高湿环境下对旋风机内流场及噪声特性研究.pdf
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1、:216ntStrotating fan in high humidity environmentJ.Safety in Coal Mines,2023,54(8):216-222.移动扫码阅读ZHANG Haorui,JIANG Hua,WU Yanni,et al.Study on internal flow and noise characteristics of counter-(8):216-222.张浩睿,姜华,吴燕显环境下对旋风机内流场及,2023,54Safety inCoal Mines2023年8 月Aug.2023第54卷No.8Vol.54煤砺发全第8 期D0I:10.
2、13347/ki.mkaq.2023.08.029高湿环境下对旋风机内流场及噪声特性研究张浩睿,姜华1,吴燕妮,宫武旗?(1.西安科技大学能源学院,陕西西安7 10 0 54;2.西安交通大学能源与动力工程学院,陕西西安7 10 0 49)摘要:为了研究矿井不同湿度环境下对旋风机内流场及气动噪声的影响特性,采用大涡模拟和FW-H声学模型对环境相对湿度分别为0、2 5%、50%、7 0%、8 0%、9 0%、10 0%条件下对旋风机流场进行数值模拟,分析内流场涡结构及气动噪声变化规律。结果表明:随着相对湿度增大,风机静压、功率和效率均呈线性趋势降低,风机叶顶泄露涡强度降低,在进出口的监测点上,声
3、压级均有不同程度的降低;相对湿度每升高10%,压升降低2.0 8%左右,功率降低1.9%左右,效率降低0.57%左右,各监控点A声级降低0.9%。关键词:对旋风机;大涡模拟;FW-H声学模型;内流场特性;涡结构;气动噪声中图分类号:TD441文献标志码:A文章编号:10 0 3-49 6 X(2023)08-0216-07udy on internal flow and noise characteristics of counter-rotating fan in high humidity environmeZHANG Haorui,JIANG Hua,WU Yannil,GONG Wuq
4、i?(1.School of Energy,Xi an University of Science and Technology,Xian 710054,China;2.School of Energy and Power Engineering,Xi an Jiaotong University,Xian 710049,China)Abstract:In order to study the influence of different humidity environment on the flow field performance and aerodynamic noiseof a c
5、ounter-rotating axial-flow fan in the mine,the flow field of the fan is numerically simulated with large eddy simulation andFW-H acoustic model under the relative humidity of the environment was 0,25%,50%,70%,80%,90%and 100%,and vortexstructure and aerodynamic noise variation in internal flow field
6、is analyzed.The results show that with the increase of relativehumidity,and the static pressure,power and efficiency of the fan decrease roughly in a linear trend,the intensity of tip leakagevortex decreases.At the monitoring points of inlet and outlet,the average sound pressure level decreases to v
7、arying degrees.Whenthe relative humidity increases by 10%,the pressure rise decreases by about 2.08%,the power decreases by about 1.9%,theefficiency decreases by about 0.57%,and the sound level A at each monitoring point decreases by 0.9%.Key words:counter-rotating fan;large eddy simulation;FW-H aco
