倾斜式矿井主扇扩散塔流场特性分析

倾斜式矿井主扇扩散塔流场特性分析

主扇是煤矿生产系统中的重要呼吸设备。它的特点是整个工作时间和能耗的比例都很大，占煤矿生产能耗的25%左右。通过将主扇能耗转化为全压，可以克服矿山阻力，补偿扩散塔的能耗损失，并克服扩散塔的结构阻力。结构阻力损失主要包括：局部弯曲阻力的能量损失、液位吸附性能的反射能力和扩散塔的摩擦阻力。扩散塔回收率的结果与扩散塔的结构阻力值直接相关。由于全矿总废水需要通过扩散塔排放，入口流量大，风速高。扩散塔的液体动力学性能和出流面的流量动力学性能对实现主扇能量的有效利用有很大影响。1扩散塔性能评价指标评价扩散塔性能参数有基于总流伯努利能量简化方程的扩散塔阻力系数,基于扩散塔动能回收率的扩散塔效率,基于总流伯努利能量方程的主扇扩散塔效率,基于流体动力学的静压恢复系数和扩散塔扩散效率,以及附属于扩散塔物理模型的断面扩大系数和雷诺数等.上述评价参数,可归总为扩散塔形体性能系数、扩散塔流体动力学性能系数、扩散塔出流断面流体动力学性能系数.1.1扩散塔体长性能系数扩散塔形体参数包括扩散塔断面扩大系数、扩散塔高度、扩散塔入口断面面积、扩散塔出口断面面积、扩散弯道外轮廓线转角、扩散弯道外轮廓线引线长度、扩散弯道外轮廓线延长线长度、扩散弯道内轮廓线转角、扩散弯道内轮廓线引线长度、扩散弯道内轮廓线延长线长度等.其中,扩散塔断面扩大系数是最重要的扩散塔形体性能系数,其计算式如公式(1)所示.式中,n:断面扩大系数;Sout:扩散器出口断面面积,m2;Sin:扩散器入口断面面积,m2.1.2扩散塔性能系数扩散塔流体动力学性能系数主要有扩散塔结构阻力系数、扩散塔静压恢复效率、扩散塔扩散效率等.其中,扩散塔结构阻力系数和扩散塔扩散效率是最重要的扩散塔流体动力学性能系数,通过整理和演绎,其计算公式如公式(2)、公式(3)所示.式中,ξ:结构阻力系数;Cp:静压恢复效率.式中,η:扩散效率.1.3扩散塔出流均匀度扩散塔出流断面流体动力学性能系数包括扩散塔出口断面速度分布均匀度和扩散塔出流断面动压能损失分布均匀度,其计算式依次如公式(4)、公式(5)所示.式中,:风速分布均匀度;ν:出口某点风速,m/s;出口断面积分平均风速,m/s.2斜式扩散塔值模拟及结果分析2.1倾斜式扩散塔入口速度边界条件物理模型是某矿正在运行中的倾斜式矿井主扇扩散塔为实体模型,该扩散塔高5.1m,入口断面为2.80m×3.34m,出口断面为2.8m×5.25m,断面扩大系数为1.57,其结构形式如图1所示.利用Fluent6.0大型商业化计算流体力学软件包,进行了倾斜式矿井主扇扩散塔的多工况数值模拟计算,入口为速度入口边界条件、出口为压力出流边界条件、筒体为绝热无滑移壁面边界条件、流动为稳态流动;模型选用重整化群к-ε双参数湍流模型、迭代算法采用二阶压力精度的SIMPLE算法.对于倾斜式扩散塔入口速度边界条件的设定,需要特别说明的是:在主扇叶轮的上游,空气受到轮彀阻挡,其中部速度较小,在流动速度分布上出现了一个凹陷;在主扇叶轮下游是尾流区,同样也形成凹陷;由于来自主扇的气流经过较短的距离就进入扩散塔的工程实际,须将主扇扩散塔的入口来流视为非均匀平行流.所以,在初始化入口速度时,用profile文件给定非均匀分布的入口速度值,其积分平均速度(单位:m/s)依次为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种工况.2.2扩散塔流体动力学性能利用倾斜式矿井主扇扩散塔28个入口工况的数值计算结果,其出流断面速度分布均匀度和出流断面动压能损失分布均匀度,如图2和图3所示.