几何模型建立与网格划分

计算模型采用掘进工作面4-72-5.6A 防爆防腐蚀的离心式通风机，其主要参数：电机功率22 kW,转速2 930 r/min,流量10 122~25 736 m3/h,全压4 152~2 330 Pa。其主要由进风口、集流器、叶轮和蜗壳组成。

离心风机厂家集流器中添加了米字形结构与环形挡环。风机结构复杂且叶片外形不规则，因此生成结构化网格比较困难，相反非结构化网格适应能力强，在处理复杂结构时有利于网格的自适应。

因此离心风机厂家采用四面体非结构化网格。使用ANSYS 软件中的CFD 软件进行网格划分，加米字形集流器模型网格数1 072 503，网格节点数184 910；普通圆弧形模型网格数1 296 832，网格节点数223 847。以离心风机在掘进工作面环境下的运行工况为依据，进行离心风机厂家参数设置：流量取22 806.54 m3/h，流速取6.335 15 m/s, 质量流量取7.491 3 kg/s。Bartenwerfer等将蜗板外侧消声部分的外壳做成方形，里面填充消声材料对离心风机进行降噪试验研究，使改进后的风机A声级降低了9～12dB(A)。把Pro/E 建立的几何模型导入Fluent 中并对几何模型的边界条件计算参数进行设定。其中入口类型采用速度进口，出口设为压力边界条件，本计算采用的样机是矿用式离心风机， 出口静压可以近似为0，蜗壳内壁及叶轮壁面粗糙度均取0.5，集流器、叶轮、蜗壳等各流体区域结合处的公共面采用interface边界类型面， 将叶片的压力面和吸力面以及叶轮前盘、后盘和转轴的内外表面一起定义为旋转壁面。环境压力为101 325 Pa，取粉尘流体密度ρ=1.225 kg/m3。计算时采用SIMPLE 压力速度耦合方法进行。

整机压力云图分布

通过Fluent 软件对掘进工作面离心风机进行流场数值模拟，模拟得出在同流量下，加米字集流器和普通集流器离心风机压力云图可以看出，风机静压从进口至出口逐渐增大，在蜗壳外达到较大。加米字集流器风机进口静压明显高于普通集流器离心风机， 其较大静压达到2 510 Pa，普通集流器达到1 440 Pa；加米字风机的全压较大可达5 860 Pa，而普通集流器较大达到4 260 Pa。金属叶轮是离心风机的重要组成部分，对于离心风机的安全运行和性能起着决定作用。

离心风机厂家集流器的压力用Tecplot 软件对模拟结果进行后处理，可以对离心风机集流器的受压进行对比分析。加米字形集流器和普通圆弧形集流器内部流场受压分布所示， 离心风机厂家米字形集流器入口压力为-8 000 Pa，到集流器出口达到-18 000 Pa，压差10 000 Pa；普通圆弧形集流器入口压力为-8 000 Pa，到集流器出口达到-16 000 Pa，压差8 000 Pa，小于米字形集流器。但上述边界条件只针对高雷诺数而言，在固体壁面附近，流体粘性应力将取代湍流雷诺应力，并在临近固体壁面的粘性底层占主要作用。同时也可以看出，加米字形集流器压力梯度变化趋势比普通圆弧形集流器平缓，对稳定进口气流，保证气流的均匀及稳定有更明显的作用。

本文以离心风机厂家为研究对象，对4 种组合方式的消声蜗壳进行了试验测量，研究了每一种组合的降噪效果及对风机气动性能的影响。试验在符合ISO3745 标准的半消声室中进行，其四周墙壁及屋顶均装有消声尖劈，消声室截止频率100 Hz，本底噪声为26 dB( A) 。消声蜗壳对离心风机厂家气动性能的影响原风机与不同消声组合试验所得的气动性能对比如图3所示。试验装置和测试系统按照***标准GB/T1236－2000《工业通风机用标准化风道进行性能试验》和GB/T2888－91《离心风机厂家和罗茨鼓风机噪声测量方法》的要求设计、制造、测试。离心风机厂家进气口端连接符合GB/T 1236 规定的风机性能试验进气试验装置。使用智能压力风速风量仪测出PL3 位置的静压和PL5 处的流量压差，然后再根据其他测量的数据算出风机全压和静压试验装置。

试验采用进口堵片方式调节流量，从大流量至小流量共选取8 个工况点，分别测试每个工况点的风机流量、压力、功耗和噪声。后计算风机标况下流量、全压、全压效率、总A 声级。本试验风机的结构简图，在风机蜗板和前后盖板上可分别固定穿孔钢板，穿孔板与蜗壳本体之间形成10 mm 的空腔，空腔内填充超细玻璃棉，形成消声蜗壳。2）加进气箱后，风机叶轮尾缘的“尾迹-射流”现象更加的严重，且在小流量区风机内部流场存在偏心现象。以此形成4 种消声蜗壳组合: A 组合，周向蜗板有消声层;B 组合，蜗壳后盖板有消声层; C 组合，周向蜗板和后盖板有消声层; D 组合，周向蜗板和前盖板有消声层。选用的穿孔板采用板厚1 mm，孔径6 mm，穿孔率约为22%。各种加装吸声结构组合，风机蜗壳内部的通流结构尺寸和原风机一致。

为改善离心风机厂家受气体粘性影响导致流动分离加剧的现象，在传统蜗壳型线设计理论的基础上，研究气体粘性力矩对蜗壳壁线分布的影响，并采用动量矩修正方法对其进行改型设计。另外，为真实反映风机内流场分布情况，在标准k-ε 计算模型的扩散项中加入粘性应力作用，使其高计算误差降低至3%。8D离心风机为研究对象，对比了适配进气箱的两种不同导流器，并测试了噪声。对比分析改型前后风机数值模拟计算和试验测量结果可知，采用修改的k-ε 模型进行计算发现改型后风机内旋涡强度减小，蜗壳出口靠近蜗舌处流动分离得到改善。试验结果表明：改型离心风机厂家出口静压提升约25Pa，较大全压效率较原型机提升约10%。

同时，由于蜗壳张开度扩大能够***流动分离，使蜗舌附近区域的旋涡强度及其影响区域减小，从而有效地降低了多翼离心风机噪声2.5dB。多翼离心风机广泛应用于国民经济的各个领域，是工业生产中主要耗能设备之一，蜗壳作为离心风机中不可或缺的基本元件，其结构的不对称性及内部流动的复杂性会对叶轮出口气流角造成较大影响，使其沿圆周方向呈现出明显的不对称性。同时也可以看出，加米字形集流器压力梯度变化趋势比普通圆弧形集流器平缓，对稳定进口气流，保证气流的均匀及稳定有更明显的作用。而在风机实际运行过程中，离心风机厂家叶轮出口气流与蜗壳壁面间存在强烈的非定常干涉，使得蜗壳壁面成为风机的主要噪声源。因此提高蜗壳型线设计水平，不仅能改善风机气动性能，还能达到降低噪声的效果。目前国内外学者对离心风机蜗壳型线的研究，主要集中在寻找能真实反映蜗壳内流体流动状态的设计方法。