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。

热循环风机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。

因此热循环风机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，进行热循环风机参数设置：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。k-ε模型作为***为普遍有效的湍流模型，能够计算大量的各种回流和薄剪切层流动，被广泛应用于各类风机的数值求解计算中。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。

为改善热循环风机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%。现场检修人员反映，在打表过程中，径向百分表下方读数不时出现异常情况：电机垫高已经很明显，但读数却不变或变小（当时百分表探头打在风机端半联轴器上，此情况下，如电机垫高，径向百分表在下方读数应增大）。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：改型热循环风机出口静压提升约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。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。而在风机实际运行过程中，热循环风机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。

将建立好的热循环风机三维模型导入ICEM 软件进行混合网格的划分。其中进出口和叶轮区域采用结构化网格，而蜗壳部分由于其内部结构复杂，尤其是电动机周围结构并非规则模型，故采用适应性较强的非结构化四面体网格，具体网格如图3 所示。凭多年经验并仔细观察后发现，当联轴器转到***下方时，百分表探头已脱离半联器近0。综合考虑动静耦合区域对数值模拟预测结果的影响，在进行网格划分时，对边界层进行加密处理，其较低网格质量雅克比[14]在0.3 以上。为了保证数值计算结果的准确性，避免网格误差对其模拟结果造成影响，对热循环风机进行网格无关性验证，如表1 所示。综合考虑计算精度和计算效率可知，当网格数为25 万左右时预测结果较为合理，终确定整个计算域的网格数为2513558。k-ε 模型作为为普遍有效的湍流模型，能够计算大量的各种回流和薄剪切层流动，被广泛应用于各类风机的数值求解计算中。

由于有梯度扩散项，模型k-ε 方程为椭圆形方程，故其特性同其他椭圆形方程，需要边界条件：热循环风机出口或对称轴处k / n0和/ n0。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。然后应用Fluent流体软件对其进行了数值建模分析，充分认识离心分机内部流场流体的流动规律，并得到集流器及整个风机的压力云图，截面所受阻力云图，并取点做了统计分析。而多翼离心风机由于结构尺寸小、相对马赫数低，气体黏性力在流体流动过程中起重要作用，因此，在实际运用过程中，标准k-ε 模型由于未充分考虑粘性力的影响，导致计算模型出现偏差。运用Visual C++将上述修正函数编写为UDF代码，并导入Fluent 内置Calculation module。为符合实际运行状态，热循环风机进出口边界条件设置为压力入口和压力出口，出口压降与动能成正比，从而避免在进口和出口定义一致的速度分布[15]。后以CFD 计算的定常结果作为初始条件，进行非定常数值计算。