从图2可以看出,在倾斜式矿井主扇扩散塔的出流断面上,其出流断面内侧存在反向吸风区域,该区域面积约占扩散塔出口面积的1/3.从图3可以看出,倾斜式扩散塔出流断面上动压能分布均匀度差,且存在反向动压能区域,该区域也约占扩散塔出口断面面积的1/3.由此,倾斜式矿井主扇扩散塔的实际出口面积仅为其物理出口面积的2/3左右,导致其出流速度进一步增加和动压能损失进一步加大,其结果必然是倾斜式矿井主扇扩散塔的出流流体动力学性能差.对于倾斜式矿井主扇扩散塔的扩散塔流体动力学性能系数,将在数值模拟结果与实验结果对比分析中,一并讨论.3实验模型和装置倾斜式矿井主扇扩散塔实验分为模型实验和现场试验,其装置依次如图4、图5所示.依据某煤矿主扇扩散塔实体,遵循相似原理,设计制作了倾斜式扩散塔实验模型,实验模型入口尺寸230mm×190mm、出口尺寸361mm×190mm,对应于原型的入口尺寸3.34m×2.80m、出口尺寸5.25m×2.80m,模型与原型之间的比例为1:14.53;模型材料为宝龙板;利用了8386A多参数通风表测风速,YJB-1500补偿微压计测气流全压和动压,数码相机拍摄模型实验照片;用3m长帆布风筒连接扩散塔模型和实验动力装置,动力装置为YBT-2.2轴流风机;通过调节风机吸入口处厚纸片堆积密度,控制实验所需风量.倾斜式扩散塔模型实验工况共计5个,其入口速度(单位:m/s)依次为10.5、16.0、27.3、32.5、34.0.另外,倾斜式矿井主扇扩散塔的现场试验中,动力装置为BD-Ⅱ-6№16对旋式主扇,进行了4个工况的现场测试,其入口速度(单位:m/s)依次为10.80、15.70、16.20、18.10.扩散塔出流断面的速度测定中,借用网格划分方法进行测点布置,模型实验和现场试验中倾斜式扩散器出口测点分布图,测点数依次为9×12、6×9(竖直方向测点数×水平方向测点数),依次如图6、图7所示.利用倾斜式扩散塔的数值计算、模型实验和现场试验结果,3种研究手段的扩散塔流体动力学对比分析,如图8、图9所示.另外,模型实验和现场实验中倾斜式扩散塔的出流断面流体动力学性能,如图10~图13所示.上述表象发生的内在原因是倾斜式扩散塔的轮廓线与扩散塔入口来流不匹配.鉴于此,从基于来流流场特性与出流流场要求的角度,优化抽出式通风系统的轴流式矿井主扇扩散塔扩散器结构,提出了节能型矿井主通风机扩散器初步设计.5模型实验结果分析1)扩散塔是主扇重要的附属装置,其对提高主扇运行静压效率影响显著.2)数值计算、模型实验和现场试验表明,由于倾斜式主扇扩散塔轮廓线与来流流场不匹配从而导致其流体动力学性能和出流断面流体动力学差,且转化为纯阻力源,增加了主扇的无功电耗.3)从优化主扇扩散塔结构的角度实现主扇附属装置的结构节能从而提高主扇运行静压效率及实现降低煤矿生产电耗强度是有效途径.从图8、图9可以看出,借助3种研究手段所得的倾斜式扩散塔结构阻力、扩散效率随入口速度的变化曲线,其结果基本一致,这说明倾斜式扩散塔的数值模拟结果是可信的.对比分析图6、图7及图10至图13可以看出,3种研究手段所得结果均表明倾斜式扩散塔出流断面流体动力学性差,内侧存在着占了出口断面面积约1/3的反向吸风涡流耗散区.综合上述两个方面,说明了倾斜式扩散塔结构阻力大及出流断面流体动力性能差,导致倾斜式扩散塔未能有效回收主扇出口动能损失反而增加主扇的无功电耗.例如,在倾斜式扩散塔数值计算的入口风量为8473m3/min时,其对矿井主扇的能耗贡献值为增加了9.26kW主扇电耗(