8、ustic model;internal flow characteristic;vortex structure;aerodynamic noise煤炭作为我国主要能源,深埋在2 0 0 0 m内的矿产资源高达5.57 万亿t,然而当矿井开采深度达10002000m时,据统计报告,作业区温度可达3040,相对湿度在55%10 0%之间 1-3。对旋风机作为矿井通风的主要设备,肩负着改善工作环境、保证井下安全开采的重任,风机工作在矿井潮湿的环境中,对风机流场稳定性有一定的影响。轴流风机作为矿井通风系统的基础设备,近年收稿日期:2 0 2 2-0 9-2 3责任编辑:李力欣基金项目:国家基础项目
9、研究资助项目(2 0 19 52 0 8 0 0 3)作者简介:张浩睿(19 9 7 一),男,陕西咸阳人,硕士研究生,研究方向为流体机械系统及设备。E-mail:9 12 2 8 56 16 q q.c o m通讯作者:姜华(19 7 3一),女,河北良香人,副教授,硕士研究生导师,博士,主要从事流体机械多相流及噪声等方面的研究。E-mail:217.Safety in Coal Mines2023年8 月Aug.2023煤矿发全No.8Vol.54第8 期第54卷来研究除集中在仿生叶型 4-5、叶尖小翼 6-7 、叶片结构 8-9 等方面的探讨,也逐渐开始有对风机在不同环境下性能及噪声的研
10、究。宋品芳等 10 基于熵权模糊法对风机性能的影响因素进行了理论分析,得出风机结构对性能影响最大,环境条件(大气压力、空气密度、相对湿度和空气温度)的影响次之;苏勋文等 川以环境条件与空气密度的数学关系为基础,从机理上解释了环境因素引起空气密度的变化从而改变风机最优功率曲线,表明考虑风机运行环境因素的影响将改善风机运行性能;刘学等 12-13 研究不同海拔环境对风机性能影响的规律,研究表明随着海拔每升高10 0 0 m,风机全压及静压效率分别平均降低0.2 1%和0.2 9%左右,且风机噪声总声压级和平均声压级随,环境气压每降低0.1atm(10 132 5Pa),二者分别降低1.47 dB和
11、1.2 9 dB。随着我国矿井开采深度的不断开拓,面临高温高湿的矿井环境愈为严重,并且风机运行中产生的噪声,弱化井下工作人员对周围环境的感知力,为其生命安全埋下隐患 14-15。高湿环境中通风设备是否安全高效的运行倍受重视,而目前国内外关于相对湿度对对旋风机的影响相关研究报道较少。基于此,以某矿用对旋轴流风机为研究对象,考虑实际矿井相对湿度环境开展定常与非定常模拟,探究对气动性能以及噪声的影响,为风机在不同运行环境下高效运转及风机设计选型提供理论参考。1研究对象及方法1.1物理模型相对湿度定义为实际水蒸气压力和饱和水蒸气压力的比值,考虑湿度的空气密度p计算公式为:Ph=R.TPo(1_ 0.3
12、78 0*PPo(1)式中:ph为考虑湿度的空气密度,g/cm;po为实际状态下空气压力,Pa;T 为温度,K;Ra 为空气气体系数,J/(molK);p v 为实际水蒸气压力,Pa;为空气相对湿度,%。根据风机相似性理论可知:22DPhPhn(2)PPDPa=px(1_ 0.378:0:px(3)P式中:p为标准工况下风机压升,Pa;p为变湿度工况下风机压升,Pa;p为标准工况下的空气密度,g/cm;为D为叶轮直径,m;D为变湿度工况下叶轮直径,m;n为转速,r/min;n为变湿度工况下转速,r/min。当风机转速和叶轮直径保持一致时,可得出受相对湿度影响下,风机压升的相似性方程,同理可得风
13、机功率相似性方程,为风机设计提供参考。在理论的基础上,以某矿用对旋轴流风机建模,风机两级转速为2 9 50 r/min,一级、二级叶轮叶片数分别为12 和10,轮毂直径410 mm,叶轮外径6 32mm,模拟变湿度下对风机性能及噪声的影响。1.2研究方法整个模拟过程分为定常模拟、非定常模拟和噪声模拟3个部分。定常模拟选用标准k-8RNG端流模型,SIMPLE算法进行压力速度耦合,采用多重旋转坐标模型(MRF),叶轮旋转区域和固定区域的动静交界面采用interface进行连接;非定常模拟选用大涡模拟,压力速度耦合采用PISO算法;噪声模拟选用噪声比拟模型(FW-H)进行风机气动噪声的数值模拟,时
14、间步长选择为2 x10-5。采用全流道进行模拟计算,叶轮网格在Turbo-Grid中生成,进出口流道网格在ICEM中生成。在进行网格无关性验证中,只修改两级叶轮的网格数,采用7 组网格数进行数值模拟,并通过比较静压压升p.和功率N,待结果保持稳定,最终选择6 50 W左右总网格数进行后续的模拟计算。1.3实验验证根据国家标准GB/T1236-2017工业通风机用标准化风道进行性能试验搭建C型试验系统FBDNo6.3型对旋轴流式局部通风机。模拟结果当进出口流量偏差小于10-5,各残差值低于10 4,且进、出口截面总压稳定,默认计算达到收敛。数值模拟值与实验结果对比如图1。224500202183
15、5001614公-实验功率2.500一模拟功率12o-实验静压压升一模拟静压压升150010F87504371524561197430流量/(Ls-l)图1数值模拟值与实验结果对比Fig.1Comparison between numerical simulationand experimental results218SafetyinCoal MinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54煤防发全第8 期第54卷基于上述方法,将实验结果与数值模拟结果进行比对,模拟计算与试验结果变化趋势基本一致,风机静压压升最大误差为5.56%,功率最大误差为5.38%,认为采用此模型结果具有
