，有必要确定输送管道的最佳位置，以尽量减少气流的干扰。

图5为具有不同配送方式的风扇系统的原始布局和优化布局管道。根据图5-2所示的布局，风扇被连接到风扇系统的主要阶段并排列成棋盘格形式。图5-3显示了优化布局，据此管道与箱体表面的倾角从45°降至35°。

图5 不同配送方式的风扇系统的管道原始布局和优化布局

图4显示了气流速度分布对应于图5-3所示的布局。在这种情况下，总风量Qv=141.73m3/s。因此，通过使用优化布局，与原始布局相比，优化后的布局气流速率增加了7.2%（风扇系统的原始布局气流速率为132.35m3/s）。应该注意的是，由于外部优化方法的限制（即，在主箱外），流量增加9.53m3/s即是一个好的优化结果。