摘 要：对旋轴流风机广泛应用于矿井通风等场合。本文建立包括风机两级叶轮、外壳、集流器及扩散器等在内的对旋风机三维整机几何模型，完成了風机内部三维流场的非定常仿真计算。详细分析了对旋风机三维流场的速度场和压力场的变化规律，对风机的优化设计具有重要工程指导意义。

关键词：矿井通风；对旋轴流风机；叶顶间隙；数值模拟

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.12.063

0 引言

对旋轴流风机广泛应用于矿井通风等领域，最近国内外风机企业及科研院所加大了对旋风机的研发力度。近期随着流体动力学仿真技术的发展，以及其在后处理模块的强大功能，可以帮助设计师定性清晰地了解风机流场的细节，对优化风机设计、提升风机综合性能具有重要作用[1]。

1 几何及网格模型

如图1所示为某矿井通风对旋轴流风机的三维几何模型，分为前后两级叶轮，风机转速为3000rpm，叶轮与外壳之间的间隙仅有2mm。图2所示为某矿井通风对旋轴流风机叶轮及导流体区域的网格模型，采用六面体网格进行计算区域的空间离散，最终六面体网格的数量约500万。

2 数值算法

风机流体力学仿真满足物理守恒定律，三大主要的守恒定律包括：能量守恒定律、动量守恒定律、质量守恒定律。由于风机内部气流的流动处于湍流状态，同时还要满足附加的湍流输运方程[2]。由于本次仿真不考虑风机内热量传递，因此不考虑能量守恒[3]。

风机流体仿真对应的动量守恒控制方程为：

风机流体仿真对应的质量守恒控制方程为[4]：

风机流体仿真对应的湍流输运方程为[5]：

式中：为湍动能，为湍流耗散率，是由于平均速度梯度引起的湍动能的产生项，是由于浮力引起的湍动能的产生项，代表可压缩湍流中脉动扩张的贡献。

3 仿真结果

对旋风机的仿真采用非定常计算，图3所示为计算过程中的残差监视曲线，计算到4000步基本可以判断计算收敛，从而进行后续仿真结果后处理及分析。

3.1 速度场

从图4对旋风机三维流线图可以定性直观地看出气流的流动轨迹，风机进口气流经过风机整流罩后均匀流入风机一级叶轮和二级叶轮，经过两级叶轮加速后经扩散器增压后流出风机。在风机叶轮区域存在明显的高速区域，特别是叶顶间隙位置由于间隙尺寸较小，局部气流速度较高。

3.2 压力场

图5所示为对旋风机压力场分布，可以看出压力数据沿风机轴向的分布变化趋势，进入风机的气流经过导流罩后压力场均匀分布，后经过两级叶轮做功后气流压力进一步提升，后经过扩散器扩压后进入大气环境。

4 小结

基于煤矿局部通风对旋风机建立其整机流道几何模型以及网格模型，通过数值模拟方法完成了风机内部全流场仿真计算，着重分析了整机速度场及压力场的分布情况。通过数值仿真及分析，对对旋风机的优化设计具有重要实际应用价值。

参考文献：

[1]吴玉林，陈庆光.通风机和压缩机[M].北京：清华大学出版社， 2005：1-291.

[2]王维斌.对旋式通风机全流场内压力脉动及气动噪声特性的数值研究[D].山东青岛：山东科技大学，2009.

[3]LI Yang，OUYANG Hua，DU Zhao-hui.Experimental research on aerodynamic performance and exit flow field of low pressure axial flow fan with circumferential skewed blades[J]. Journal of Hydrodynamic，2007（05）：579-586.

[4]孙婉，李意民，谢远森.基于内部流动数值模拟的对旋风机设计[J].煤矿机械，2009，30（03）：33-35.

[5]G.D.Thiart，T.W.von Backstrom.Numerical simulation of the flow field near an axial flow fan operating under distorted inflow conditions[J].Journal of Wind Engineering and Industrial，1993（45）：189-214.

作者简介：袁言昆（1986-），男，山东菏泽人，本科，助理工程师。