16、一定的可靠性。2数值模拟2.1风机气动性能分析在其他因素给定的条件下,相对湿度为0、25%、50%、7 0%、8 0%、9 0%、10 0%的空气中水蒸气的质量分数分别为0、0.0 0 8 6 9、0.0 17 46、0.0 2 510、0.028 84、0.0 32 6 2、0.0 36 58。模拟在标准大气压、环境温度35下,改变0、25%、50%、7 0%、8 0%、9 0%、10 0%相对湿度,寻求相对湿度对风机运行性能影响的规律,对风机静压升P、功率N和静压效率n.的结果进行分析。不同湿度下风机性能曲线如图2。3250,2080斤182.7507616%/率王媒2250M率1472相
17、对湿度0%相对湿度0%相对湿度0%相对湿度2 5%12相对湿度2 5%相对湿度2 5%1750相对湿度50%相对湿度50%68相对湿度50%相对湿度7 0%10相对湿度7 0%相对湿度7 0%相对湿度8 0%相对湿度8 0%相对湿度8 0%1250相对湿度9 0%8相对湿度9 0%64相对湿度9 0%相对湿度10 0%相对湿度10 0%相对湿度10 0%7506603.42059626.50373165.4205.9626.50373165420596265037316流量/(Ls-)流量/(Ls-l)流量/(Ls-I)(a)不同湿度风机输出静压(b)不同湿度风机功率(c)不同湿度风机静压效率
18、图2不同湿度下风机性能曲线Fig.2Performance curves of fan at different humidity经计算相对湿度每升高10%,则压升平均降低2.08%左右,功率平均降低1.9%左右,效率平均降低0.57%左右。2.2风机流场分析目前对风机流场的分析,大都通过涡量进行比对,常采用Q准则判别系数Q来反应涡的结构与强度 16 ,Q为正值表示流场中涡量占主导的区域。一级叶轮Q准则涡量识别图如图3(Q=610s-),二级叶轮Q准则涡量识别图如图4(Q=1.610s-2)。叶顶泄漏涡叶顶泄漏涡(a)相对湿度0%(b)相对湿度10 0%图3一级叶轮Q准则涡量识别图Fig.3Q
19、 criterion vorticity identification ofthe first stage impeller脱落涡两级交界面脱落涡两级交界面叶顶泄漏涡叶顶泄漏涡(a)相对湿度0%(b)相对湿度10 0%图4二级叶轮Q准则涡量识别图Fig.4Q criterion vorticity identification ofthe second stage impeller由图3可以看出:一级叶轮涡结构规律、稳定,且主要为叶顶泄漏涡,在压力面与吸力面压差的作用下,叶顶气流流动过程产生叶顶泄漏涡,在相对湿度增大的情况下,叶顶泄漏涡减少。由图4可以看出:一级叶轮与二级叶轮交界面处涡结构较稳
20、定,气流进人二级叶轮,受到二级叶轮相反旋转方向的势作用,加剧流流动,二级叶轮叶顶涡量强度增大,加剧涡结构复杂性,叶顶附近产生有大量小涡,在随着气流向后流动,产生脱落涡;在219.SafetyinCoal Mines2023年8 月Aug.2023煤砺发全No.8Vol.54第8 期第54卷相对湿度增大的情况下,叶顶泄漏涡强度降低,叶顶尾缘脱落涡有明显的降低,同时叶顶附近小涡的量也有所减少;同时,两级叶轮压力面与吸力面因压差过度而产生的二次流,引发二次流损失,在随着相对湿度升高,整体压升降低的过程中,压差强度的变化也将影响风机整机流场的稳定性,伴随着风机性能的改变。由图3和图4可以看出:湿度变化
21、对一级叶轮的影响较二级稍弱,故一级叶轮选取更大的等值面进行比对,二级叶轮涡结构较一级叶轮显然更加复杂,同时两级叶轮的强涡结构都在叶顶处。Q准则提取涡的方法,通常用来判断流场中涡的结构和位置,无法精确反映涡强度的大小。文献7通过采用对叶轮叶顶间隙等环面静压来间接分析涡发展的轨迹及强度,原理在于涡会产生低压区,通过压力大小来表明涡强度的大小,故对叶顶间隙环面压力进行分析。一级叶轮叶顶间隙环面静压分布如图5,二级叶轮叶顶间隙环面静压分布如图6。静压/Pa900515000917000叶顶泄漏涡叶尖分离涡旋转方向-1700(a)相对湿度0%静压/Pa900-1300.051300.01500.0-15
22、00.0叶顶泄漏涡叶尖分离涡旋转方向-1700(b)相对湿度10 0%图5一级叶轮叶顶间隙环面静压分布Fig.5The circumferential static pressure distribution oftip clearance of the first stage impeller图5与图6 分别为两机叶轮叶片距叶顶2 mm处环面静压分布,由图5与图6 可以看出:相对湿度增大时,一级叶轮叶顶泄漏涡的强度降低较明显,叶尖分离涡的变化不明显;二级叶轮叶顶泄漏涡的强度降低不明显,但是叶尖分离涡的强度有所降低;相对湿度增大,叶轮压升降低,压力面与吸力面过度压差随之降低,从而影响叶顶泄漏涡
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