叶片数量对KJS-Y型降尘风机气动性能的影响分析

张立祥，陈岳松，方宏勋

（安徽理工大学机械工程学院，安徽 淮南 232001）

在煤矿开采时难免会产生大量灰尘，其质量浓度或体积浓度较大，能见度低[1-2]，造成工人工作环境差，不利于工人身体健康，亟须进行改善与处理[3]。而降尘风机工作时的全压和全压效率这两个气动性能指标与粉尘的净化效率有着很大关联[4]，因而，如何提高降尘风机的全压和全压效率[5]，在改善工人工作环境的同时降低能量损耗，提高煤炭开采公司的经济效益，成为了目前风机设计生产公司及其研究人员不断深入研究的课题之一。

本文主要将KJS－Y 型降尘风机作为主要研究对象[6]，首先利用CATIA 构建几何模型；然后采用mesh 划分网格，为后面分析做好铺垫；最后使用数值分析软件Fluent 进行试验仿真分析计算以及后处理[7]。经过对不同叶片数量风机的主要气动性能指标进行比较，进而分析得到最佳叶片数量[8]。

1 基本理论

在轴流风机内部，由于内部流场流动较为繁杂，而非简单的管内稳流，这里面由于各种结构的布置，扰乱了流场，随之产生非预测性的紊流。因此，在KJS－Y 型降尘风机的内部，流场的分布情况是非常规性的，具有其本身的复杂性。然而在分析此类繁杂流场时，需要对流场进行简化，否则其计算量远远超过普通计算机或者工作站所能达到的算力极限，而且极为复杂的情形也不利于计算过程的收敛性，使得计算结果与实际情况差距较大。

1.1 流体的三大方程关系式

针对KJS－Y 型降尘风机内部流场，通过不可压缩的定常流场来近似地描述，得到以下三大方程关系式。

1.1.1 连续性方程

流体都遵循流体的连续性方程，其表达式为

式中：ρ 为流体密度，kg/m3；t 为时间，s；μ 为流体速度矢量；μx，μy，μz分别为在x、y、z 3 个方向上的速度矢量分量。

假如风机内部流体是以稳定状态流动的，则内部流场的流体密度不会改变，即，这时候流体的连续性方程就为

1.1.2 能量方程

流体的能量守恒定律可以描述为：某流体实际能量的增加等于此流体与外界交换的热量与其所做的功之和。由流体的能量守恒定律，得到流体的能量方程为

式中：T 为温度，K；k 为流体传热系数；cp为比热容，J/（kg·K）。

考虑到KJS－Y 型降尘风机内部流体不可压缩，而且在其内部发生的有关能量的转换少之又少，因此在对KJS－Y 型降尘风机进行数值分析时，能量方程可近似认为不参与。

1.1.3 动量方程

流体的动量方程的物理意义在于：流体在一定时间内的动量变化率与施加在这段时间内的力相等。流体的动量方程为

式中：p 为微元流体受到的压力，Pa；τij为黏性应力的分量，Pa；Fx，Fy，Fz为单位流体受到的体积分量，N。

1.2 风机的效率

风机的效率可以直观说明在风机内部的空气流动过程中的能量消耗状况，是检验一台风机性能优劣程度的关键参数。降尘风机的全压效率指风机全压有效功率与轴功率的比值，其计算公式为

式中：ptF为全压，Pa；Qv为单位时间内通过出口截面的体积流量，m3/h；T 为力矩，N·m；ω 为叶轮角速度，rad/min；n 为叶轮转速，r/min。

2 模型的建立和计算分析

2.1 建模、网格划分以及边界条件设置

本文使用3D 扫描仪测出KJS－Y 型降尘风机的实际尺寸；利用CATIA 构建KJS－Y 型降尘风机的几何模型（见图1）；将其导入DM 进行分块并进行边界命名；再将其导入mesh 进行网格划分，由于此降尘风机内部比较繁杂，对比分析多种网格的优势和劣势，并进行简单流场分析，选择将内部相对静止的流域划分为结构化网格，而将叶片周围流域划分为非结构化网格，这样较为恰当；将划分好的网格导入数值分析软件Fluent，设置边界条件，进行试验仿真分析计算；在后处理软件CFD－post 中得到流场相关参数。

图1 利用CATIA 构建的KJS-Y 型降尘风机的几何模型

为了使结果具有可对比性，采用控制变量法，并采用相同的cas 文件设置，只改变模型的参数（即叶片数量z 从5 增加至10），进行试验仿真分析，其方案见图2。

图2 叶片数量试验仿真分析方案

2.2 不同叶片数量风机的气动性能指标分析

对于不同叶片数量的KJS－Y 型降尘风机，利用数值分析软件Fluent 进行试验仿真分析，分析结果见第130页表1；由此对不同叶片数量风机的气动性能指标进行比较与分析，得到叶片数量与气动性能指标的关系，见图3。

表1 叶片数量试验仿真分析结果

图3 叶片数量与气动性能指标的关系

由图3 可以发现，KJS－Y 型降尘风机的叶片数量－全压曲线和叶片数量－全压效率曲线均是成小山丘状的。在相同工况下，随着叶片数量的增加，叶片的有效总面积增大，叶片对流场作用产生的能量也越大，因此，KJS－Y 型降尘风机的关键气动性能指标（静压、动压、全压以及全压效率） 也相应增大。然而当叶片数量增加至大于8 个时，这时叶栅稠度增大，叶片周围流场受到剧烈的扰动，而且叶片本身有效总面积增大，占据大量的风筒流道，这使得当叶片数量增加至一定数量后入口负压反而开始逐渐回落，同时KJS－Y 型降尘风机的动压、全压以及全压效率都随之下降。综合分析可知，KJS－Y型降尘风机的叶片数量取8 个较为合适，此时其带来的风量以及全压效率都处于较高水平。

3 结束语

本文采用Workbench 20．1 平台，对KJS－Y 型降尘风机实行了数值模拟，通过控制变量，分析了由于叶片数量不同而引起气动性能指标的变化，结论如下。

1） 在其他条件相同的情况下，KJS－Y 型降尘风机随着叶片数量的增加，其全压与全压效率所呈现的趋势都是先升后降，这样叶片数量必然会存在一个性能最优点。

2） 从理论上来讲，降尘风机的出口全压会随着其叶片数量的增加而提升，然而实际情况是先升后降。当叶片数量增加至大于8 个时，叶栅稠度增大，叶片周围流场受到剧烈的扰动，而且叶片本身有效总面积增大，占据大量的风筒流道，这使得当叶片数量增加至一定数量后入口负压反而开始逐渐回落，同时KJS－Y 型降尘风机的动压、全压以及效率都随之下降。综上所述，KJS－Y 型降尘风机最佳叶片数量应取8 个。