傾斜式礦井主扇擴散塔流場特性分析

傾斜式礦井主扇擴散塔流場特性分析

主扇是煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)中的重要呼吸設(shè)備。它的特點是整個工作時間和能耗的比例都很大，占煤礦生產(chǎn)能耗的25%左右。通過將主扇能耗轉(zhuǎn)化為全壓，可以克服礦山阻力，補償擴散塔的能耗損失，并克服擴散塔的結(jié)構(gòu)阻力。結(jié)構(gòu)阻力損失主要包括：局部彎曲阻力的能量損失、液位吸附性能的反射能力和擴散塔的摩擦阻力。擴散塔回收率的結(jié)果與擴散塔的結(jié)構(gòu)阻力值直接相關(guān)。由于全礦總廢水需要通過擴散塔排放，入口流量大，風(fēng)速高。擴散塔的液體動力學(xué)性能和出流面的流量動力學(xué)性能對實現(xiàn)主扇能量的有效利用有很大影響。1擴散塔性能評價指標(biāo)評價擴散塔性能參數(shù)有基于總流伯努利能量簡化方程的擴散塔阻力系數(shù),基于擴散塔動能回收率的擴散塔效率,基于總流伯努利能量方程的主扇擴散塔效率,基于流體動力學(xué)的靜壓恢復(fù)系數(shù)和擴散塔擴散效率,以及附屬于擴散塔物理模型的斷面擴大系數(shù)和雷諾數(shù)等.上述評價參數(shù),可歸總為擴散塔形體性能系數(shù)、擴散塔流體動力學(xué)性能系數(shù)、擴散塔出流斷面流體動力學(xué)性能系數(shù).1.1擴散塔體長性能系數(shù)擴散塔形體參數(shù)包括擴散塔斷面擴大系數(shù)、擴散塔高度、擴散塔入口斷面面積、擴散塔出口斷面面積、擴散彎道外輪廓線轉(zhuǎn)角、擴散彎道外輪廓線引線長度、擴散彎道外輪廓線延長線長度、擴散彎道內(nèi)輪廓線轉(zhuǎn)角、擴散彎道內(nèi)輪廓線引線長度、擴散彎道內(nèi)輪廓線延長線長度等.其中,擴散塔斷面擴大系數(shù)是最重要的擴散塔形體性能系數(shù),其計算式如公式(1)所示.式中,n:斷面擴大系數(shù);Sout:擴散器出口斷面面積,m2;Sin:擴散器入口斷面面積,m2.1.2擴散塔性能系數(shù)擴散塔流體動力學(xué)性能系數(shù)主要有擴散塔結(jié)構(gòu)阻力系數(shù)、擴散塔靜壓恢復(fù)效率、擴散塔擴散效率等.其中,擴散塔結(jié)構(gòu)阻力系數(shù)和擴散塔擴散效率是最重要的擴散塔流體動力學(xué)性能系數(shù),通過整理和演繹,其計算公式如公式(2)、公式(3)所示.式中,ξ:結(jié)構(gòu)阻力系數(shù);Cp:靜壓恢復(fù)效率.式中,η:擴散效率.1.3擴散塔出流均勻度擴散塔出流斷面流體動力學(xué)性能系數(shù)包括擴散塔出口斷面速度分布均勻度和擴散塔出流斷面動壓能損失分布均勻度,其計算式依次如公式(4)、公式(5)所示.式中,:風(fēng)速分布均勻度;ν:出口某點風(fēng)速,m/s;出口斷面積分平均風(fēng)速,m/s.2斜式擴散塔值模擬及結(jié)果分析2.1傾斜式擴散塔入口速度邊界條件物理模型是某礦正在運行中的傾斜式礦井主扇擴散塔為實體模型,該擴散塔高5.1m,入口斷面為2.80m×3.34m,出口斷面為2.8m×5.25m,斷面擴大系數(shù)為1.57,其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示.利用Fluent6.0大型商業(yè)化計算流體力學(xué)軟件包,進行了傾斜式礦井主扇擴散塔的多工況數(shù)值模擬計算,入口為速度入口邊界條件、出口為壓力出流邊界條件、筒體為絕熱無滑移壁面邊界條件、流動為穩(wěn)態(tài)流動;模型選用重整化群к-ε雙參數(shù)湍流模型、迭代算法采用二階壓力精度的SIMPLE算法.對于傾斜式擴散塔入口速度邊界條件的設(shè)定,需要特別說明的是:在主扇葉輪的上游,空氣受到輪彀阻擋,其中部速度較小,在流動速度分布上出現(xiàn)了一個凹陷;在主扇葉輪下游是尾流區(qū),同樣也形成凹陷;由于來自主扇的氣流經(jīng)過較短的距離就進入擴散塔的工程實際,須將主扇擴散塔的入口來流視為非均勻平行流.所以,在初始化入口速度時,用profile文件給定非均勻分布的入口速度值,其積分平均速度(單位:m/s)依次為6.00、7.00、8.00、9.00、10.00、10.90、12.54、12.87、14.00、15.10、16.00、16.82、18.10、18.80、20.00、21.14、22.00、23.00、24.00、24.50、26.17、27.17、28.18、29.10、30.00、31.00、32.00、33.00共28種工況.2.2擴散塔流體動力學(xué)性能利用傾斜式礦井主扇擴散塔28個入口工況的數(shù)值計算結(jié)果,其出流斷面速度分布均勻度和出流斷面動壓能損失分布均勻度,如圖2和圖3所示.從圖2可以看出,在傾斜式礦井主扇擴散塔的出流斷面上,其出流斷面內(nèi)側(cè)存在反向吸風(fēng)區(qū)域,該區(qū)域面積約占擴散塔出口面積的1/3.從圖3可以看出,傾斜式擴散塔出流斷面上動壓能分布均勻度差,且存在反向動壓能區(qū)域,該區(qū)域也約占擴散塔出口斷面面積的1/3.由此,傾斜式礦井主扇擴散塔的實際出口面積僅為其物理出口面積的2/3左右,導(dǎo)致其出流速度進一步增加和動壓能損失進一步加大,其結(jié)果必然是傾斜式礦井主扇擴散塔的出流流體動力學(xué)性能差.對于傾斜式礦井主扇擴散塔的擴散塔流體動力學(xué)性能系數(shù),將在數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對比分析中,一并討論.3實驗?zāi)Ｐ秃脱b置傾斜式礦井主扇擴散塔實驗分為模型實驗和現(xiàn)場試驗,其裝置依次如圖4、圖5所示.依據(jù)某煤礦主扇擴散塔實體,遵循相似原理,設(shè)計制作了傾斜式擴散塔實驗?zāi)Ｐ?實驗?zāi)Ｐ腿肟诔叽?30mm×190mm、出口尺寸361mm×190mm,對應(yīng)于原型的入口尺寸3.34m×2.80m、出口尺寸5.25m×2.80m,模型與原型之間的比例為1:14.53;模型材料為寶龍板;利用了8386A多參數(shù)通風(fēng)表測風(fēng)速,YJB-1500補償微壓計測氣流全壓和動壓,數(shù)碼相機拍攝模型實驗照片;用3m長帆布風(fēng)筒連接擴散塔模型和實驗動力裝置,動力裝置為YBT-2.2軸流風(fēng)機;通過調(diào)節(jié)風(fēng)機吸入口處厚紙片堆積密度,控制實驗所需風(fēng)量.傾斜式擴散塔模型實驗工況共計5個,其入口速度(單位:m/s)依次為10.5、16.0、27.3、32.5、34.0.另外,傾斜式礦井主扇擴散塔的現(xiàn)場試驗中,動力裝置為BD-Ⅱ-6№16對旋式主扇,進行了4個工況的現(xiàn)場測試,其入口速度(單位:m/s)依次為10.80、15.70、16.20、18.10.擴散塔出流斷面的速度測定中,借用網(wǎng)格劃分方法進行測點布置,模型實驗和現(xiàn)場試驗中傾斜式擴散器出口測點分布圖,測點數(shù)依次為9×12、6×9(豎直方向測點數(shù)×水平方向測點數(shù)),依次如圖6、圖7所示.利用傾斜式擴散塔的數(shù)值計算、模型實驗和現(xiàn)場試驗結(jié)果,3種研究手段的擴散塔流體動力學(xué)對比分析,如圖8、圖9所示.另外,模型實驗和現(xiàn)場實驗中傾斜式擴散塔的出流斷面流體動力學(xué)性能,如圖10~圖13所示.上述表象發(fā)生的內(nèi)在原因是傾斜式擴散塔的輪廓線與擴散塔入口來流不匹配.鑒于此,從基于來流流場特性與出流流場要求的角度,優(yōu)化抽出式通風(fēng)系統(tǒng)的軸流式礦井主扇擴散塔擴散器結(jié)構(gòu),提出了節(jié)能型礦井主通風(fēng)機擴散器初步設(shè)計.5模型實驗結(jié)果分析1)擴散塔是主扇重要的附屬裝置,其對提高主扇運行靜壓效率影響顯著.2)數(shù)值計算、模型實驗和現(xiàn)場試驗表明,由于傾斜式主扇擴散塔輪廓線與來流流場不匹配從而導(dǎo)致其流體動力學(xué)性能和出流斷面流體動力學(xué)差,且轉(zhuǎn)化為純阻力源,增加了主扇的無功電耗.3)從優(yōu)化主扇擴散塔結(jié)構(gòu)的角度實現(xiàn)主扇附屬裝置的結(jié)構(gòu)節(jié)能從而提高主扇運行靜壓效率及實現(xiàn)降低煤礦生產(chǎn)電耗強度是有效途徑.從圖8、圖9可以看出,借助3種研究手段所得的傾斜式擴散塔結(jié)構(gòu)阻力、擴散效率隨入口速度的變化曲線,其結(jié)果基本一致,這說明傾斜式擴散塔的數(shù)值模擬結(jié)果是可信的.對比分析圖6、圖7及圖10至圖13可以看出,3種研究手段所得結(jié)果均表明傾斜式擴散塔出流斷面流體動力學(xué)性差,內(nèi)側(cè)存在著占了出口斷面面積約1/3的反向吸風(fēng)渦流耗散區(qū).綜合上述兩個方面,說明了傾斜式擴散塔結(jié)構(gòu)阻力大及出流斷面流體動力性能差,導(dǎo)致傾斜式擴散塔未能有效回收主扇出口動能損失反而增加主扇的無功電耗.例如,在傾斜式擴散塔數(shù)值計算的入口風(fēng)量為8473m3/min時,其對礦井主扇的能耗貢獻值為增加了9.26kW主扇電耗(